DE4042719C2 - Sensor - Google Patents
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- DE4042719C2 DE4042719C2 DE4042719A DE4042719A DE4042719C2 DE 4042719 C2 DE4042719 C2 DE 4042719C2 DE 4042719 A DE4042719 A DE 4042719A DE 4042719 A DE4042719 A DE 4042719A DE 4042719 C2 DE4042719 C2 DE 4042719C2
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Abstract
Angegeben wird ein Sensor mit einem Detektor (6) zur Erfassung einer physikalischen Größe und einem mit diesem Detektor (6) verbundenen Signalprozessor (5), wobei der Signalprozessor Justiermittel (14-17, R) zur Justierung der Kennlinie des Sensors aufweist, wobei die Justiermittel Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) zur schrittweisen elektrischen Justierung der Kennlinie des Detektors durch Schalten der Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) aufweisen, wobei die Schaltmittel durch Zerstörung oder Nicht-Zerstörung von mindestens einem Transistor mit Zener-Durchbruchs-Eigenschaft oder mindestens einer Sicherung mit Hilfe eines gesteuerten Stromflusses darin geschaltet werden und wobei ein oder mehrere Anschlußflecken (3, 4, 34) vorgesehen sind, wobei die Steuerung des Stromflusses in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von dem oder den Anschlußflecken (3, 4, 34) durchgeführt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor
zur Erfassung einer physikalischen, insbesondere mechanischen
Größe, wie Beschleunigung oder Druck. Insbesondere bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf einen Sensor, der bei
der Steuerung des Fahrwerkes oder des Motors eines Fahrzeugs
zum Einsatz kommt.
Fahrwerk- oder Motorsteuersysteme werden zur Regelung
aller Arten von Problemen im Fahrzeug eingesetzt und ent
worfen. Sie benötigen unter anderem einen Beschleunigungs
sensor oder einen Halbleiterdrucksensor.
Nachdem aber ein in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter
Beschleunigungssensor vergleichsweise kleine Beschleunigungen
zu erfassen hat, die sich darüber hinaus nur relativ langsam
ändern, werden hauptsächlich Beschleunigungssensoren auf
der Grundlage von Halbleitern mit elektrostatischer
Kapazität, im folgenden elektrostatische Halbleiterkonden
satoren genannt, oder von Dehnungsmeßstreifen eingesetzt.
Die Kennlinien dieser konventionellen Sensoren driften
aber nach der Herstellung. Demzufolge muß ihre Empfindlich
keit und/oder ihr Nullpunkt in einer Signalverarbeitungs
schaltung justiert werden. Ein Justierverfahren besteht
beispielsweise darin, daß die Signalverarbeitungsschaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte aufgebaut ist und daß,
um ein justiertes Ausgangssignal zu gewinnen, auf der
Leiterplatte ein Widerstandselement eines Ausgangsjustierers
ausgewählt wird. Bei Verwendung von integrierten Hybrid
schaltungen ist es ein anderes Justierverfahren, zum Erhalt
eines justierten Ausgangssignals des Sensors ein Wider
standselement des Ausgangsjustierers auf dem integrierten
Hybridschaltkreis durch Laserabgleich einzustellen.
Diese Sensoren benötigen aber umfangreiche Signalverar
beitungsschaltungen, was hohe Kosten verursacht. Außerdem
nimmt die Leiterlänge zwischen dem Detektor und der Signal
verarbeitungsschaltung zu, dasselbe gilt für die Anzahl
der Leiter zwischen ihnen. Dies führt zu dem Nachteil,
daß bei einem derartigen konventionellen Sensor die Wahr
scheinlichkeit einer Leitungsunterbrechung aufgrund hoher
Temperaturunterschiede oder Beschleunigungen steigt.
Andererseits wurde vorgeschlagen, integrierte Signalver
arbeitungsschaltungen mit darauf ausgebildeten Dünnfilmwiderständen
zu benutzen, die ebenso mittels Laserabgleich
zur Einstellung des Widerstandswertes justiert werden
könnten. Nichtsdestoweniger ändern auch diese Widerstände
beim Altern ihren Wert, so daß ein derartiger Sensor nicht
ausreichend zuverlässig als Beschleunigungssensor arbeitet.
Im Stand der Technik sind Beschleunigungssensoren auf
der Grundlage von elektrostatischen Halbleiterkondensatoren
sowie solche auf der Grundlage von Dehnungsmeßstreifen
auf den S. 395 bis 398 bzw. 399 bis 402 der im Juni 1989
in Tokio veröffentlichten Druckschrift "Transducer 87,
The 4th International Conference on Solid-State Sensors
and Actuators" beschrieben.
Ihnen haftet aber der Nachteil an, daß Veränderungen in
der Empfindlichkeit und Nullpunktverschiebungen der Sen
soren, die während des Herstellungsprozesses der Detek
toren erzeugt werden, nicht genau genug ausgeglichen wer
den, außerdem sind sie vergleichsweise groß und teuer
und wenig zuverlässig.
Aus der US 4,717,888 ist die Nullpunktjustierung für eine integrierte
Schaltung bekannt. Hier sind Zenerstrecken zu Widerständen
parallel geschaltet, wobei die Zenerstrecken über Signale von An
schlußflecken her durchgebrannt werden können.
