专利名称：用于微机械固体声传感器的电路和用于运行微机械固体声传感器的方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求类型的用于微机械固体声传感器的电路以及用于 运行微机械固体声传感器的方法。
背景技术：
由DE 10 2004 029 078 Al公开了，设有一种半导体加速度传感器以及借助于一 个机械的振动器测试所述半导体加速度传感器。由DE 101 48 858A1公开了一种具有自 测试功能的微机械传感器，其中，为了自测试，通过施加电压使微机械传感器的振动质量运动。
发明内容
与此相比，具有独立权利要求的特征的、根据本发明的用于微机械固体声传感器 的电路以及根据本发明的用于运行这种微机械固体声传感器的方法具有以下优点可以省 去在敏感的频率范围中OlkHz)的机械振动并且在微机械固体声传感器的电路中自己产 生高频测试信号。因此，尤其是在场中的测试是持续可行的。因此可以实现在运行中对固 体声传感器的运行参数的变化的适配。因此，根据本发明的电路或根据本发明的方法与由 现有技术所公开的相比更简单并且成本更有利。此外，根据本发明的解决方案能够实现通 过频率发生器至少有时提供用于测试运行的时钟，将频率应用在固体声传感器上的最不同 的可性能，以便更准确地分析固体声传感器关于所述频率的特性。在此，“至少有时”指的 是，频率发生器不必在整个测试运行中提供时钟；也可以存在一些时间段，在这些时间段中 时钟发生器提供时钟。根据本发明的用于微机械固体声传感器的电路使用电压发生器，以便将电压加载 到用于检测固体声的微机械元件上。所述加载导致微机械元件的变化，结果导致微机械结 构的运动，其随后表现为可被电地检测的参数的变化。这些参数被分析电路接收并且被以 一个采样率处理以及最终被分析。采样率由时钟发生器提供并且时钟——电压以所述时钟 被加载到微机械元件上——同样由所述时钟发生器产生，但是时钟在测试运行中至少有时 由频率发生器产生，其中频率发生器产生作为采样率的倍数或者因数的时钟。因此可以产 生用于固体声传感器的相应的测试信号，而不必设置单独的测试入口并且在测试运行中也 保持常规运行的采样率。例如，时钟发生器提供作为常规运行中以及测试运行中的系统时钟的因数的采样 率。也由时钟发生器的时钟控制用于常规运行中测量阶段的电压以及测试运行中的电压。 频率发生器在此例子中仅仅控制电压发生器的第二阶段在常规运行中通过施加一个非测 试电压实现，这可相当于频率发生器的关断。在测试运行中，根据被调节的频率施加测试电 压。因此可以实现以表示采样率的因数的频率加载固体声传感器。特别地，使用频率发生器能够实现在不同频率下系统的传递特性的评价，而不必设置机械的激励。通过在测试运行中以及在常规运行中使用分析电路的相同采样率，在两 种运行方式中实现了相同的传递函数。在此，概念“电路”理解为一个集成电路、多个集成电路和/或一个由集成组件和 分立组件组成的组合或者一个仅仅由分立组件组成的电路。电路的一些部分也可作为软件 模块存在。微机械固体声传感器理解为加速度传感器，所述加速度传感器包含一个微机械地 制造的传感元件，但其中输出信号不被低通滤波，因为被低通滤波的信号是例如用于人员 保护系统或者行驶动态调节系统的加速度信号。在固体声传感机构中感兴趣的是固体声并 且固体声位于通常用于加速度传感器的低通的临界频率、例如l_2kHz之上。为此，固体声 信号随后被带通滤波。固体声传感器可被设置在控制设备中和/或控制设备外。固体声传 感器不仅仅被理解为微机械元件，而是也被理解为根据本发明描述的电子装置。最后，属于 此的还有用于传输数据的装置，即例如一个发射器模块，所述发射器模块例如通过电流调 制将数据传输至控制设备或者处理器、例如微控制器。