Aus der US 4,618,833 ist die Offset-Einstellung eines Operationsver
stärkers bekannt. Hier wird durch das Durchbrennen von Dioden
strecken der Drain einen FET unmittelbar eingestellt.
Aus der US 4,412,241 ist eine Mehrfach-Trimmstruktur bekannt.
Hier sind Zenerstrecken kombiniert mit Sicherungsstrecken parallel
zu Trimmwiderständen geschaltet.
Aus der DE 30 08 754 C2 ist eine monolithische, integrierte trimm
bare Schaltung bekannt. Eine Kette binär gestaffelter Widerstände
weist eine parallele Kette durchbrennbarer Halbleiterstrecken auf.
Aus der EP 0 322 380 A2 ist ein Verfahren zum schrittweisen Ver
größern der Kollektorfläche eines PNP-Transistors während des
elektrischen Prüfens einer integrierten Schaltung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kleinen, leicht montier
baren, billigen und zuverlässigen Sensor zur Erfassung
einer physikalischen, insbesondere mechanischen Größe
bei erhöhter Fertigungsausbeute anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Sensor so ausgebildet, daß der
Zustand eines mit ihm verbundenen Signalprozessors digital
durch selektive Zufuhr von Strom zum Signalprozessor von
der Energiequelle des Signalprozessors her oder von einem
auf dem Sensor angebrachten Mikrocomputer her geändert
wird, so daß die Kennlinie des Signalprozessors wahlfrei
geändert werden kann. Erfindungsgemäß werden insbesondere
die Speicherzustände eines Nullpunktabgleichspeichers
und/oder eines Empfindlichkeitsabgleichspeichers des
Signalprozessors digital am Signalprozessor ausgewählt,
so daß die Empfindlichkeit des Signalprozessors gemäß
den weiter unten angegebenen Ausführungen geändert wird,
wodurch die Empfindlichkeit und/oder die Nullpunktver
schiebung leicht justiert werden können.
Demzufolge kann die Empfindlichkeitskennlinie und/oder
der Nullpunkt des Sensors leicht und zuverlässig einge
stellt werden, insbesondere im Hinblick auf Alterungs
erscheinungen.
Da der Nullpunktabgleichspeicher und der Empfindlichkeits
abgleichspeicher gemeinsam mit dem aus einer integrierten
Schaltung bestehenden Signalprozessor ausgebildet sind,
sind Detektor und Signalprozessor auf demselben Schaltungs
träger angebracht, so daß sich ein kleiner und deshalb
leicht im Fahrzeug zu installierender Sensor ergibt, der
außerdem billig ist.
Aufgrund der kurzen Leiter zwischen dem Detektor und dem
Signalprozessor sowie der geringen Anzahl derselben treten
in diesem Bereich weniger Fehler auf, wodurch die Zuver
lässigkeit erhöht wird.
Im folgenden werden bezugnehmend auf die Zeichnungen ein
zelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung be
schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 einen seitlichen Schnitt des Sensors nach
Fig. 1;
Fig. 3 einen Frontalschnitt längs der in Fig. 2
gezeigten Linie A-A;
Fig. 4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungs
form;
Fig. 5 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungs
form;
Fig. 6 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungs
form;
Fig. 7 das Schaltbild des Signalprozessors gemäß
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 8 einen als Widerstandskette im Signalpro
zessor gemäß einer erfindungsgemäßen Aus
führungsform ausgebildeten Nullpunktabgleich
speicher;
Fig. 9 den Nullpunktabgleichspeicher mit einer
Temperaturkompensation gemäß der Ausführungs
form nach Fig. 8;
Fig. 10 einen als Widerstandskette in einer erfin
dungsgemäßen Ausführungsform des Signal
prozessors ausgebildeten Empfindlichkeits
abgleichspeicher;
Fig. 11 einen anderen Nullpunktabgleichspeicher
auf der Grundlage von Serienwiderständen
in einem Signalprozessor gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 einen anderen Empfindlichkeitsabgleichspeicher
auf der Grundlage von Serienwiderständen
im Signalprozessor gemäß einer anderen
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine Erläuterung, wenn ein Schalter durch
einen Zenerdurchbruch ausgewählt wurde;
Fig. 14 eine Kennlinie zur Erläuterung der Funktions
weise der Schaltung in Fig. 13;
Fig. 15 die Schaltung einer Ausführungsform der
in den Fig. 8 bis 12 dargestellten Schalter,
bei der ein Zenerdurchbruch angewendet
werden kann;
Fig. 16 ein Schaltbild einer anderen Ausführungs
form der in den Fig. 8 bis 12 dargestellten
Schalteranordnung, bei der ein Schalter
unter Zuhilfenahme des Zenerdurchbruchs
durch ein Ausgangssignal des am Sensor
angebrachten Mikrocomputers ausgewählt
werden kann;
Fig. 17 ein Schaltbild einer Ausführungsform der
in den Fig. 8 bis 12 dargestellten Schalter
anordnung, bei der ein Siliziumdurchschmelz
verfahren zur Anwendung kommt;
Fig. 18A und 18B eine Darstellung des Siliziumdurchschmelz-
verfahrens;
Fig. 19 eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform,
die als ein Beschleunigungssensor auf der
Grundlage von elektrostatischen Halbleiter
kondensatoren verwendet wird;
Fig. 20 einen Spannungsverlauf zur Erklärung der
Funktionsweise des Sensors nach Fig. 19;
Fig. 21 Kennlinien der Ausgangsjustierschaltung
nach Fig. 19;
Fig. 22 ein Diagramm zur Erklärung der erfindungs
gemäßen Empfindlichkeitsjustierung;
Fig. 23 eine sechste erfindungsgemäße Ausführungs
form bei Anwendung als Geschwindigkeits
sensor; und
Fig. 24 eine siebte erfindungsgemäße Ausführungs
form, die als Halbleiterdrucksensor ver
wendet wird.
In Fig. 1 bezeichnen die Ziffern 1 die Signalverarbeitungs
schaltung und 2 die Ausgangsjustierschaltung, 3 eine Reihe
von Anschlußflecken zur Justierung der Empfindlichkeit
des Sensors und 4 eine Reihe von Anschlußflecken zur Justie
rung des Nullpunkts des Sensors. Die Schaltkreise 1, 2
und die Anschlußflecken 3, 4 sind zu einem integrierten
Schaltkreis IC integriert. Ziffer 5 bezeichnet den durch den
IC gebildeten Signalprozessor, 6 den Detektor des Sensor
elements. Über Anschlußleitungen 7 ist der Detektor 6
mit dem Signalprozessor 5 verbunden. Entsprechend dem
Anpaßbereich des Sensors 6 ist eine Anzahl von leitenden
Anschlußflecken 3 und 4 vorgesehen, um die dafür notwendi
gen Bits zu bilden. Der Zustand zweier interner Speicher
14 und 16 (s. z. B. Fig. 7), die zum Abgleich der Empfind
lichkeit und der Nullpunktverschiebung der Ausgangsjustier
schaltung 2 dienen, wird durch die Auswahl der notwendigen
Anschlußflecken innerhalb der Anschlußfleckenreihen 3
und 4 und durch Anlegen einer Spannung an sie, wie später
erläutert wird, durchgeführt. Durch das Anlegen von
Spannungen an die ausgewählten Anschlußflecken werden
Empfindlichkeit und Nullpunktverschiebung entsprechend
einer gewünschten Kennlinie festgesetzt.
Bezugnehmend auf Fig. 7 bis 18 wird im folgenden das Justier
verfahren für die Empfindlichkeit und die Kompensation
der Nullpunktverschiebung erläutert. Unterschiede der
Kennlinie des Detektors 6 in bezug auf dessen Empfind
lichkeit und dessen Nullpunktverschiebung sind unver
meidbar. Demzufolge ist auch deren Justierung unverzicht
bar.
Die Justierungen werden nach dem Zusammenbau des Sensors
durchgeführt. Zunächst wird hierzu eine veränderliche
Beschleunigung G an den Sensor angelegt und das Ausgangs
signal Vout der Ausgangsjustierschaltung 2 gemessen. Wenn
beispielsweise der Sensor im Bereich zwischen 0 und ±1 G
(1 G = 9,8 m/s2) messen soll, wird das Ausgangssignal
V an den Punkten G = 0, G = 1 und G = -1 gemessen.
Nachdem ein allgemeiner Beschleunigungssensor eine Richtungsabhängigkeit
in seiner Erfassungskennlinie hat, kann
diese Messung leicht durch Neigung des Sensorelements
unter Ausnützung der Fallbeschleunigung durchgeführt werden.
Durch dieses bekannte Verfahren kann somit die Empfind
lichkeitskennlinie und die Nullpunktverschiebung des zu
justierenden Sensors ermittelt werden.
Daraufhin wird die für die Justierung benötigte Kompen
sationsgröße berechnet und sowohl aus den Anschlußflecken
3 die für die Justierung der Empfindlichkeit benötigten
Anschlußflecken als auch aus den Anschlußflecken 4 die
für die Justierung des Nullpunktes benötigten Anschluß
flecken ausgewählt. Dann wird an diese ausgewählten An
schlußflecken eine vorbestimmte Spannung angelegt, wodurch
die Speicher 14 und 16 der Ausgangsjustierschaltung 2
auf einen speziellen Zustand eingestellt werden.
Somit kann die Kennlinie der Signalverarbeitungsschaltung
1 digital gewählt und festgelegt werden, und indem die
Empfindlichkeitskennlinie und die Nullpunktposition auf
einen vorbestimmten Wert hin justiert bzw. kompensiert
sind, können diese Werte innerhalb eines bestimmten Be
reiches ausgewählt werden.
In den Fig. 2 und 3 bezeichnen die Ziffern 8 einen Sockel,
9 ein Substrat, 10 eine Abdeckung, 11 und 12 Anschlüsse
für die Energieversorgung und 13 einen Ausgangsanschluß.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, sind der Signalpro
zessor 5 und der Detektor 6 auf dem Substrat 9 angebracht.
Über die Anschlußleitungen 7 sind der Signalprozessor
5 und der Detektor 6 miteinander verbunden. Das Substrat
9 ist auf dem Sockel 8 befestigt.
Mittels des digitalen Verfahrens des selektiven Anlegens
von Strom an die oben erwähnten ausgewählten Anschluß
flecken 3 und 4 wird somit die Kennlinie der Ausgangs
justierschaltung 2 ausgewählt und festgelegt und somit
auch die Kennlinie der Signalverarbeitungsschaltung 1.
Zur Fertigstellung des Sensors wird nach Beendigung der
Kompensation des Detektors 6 die Abdeckung 10 luftdicht
mit dem Schaft 8 verbunden.