电压发生器是产生用于影响微机械元件的电压并且因此与所述微机械元件相连 接的电路。为此，电压发生器具有相应的装置，以便产生所述电压。所述电压通常由供电电 压导出并且可通过稳压电路产生。供电电压例如也可被直接用作测试电压。尤其可能的是， 直接使用值0V，而导出所有其它的电压值。可能的是，电压发生器的一部分作为软件存在，以便例如控制相应的装置以改变 电压的振幅。但这也可以通过硬件方式实现。微机械元件例如是膜片或者指形结构，其在电压或者外部振荡或加速度的影响下 运动并且因此改变微机械元件处可被电地检测的参数。分析电路也可以是一个电路或者一个电路部分，其中一部分可以通过软件方式实 现。分析电路与微机械元件如此连接，使得所述分析电路可以检测至少一个可被电地检测 的参数、如一个电容值。电阻值或者其它参数也可被如此检测。分析电路以一个采样率对 这些参数进行采样，所述采样率对于测试以及对于常规运行是相同的。在此，“分析”理解为 值的提供或确定，例如固体声传感器的传递曲线。时钟发生器理解为一个电路部分，所述电路部分例如由系统时钟导出另一时钟并 且所述电路部分在此预给定用于所有运行模式的采样率和电压发生器的基础时钟。时钟发 生器也可被实现为计数器或者另一电路。同样可能的是，时钟发生器具有本身的振荡器，由 所述振荡器的振荡导出时钟。频率发生器提供用于测试运行的时钟，其中所述时钟是采样率的倍数或因数。频 率发生器也可部分地通过软件方式实现。常规运行理解为测量运行，而测试运行具有固体声传感器的自测试。这尤其适合 于场中的使用。通过在从属权利要求中列举的措施和进一步构型可有利地改进在独立权利要求 中说明的用于微机械固体声传感器的电路以及根据本发明的用于运行微机械固体声传感 器的方法。有利的是，频率发生器在时钟方面是可编程的。编程尤其可以通过串行数字接口、 优选所谓的SPI接口实现。也可以设置其它的接口，例如具有曼彻斯特编码的双向电流接
编程能够实现在测试运行中遍历不同的频率，以便获得关于固体声传感器性能的 更准确的信息。尤其是，由此可以求得传递函数。SPI接口是串行外设接口，其中，并行地使 用多个线路，例如一个由主机到从机的线路，另一个由从机到主机返回的线路，一些用于芯 片选择(chip select)和时钟的线路。借助芯片选择可以激活应被主机响应或者应向主机 传输信息的单个芯片。此外规定了，电压发生器被如此配置，使得电压发生器在常规运行中在每个时钟 内在时钟持续时间的一部分上产生这样的电压，所述电压阻止至少一个微机械元件的运 动。在此，例如可以在微机械元件的每个电极上施加相同的电位，使得因此阻止不期望的运 动。在此，微机械元件例如具有三个连接端子，其中两个连接端子具有固定电极并且一个中 间电极是可运动的。在时钟持续时间的其他部分上设置测量运行，因为随后所需电压被施 加到传感器电极上。这些电压也可以根据分析方案在时间上变化。有利的是，如此选择用于测量运行的电压，使得在此也避免微机械元件的不期望 的偏移。必须注意的是，时间平均地在每个电极上调节出相同的电位。此外有利的是，频率发生器被构造为计数器、尤其是数字计数器。作为计数器的时 钟可以直接使用系统时钟或替换地使用被导出的时钟。如果计数器已经达到被调节的值、 即用于频率调节的位时，它被复位到零。随着每次复位，固定电极上的电压的符号被互换。 如上所述，由此产生传感器的高频激励。但是，也可设置影响计数器状态的其它可能性，例 如电压变化。在测试运行中，可通过偏移脉冲的数量或偏移方向通过计数器或符号变换实 现地调节频率。其它的调制方式也是可能的，例如脉冲长度变化和/或振幅变化。有利的是，分析电路可以根据对至少一个参数的分析在测试运行中进行固体声传 感器的校准。测试运行指的是固体声传感器的测试，而常规运行指的是固体声传感器的测 量运行。