Fig. 4 zeigt die zweite Ausführungsform, bei der der De
tektor 6 unmittelbar mit dem Signalprozessor 5 verbunden
ist.
Fig. 5 zeigt die dritte Ausführungsform, bei der innerhalb
des Signalprozessors 5 die Signalverarbeitungsschaltung
1 und die Signaljustierschaltung 2 als Einheit miteinander
verbunden sind.
Fig. 6 zeigt die vierte Ausführungsfarm, bei der der Detektor
6, die Signalverarbeitungsschaltung 1 und die Ausgangs
justierschaltung 2 als Einheit auf dem Signalprozessor
5 angebracht sind.
Die Ausgangsjustierschaltung 2 gemäß Fig. 7 weist einen
Nullpunktabgleichspeicher 14, einen Differenzverstärker 15,
den Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 und einen Differenz
verstärker 17 auf. Jeder Differenzverstärker 15, 17 ist
mit einem Eingangswiderstand und einem Rückkopplungswider
stand verbunden. Diese Widerstände haben den gleichen
Widerstandswert R. Das Ausgangssignal der Signalverarbei
tungsschaltung 1 wird über den Eingangswiderstand an
dennichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers
15 als dessen Eingangssignal Vin angelegt. Über den Empfindlichkeitsabgleichspeicher
16 wird die Ausgabe des Differenz
verstärkers 15 an den Differenzverstärker 17 angelegt.
An den Nullpunktabgleichspeicher 14 wird eine Referenz
spannung Vref angelegt.
Es sei nun angenommen, daß α der Justierindex des Nullpunkt
speichers 14 sei und β der Justierindex des Empfindlich
keitsspeichers 16. Damit ergibt sich das Ausgangssignal
V01 des Differenzverstärkers 15 zu:
V01 = Vin - α.Vref (1)
Der α.Vref-Term auf der rechten Seite der Formel (1)
beschreibt die Nullpunktjustierung. Die Nullpunktposition
des Detektors 6 wird durch Veränderung dieses Terms ju
stiert. Da die Spannung Vref entsprechend der Referenz
spannung im Ausgabeprozessor 5 fest eingestellt ist, kann
der Nullpunkt durch Auswahl des Justierindex α im Null
punktabgleichspeicher 14 justiert werden.
Für die Ausgangsspannung V02 des Empfindlichkeitsabgleich
speichers 16 gilt:
V02 = β.(α.Vref - Vin) (2)
Da das Ausgangssignal V02 gemäß Formel (2) proportional
zum Justierindex β ist, kann durch die Auswahl dieses
Index im Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 die
Empfindlichkeit justiert werden.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 und damit
das Ausgangssignal Vout der Ausgangsjustierschaltung 2
ergibt sich zu:
Vout = β.(Vin - α.Vref) (3)
Vout entspricht dem Ausgangssignal V02, allerdings mit
umgekehrter Polarität.
Durch Auswahl der Justierindizes α und β des Nullpunktab
gleichspeichers 14 bzw. des Empfindlichkeitsabgleichspeichers
16 kann demzufolge die im Detektor 6 begründete Fluktuation
des Nullpunktes und der Empfindlichkeitskennlinie kompensiert
werden. Das kompensierte Signal Vout kann über die Aus
gangsjustierschaltung 2 ausgegeben werden.
Im folgenden werden Nullpunktspeicher 14 und Empfindlich
keitsspeicher 16 erklärt.
In Fig. 8 bezeichnet die Ziffer 18 Kettenwiderstände mit
Widerstandselementen, deren Widerstandswerte R und 2R
sind und 19 den später zu erklärenden Speicher. Der
Nullpunktspeicher 14 umfaßt die Widerstandskette 18, den
Speicher 19, einen Differenzverstärker 21 und einen Rück
kopplungswiderstand 24. Der Speicher 19 wird durch eine
Anzahl von Schaltern 20 gebildet. Entsprechend acht Bits
enthält in Fig. 8 die Widerstandskette 18 die Schalter
20. In bezug auf die Widerstandselemente der Leiter-Wider
standskette 18 hat jeder der Schalter 20 eine Gewichtung
zwischen 20 und 27 Jeder Schalter 20 hat drei Anschlüsse
a, b und c. Anschluß a kann wahlweise mit Anschluß b oder
Anschluß c verbunden werden. Alle Anschlüsse b sind an
Masse 25 angeschlossen. Die Anschlüsse c sind mit dem
invertierenden Eingang 23 des Differenzverstärkers 21
verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 22 des Diffe
renzverstärkers 21 ist außerdem mit Masse 25 verbunden.
Durch selektives Anlegen einer Spannung verbindet ein
Schalter 20 einen der Anschlüsse b oder c, wie später
erklärt werden wird, mit den für die Nullpunktjustierung
verwendeten Anschlußflecken 4. Der Nullpunktspeicher 14
stellt dann für die an die Widerstandskette angelegte
Referenzspannung Vref ein bestimmtes Spannungsteilungs
verhältnis ein, das über die Schalter 20 der Widerstands
kette 18 innerhalb des Speichers 19 eingegeben wurde,
so daß der oben erwähnte Justierindex α ausgewählt wird.
Somit wird ein Ausgangssignal der Ausgangsspannung von
α.Vref als Ausgangssignal des Differenzverstärkers 21
erzeugt.
Es sei nun angenommen, daß die Schalter 20 der Bits 2 1,
2 2, 2 4, 2 5 und 2 7 die Anschlüsse a und b miteinander ver
binden, die übrigen Schalter verbinden die Anschlüsse
a und c miteinander. In diesem Fall gilt für den Justier
index α:
α = 73/255 (4)
Somit gilt für das Ausgangssignal α.Vref des Differenz
verstärkers 21:
α.Vref = 73/255 × Vref (5)
Durch die Auswahl der Schaltzustände der Schalter 20 inner
halb des Speichers 19 wird das für die Nullpunktjustierung
notwendige Ausgangssignal gewonnen.
In Fig. 9 bezeichnen die Ziffern 65 einen Thermistor und
64 einen Widerstand. Mittels des Thermistors 65 kann der
Sensor temperaturkompensiert werden.
In Fig. 10 weist der Empfindlichkeitsabgleichspeicher
16 dieselbe prinzipielle Struktur auf wie der Nullpunktab
gleichspeicher 14 aus Fig. 8. Der Empfindlichkeitsabgleich
speicher 16 wird durch einen Leiterwiderstand 18A mit
den Widerständen R und 2R, aus dem Speicher 19A mit den
Schaltern 20A entsprechend acht Bits, dem Differenzverstärker
27 und einem zwischen dem Eingangsanschluß 28 des
Empfindlichkeitsababgleichspeichers 16 und dem invertierenden
Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 27 angeschlossenen
Widerstand 26 gebildet.
Es sei nun angenommen, daß das Ausgangssignal Vin - α.Vref
des in den Fig. 8 und 9 dargestellten Differenzverstärkers
15 an den Eingangsanschluß 28 angelegt wird. Nach Formel
(2) ist das Ausgangssignal V02 des Differenzverstärkers
27:
V02 = β.(α.Vref - Vin) (6)
Durch Auswählen und entsprechendes Schalten der Schalter
20A des Speichers 19A wird der Justierindex β des Empfind
lichkeitsabgleichspeichers 16 ausgewählt. In Abhängigkeit
vom Schaltzustand der Schalter 20A des Speichers 19A wird
die Empfindlichkeitsfluktuation des Detektors 6 somit
digital kompensiert.
Wenn, wie in Fig. 10, die den Bits 2 1, 2 2, 2 4, 2 5 und
2 7 entsprechenden Schalter 20A die Anschlüsse a und b
miteinander verbinden und die übrigen Schalter die Anschlüsse
a und c, ergibt sich ein Justierindex β zu:
β = 1 + 73/255 (7)
Im folgenden wird die Ausführungsform der Speicher 19
und 19A erklärt.
Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen sind diese Speicher
im Signalprozessor oder dem IC 5 ausgeführt. Der Schaltzu
stand der Schalter 20 und 20A wird durch selektive Strom
zuführung über die Anschlußflecken 3 und 4 ausgewählt.
Das Umschalten der einen Teil der Speicher 19 und 19A
bildenden Schalter 20 und 20A wird beispielsweise mittels
Zenerdurchbruch oder über ein Siliziumdurchschmelzver
fahren durchgeführt.
Bezugnehmend auf die Fig. 13 und 14 wird im folgenden
das Verfahren mit Zenerdurchbruch anhand eines Schalt
transistors erklärt.
Wenn, wie in der Fig. 13 dargestellt, ein Strom i zwischen
dem Emitter und der Basis des Transistors fließt, ergibt
sich eine Kennlinie des Spannungsabfalls v des Transistors
gemäß der durchgezogenen Linie 61 in Fig. 14. Wenn der
p-n-Übergang des Transistors durch das Anlegen einer hohen
Spannung durchbrochen wird und somit ein großer Strom
zwangsweise zwischen dem Emitter und der Basis des
Transistors fließt, ändert sich dessen Strom-Spannungs-
Kennlinie wie durch die gepunktete Linie 60 in Fig. 14
dargestellt. Der Transistor zeigt demzufolge einen ver
gleichsweise großen Spannungsabfall, wenn der p-n-Übergang
des Transistors nicht mittels Stromübertragung zwischen
Emitter und der Basis des Transistors durchbrochen wird.
Andererseits ergibt sich ein ausreichend kleiner Spannungs
abfall v, nachdem der p-n-Übergang durchbrochen wurde.
Wurde der p-n-Übergang des Transistors einmal durchbrochen,
kann er nicht wieder aufgebaut werden. Die Schalter 20
und 20A nützen diesen Effekt aus.
In Fig. 15 bezeichnen die Ziffern 29 und 30 Feldeffekt
transistoren (FETs). Ein Schalter 20 oder 20A wird hier
mittels zweier FETs 29 und 30 gebildet. Die Anschlüsse
a, b und c in Fig. 15 entsprechen denen in den Fig. 8,
9 und 10. Die Ziffern 31 und 32 bezeichnen Inverter, 33
einen Transistor, 34 einen Anschlußflecken und 35 einen
Knoten. Wie aus Fig. 15 ersichtlich, fließt ständig ein
kleiner, vorbestimmter, konstanter Strom i von der
Spannungsquelle des IC 5 her zwischen dem Emitter und
der Basis des Transistors 33. Solange der p-n-Übergang
des Transistors 33 noch nicht durchbrochen ist, ergibt
sich, wie anläßlich der Fig. 14 erklärt, längs des p-
n-Übergangs ein vergleichsweise großer Spannungsabfall
v. Der Knoten 35 liegt dann auf hohem Spannungsniveau.
Somit liegt das Gate des FETs 29 auf hohem Niveau und
das Gate des FETs 30 auf niedrigem, so daß der FET 29
durchschaltet und der FET 30 sperrt. Der Schalter 20 nimmt
dadurch einen Zustand an, indem die Anschlüsse a und b
miteinander verbunden sind. Es sei nun angenommen, daß
die vorbestimmte hohe Spannung an den Anschlußflecken
34 angelegt wird, so daß ein großer Strom durch den p-
n-Übergang zwischen Emitter und Basis des Transistors
33 fließt, um den p-n-Übergang zu durchbrechen. Dann wird
das Potential des Knotens 35 auf niedrigem Niveau gehalten,
so daß der FET 29 sperrt und der FET 30 durchschaltet,
wie in Fig. 14 dargestellt. Der Schalter 20 oder 20A nimmt
somit einen Zustand an, bei dem die Anschlüsse a und c
miteinander verbunden sind.
Wenn der Schalter 20 oder 20A aus Fig. 15 im Speicher
19 oder 19A der Fig. 8 bis 10 benutzt wird, kann der An
schlußflecken 34 entweder als Empfindlichkeitsjustieran
schlußflecken 3 oder als Nullpunktjustieranschlußflecken
4 benutzt werden. Wenn die Zustände der Speicher 19 oder
19A durch die Auswahl der Schaltzustände der Schalter
20 oder 20A gemäß obiger Methode ausgewählt werden, können
damit auch die Justierindizes α oder β der Speicher 19
oder 19A gewählt werden. Somit kann die Kompensation des
Detektors 6 digital durchgeführt werden.
Das Auswählen und Umschalten der Schalter 20 und 20A unter
Zuhilfenahme des Zenerdurchbruchs arbeitet digital und
ist äußerst zuverlässig. Nachdem die Schalter gemäß diesem
Verfahren ausgewählt und geschaltet wurden, ändert sich
die Kennlinie des Detektors im Lauf der Zeit nicht mehr.
In Fig. 16 wird das Umschalten der FETs 29 und 30 durch
ein über das Register 67 angelegtes Ausgangssignal des
Mikrocomputers 66 durchgeführt. Mikrocomputer 66 und Re
gister 67 sind auf dem Sensor angebracht.
Als nächstes wird bezugnehmend auf Fig. 17 die Auswahl
und das Umschalten der Schalter 20 und 20A unter Zuhilfenahme
des Siliziumdurchschmelzverfahrens erläutert.
In Fig. 17 bezeichnen die Ziffern 36 einen Strombegrenzungswiderstand,
37 die Schmelzsicherung aus polykristallinem
Silizium, gleiche Bauteile wie die in Fig. 15 haben gleiche
Bezugsziffern. Die Schmelzsicherung 37 und der Widerstand
36 sind auf dem Chip des IC 5 ausgebildet. Durch einen
Strom, der größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird
die Schmelzsicherung 37 geschmolzen, so daß sie durchbrennt.
Fig. 18A zeigt einen stromleitenden Zustand der Schmelz
sicherung 37, Fig. 18B den durchgebrannten Zustand nach
Anlegen eines großen Stroms an die Schmelzsicherung 37.
Ziffer 38 bezeichnet einen geerdeten Anschlußflecken.
Solange die Schmelzsicherung 37 nicht geschmolzen ist,
wird das Potential des Knotens 35 in Fig. 17 auf niedrigem
Niveau gehalten. Nachdem durch Anlegen eines großen Stroms
an den Anschlußflecken 34 die Schmelzsicherung 37 geschmolzen
ist, ist das Potential des Knotens 35 auf hohem Niveau.
Somit können wahlweise die FETs 29 oder 30 leitend gemacht
oder gesperrt gehalten werden. Dadurch können die Schalter
20 und 20A an- oder ausgeschaltet werden.
Das Durchschmelzen oder Bestehenlassen der Schmelz
sicherung 37 kann als digitaler Speicher verwendet werden.
Ein Sensor, bei dem dieses Verfahren angewendet wird,
zeigt somit hohe Zuverlässigkeit.
In den Fig. 11 und 12 ebenso wie in den Fig. 13 bis 18
können die Schalter 20, 20' und 20" entweder mittels
Zenerdurchbruch oder über das Siliziumdurchschmelzverfahren
geschaltet werden.
Die Widerstände R und 2R der Fig. 8, 9, 10 und 12 können
durch Halbleiterelemente oder Kondensatoren ersetzt werden.
In Fig. 19 ist der Detektor 6 als ein Beschleunigungssensor
element ausgebildet. Das Beschleunigungssensorelement
ist vom Typ eines elektrostatischen Halbleiterkondensators.
Das Sensorelement wird durch drei Schichten derartig aufge
baut, daß eine Siliziumplatte 40 zwischen zwei Glasträgern
39 und 41 angeordnet ist. Durch Ätzen erhält man aus der
Siliziumplatte 40 einen Kragarm 42 und eine bewegliche
Elektrode 43, die als Elektrode und als Gewicht wirkt.
An den Innenseiten der Glassubstrate 39 und 41 und jeweils
gegenüber der beweglichen Elektrode 43 sind feststehende
Elektroden 44 vorgesehen. Wenn in Fig. 19 gemäß Pfeil
richtung eine Beschleunigung G auftritt, verschiebt sich
die bewegliche Elektrode 43 nach oben oder unten, wodurch
die zwischen den Elektroden 44 und der beweglichen Elek
trode 43 bestehende Kapazität geändert wird. Durch die
Veränderung der elektrostatischen Kapazität wird die Be
schleunigung G erfaßt. Über die drei Anschlußleitungen
45 wird der Detektor 6 mit dem IC 5 verbunden. Der IC 5
umfaßt einen ΔC-Detektor 46 zur Erfassung kleiner Ver
änderungen ΔC der elektrostatischen Kapazität, einen
Verstärker 47, einen Pulsbreitenmodulator 48, einen In
verter 49 und einen Tiefpaßfilter 50. Diese Schaltungen
bilden die Signalverarbeitungsschaltung 1 gemäß Fig. 1.
Das Signal Vin aus dem Tiefpaßfilter wird an die Ausgangs
justierschaltung 2 ausgegeben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Detektors 6 er
läutert.
Die Rechteckspannung VE gemäß Fig. 20 wird an die festen
Elektroden 44 angelegt, um ein Potential der Siliziumplatte
40 von 5 Volt aufrechtzuerhalten. Die Rechteckspannung
am Ausgang des Inverters 49 ist gegenüber der Rechteck
spannung VE invertiert. Wenn eine Beschleunigung G auftritt,
verschiebt sich die bewegliche Elektrode, und die
elektrostatischen Kapazitäten C1 und C2 zwischen der
beweglichen Elektrode 43 und den befestigten Elektroden
44 verändern sich. Der Unterschied ΔC zwischen den elektro
statischen Kapazitäten C1 und C2 wird durch ein Kapazität
schaltverfahren ermittelt. Unter Ausnutzung der elektro
statischen Kraft wird eine elektronische Steuerung derartig
durchgeführt, daß der Kapazitätsunterschied ΔC auf Null
hin geregelt wird, daß nämlich die bewegliche Elektrode
43 einen konstanten Abstand von den befestigten Elektroden
44 hält. Geregelt wird durch die Eingabe des Ausgangs
signals des ΔC-Detektors 46 aus dem Verstärker 47 in
den Pulsbreitenmodulator 48; dadurch wird die Pulsbreite
der Rechteckspannung VE gesteuert, die als Ausgangssignal
verwendet wird. Die Pulsbreite der Rechteckspannung VE
ändert sich also in Abhängigkeit von der Größe der auf
tretenden Beschleunigung G wie in Fig. 20 dargestellt.
Das erfaßte Gleichspannungsausgangssignal Vin, das der
Beschleunigung G entspricht, erhält man, indem die Recht
eckspannung VE durch ein Tiefpaßfilter 50 gefiltert wird.
Die Pulsbreite der Rechteckspannung VE ändert sich
proportional zur Beschleunigung G, wenn ein Zyklus 50 µs
bzw. die Frequenz 20 kHz wie in Fig. 20 beträgt. Bei
positiver Beschleunigung G wird die Pulsbreite verringert,
bei negativer Beschleunigung G erhöht. Das Ausgangssignal
Vin wird in die Ausgangsjustierschaltung 2 ausgegeben,
daraus erhält man das bezüglich der Empfindlichkeit und
des Nullpunkts kompensierte Ausgangssignal Vout.
Bezugnehmend auf Fig. 21 wird das Kompensationsergebnis
für den Sensor nach Fig. 19 erläutert. Die gepunktete
Linie 62 in Fig. 21 zeigt die Empfindlichkeit des Sensors
vor der Justierung der Ausgangsjustierschaltung 2. Die
durchgezogene Linie 63 zeigt die gewünschte Kennlinie
nach der Justierung. Indem man die Empfindlichkeit und
den Nullpunkt mittels der Ausgangsjustierschaltung 2 ein
stellt, können beispielsweise für die Beschleunigungswerte
-1 G, 0 G und +1 G die Ausgangsspannungen von 1,0 Volt,
2,5 Volt und 4,0 Volt erhalten werden.
Fig. 22 zeigt die Größe der Abweichungen von zehn Stich
proben, bevor und nachdem bei den erfindungsgemäßen Aus
führungsformen die Kompensation der Empfindlichkeit durch
geführt wurde. Die Abweichungen der Empfindlichkeit
betragen vor der Justierung gemäß der gepunkteten Kennlinie
62 ±5%. Durch die Justierung kann sie auf ±1% abgesenkt
werden, was der durchgezogenen Kennlinie 63 entspricht.
In Fig. 23 sind der Kragarm 42 und der Beschleunigungs
detektor 6 vom Typ eines elektrostatischen Kondensators
zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltung 1 und der
Ausgangsjustierschaltung 2 auf dem IC 5 ausgebildet. Bei
der Ausführungsform gemäß Fig. 23 kann die Größe des Sen
sors reduziert werden, so daß er im Vergleich mit der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 einfacher in einem Fahrzeug
angebracht werden kann. Wenn sich in der Nähe des befestig
ten Endes des Kragarms 42 ein Halbleiterdehnungsmeßstreifen
55 befindet, kann die Ausführungsform gemäß Fig. 23 als
ein Beschleunigungssensor des Dehnungsmeßstreifentyps
verwendet werden. In Fig. 24 sind am Rand der quadratischen
und zur Druckerfassung vorgesehenen Membran 56 vier Halbleiterdehnungsmeßstreifen
57 angebracht.
Wegen der digitalen Justierung der Empfindlichkeit und
des Nullpunktes weisen die erfindungsgemäßen Ausführungs
formen eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Außerdem kann die Größe der Abweichungen nennenswert ver
kleinert werden. Mittels der vorliegenden Erfindung können
alle Arten von Sensoren, die klein, im einfach montierbar
und billig sein sollen, mit erhöhter Fertigungsausbeute
hergestellt werden.
Claims (11)
1. Sensor mit einem Detektor (6) zur Erfassung einer physi
kalischen Größe und einem mit diesem Detektor (6) verbun
denen Signalprozessor (5), wobei der Signalprozessor Ju
stiermittel (14-17, R) zur Justierung der Kennlinie des
Sensors aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Justiermittel mehrere Abgleichelemente (R, 2R) und mehrere gewichtete Schaltmittel (20, 20', 20", 20A), die mit den Abgleichelementen zur Auswahl eines Ausgangs signals eines jeden Abgleichelements durch Einstellen der Schaltmittel verbunden sind, zur schrittweisen elektri schen Justierung der Kennlinie des Detektors durch Schal ten der Schaltmittel (20, 20', 20", 20A) aufweisen, wobei die Schaltmittel durch ein Signal geschaltet werden, das durch Zerstörung oder Nicht-Zerstörung von mindestens ei nem Transistor mit Zener-Durchbruchs-Eigenschaft oder mindestens einer Sicherung mit Hilfe eines gesteuerten Stromflusses darin erzeugt wird, und
eine oder mehrere Reihen von Anschlußflecken (3, 4, 34) vorgesehen sind, wobei die Steuerung des Stromflusses in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von dem oder den Anschlußflecken (3, 4, 34) durchgeführt wird.
die Justiermittel mehrere Abgleichelemente (R, 2R) und mehrere gewichtete Schaltmittel (20, 20', 20", 20A), die mit den Abgleichelementen zur Auswahl eines Ausgangs signals eines jeden Abgleichelements durch Einstellen der Schaltmittel verbunden sind, zur schrittweisen elektri schen Justierung der Kennlinie des Detektors durch Schal ten der Schaltmittel (20, 20', 20", 20A) aufweisen, wobei die Schaltmittel durch ein Signal geschaltet werden, das durch Zerstörung oder Nicht-Zerstörung von mindestens ei nem Transistor mit Zener-Durchbruchs-Eigenschaft oder mindestens einer Sicherung mit Hilfe eines gesteuerten Stromflusses darin erzeugt wird, und
eine oder mehrere Reihen von Anschlußflecken (3, 4, 34) vorgesehen sind, wobei die Steuerung des Stromflusses in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von dem oder den Anschlußflecken (3, 4, 34) durchgeführt wird.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stromflußsteuerung in dem mindestens einen Transistor
oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage ei
nes Signals von einem am Sensor angebrachten Mikrocompu
ter (66) durchgeführt wird.
3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justiermittel (14-17, R) eine Anzahl von Schaltmitteln
(20, 20', 20", 20A) aufweisen, um durch digitales Wählen
der Schaltmittel eine gewünschte Kennlinie des Detektors
(6) zu erhalten.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sensor zur Erfassung des Unterdrucks im Luftansaugrohr
eines Motors eingerichtet ist.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Sensor zur Erfassung der Beschleunigung eingerichtet ist.
6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justiermittel (14-17, R) einen Nullpunktabgleichspeicher
(14) und/oder einen Empfindlichkeitsabgleicher (16) auf
weisen.
7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justiermittel (14-17, R) außerdem Mittel (65) zur Tempe
raturkompensation aufweisen.
8. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalprozessor eine Signalverarbeitungsschaltung (1) und
eine Ausgangsjustierschaltung (2), die die Kennlinie des
Detektors justiert, aufweist.
9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Detektor (6) und der Signalprozessor (5) auf einem Halb
leitersubstrat ausgebildet sind.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Signalprozessor (5) eine Signalverarbeitungsschaltung (1)
und eine Ausgangsjustierschaltung (2) zur Justierung der
Kennlinie des Detektors (6) aufweist.
11. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Detektor (6) auf einem ersten Halbleitersubstrat und der
Signalprozessor (5) auf einem zweiten Halbleitersubstrat
aufgebaut ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4042740A DE4042740B4 (de) | 1989-07-20 | 1990-07-17 | Sensor |
Applications Claiming Priority (3)
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---|---|---|---|
JP1186026A JP2582160B2 (ja) | 1989-07-20 | 1989-07-20 | センサ装置 |
DE4022697A DE4022697C2 (de) | 1989-07-20 | 1990-07-17 | Sensor |
DE4042740A DE4042740B4 (de) | 1989-07-20 | 1990-07-17 | Sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4042719C2 true DE4042719C2 (de) | 2003-01-30 |
Family
ID=27201469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4042719A Expired - Fee Related DE4042719C2 (de) | 1989-07-20 | 1990-07-17 | Sensor |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4042719C2 (de) |
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- 1990-07-17 DE DE4042719A patent/DE4042719C2/de not_active Expired - Fee Related
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