校准值随后或者被存储在传感器中或者被存储在控制设备中并且可被用于处理固 体声传感器的测量值。在此基于对参数的分析实施灵敏度校准。测试信号激励既可以低频 地进行也可以高频地进行，其中低频激励在l_2kHz以下而高频激励在l_2kHz以上。在高 频情况下测试信号导致高的频率范围内灵敏度的确定。有利的是，可以借助于不同的自测试频率在固体声范围内相对于低频的灵敏度测 试传感器的灵敏度。因此，借助传感器在低频范围中的校准(如在至今的加速度传感器中) 以及加上高频测试信号与低频测试信号的比可以实现高频灵敏度的校准，而不必在此范围 中机械地激励传感器。可能的是，借助多频率的自测试以及在此特别有利地借助高频测试信 号与低频测 试信号的比不仅可以进行校准，而且可以进行灵敏度的后续检测。因此，可以例如在每次启 动时确定传感器元件中的变化、如弹簧断裂或阻尼变化，所述阻尼变化又可以由微机械传 感器中气体组成的变化或者压力的变化引起。此外有利的是，分析电路根据至少一个参数实施固体声传感器的密封性检测。传 感器元件的密闭封装是加速度传感器的功能性的基础并且因此是固体声传感器的功能性 的基础。此外这确保在确定的内部压力下被封入的气体不可泄露。所封入的气体直接影 响传感器特性，其方式是，所述气体确定阻尼并且因此确定可运动的微机械结构的谐振频 率。此外，密闭封装对于保护敏感的微机械元件以防止环境影响、例如潮湿是重要的。密闭封装能够通过罩形晶片实现，所述罩形晶片通过封接玻璃粘贴在传感器晶片上。封接玻 璃围绕每个单独的微机械结构印制在传感器晶片上，使得每个传感器元件在分离后应是密 封的。在此，例如通过以下方式求得密封性既进行微机械元件的高频激励也进行微机械 元件的低频激励。所述低频输出信号对过程控制敏感，但对阻尼不敏感并且因此对内部压 力不敏感。由此，高频输出信号与低频输出信号的单独的比能够实现密封的传感器与不密 封的传感器的更明确的区分。所述测试可以在最终测量时以及在所有可确保确定温度的 条件下进行。原则上，所述方法也可用于场中的不同温度，并且因此用于不同的传感器应 用。所述测试例如可被完全实现在一个集成电路中，其中可以相应地激活一个错误标记 (Fehlerflag)。同样有利的是，时钟在测试运行中顺序地取不同的值，以便由此求得固体声传感 器的传递函数。因此，例如指的是频率的遍历，以便根据频率求得固体声传感器的尽可能准 确的传递函数。
在附图中示出本发明的实施例并且在以下描述中对其进行详细说明。附图示出图1 车辆中的人员保护系统的框图，图2 :固体声传感器的分析路径，图3 固体声传感器的框图，图4 固体声传感器的另一个框图，图5 根据本发明的常规运行，图6 根据本发明的测试运行，图7 固体声传感器的传递函数，图8 根据高频激励的、密封的传感器与不密封的传感器的可能分布，图9 根据高频激励与低频激励的比的相应传感器分布，图10 根据本发明的方法的流程图。
具体实施例方式图1示出人员保护系统的框图，其中，在此仅探讨并且也仅示出对本发明而言重 要的那些部分。简单起见，省略了其它对于运行人员保护系统所需的部分。在车辆FZ中设 有一个控制设备SG，所述控制设备SG用于控制人员保护装置PS、如安全气囊或安全带拉紧 器。位于控制设备SG之外的固体声传感机构KS通过接口 IF连接到控制设备SG上。在控 制设备SG内设置有固体声传感机构KS1。固体声传感机构可设置在控制设备SG内和/或 控制设备SG外。简单起见，省略了其它的事故传感器，同样省略了控制设备的其它电子部 件——如存储器、其它接口、并行硬件触发路径、能源储备等等。无论是接口 IF还是固体声 传感机构KS1都连接到微控制器PC上，所述微控制器PC在用于人员保护装置的控制算 法中处理固体声传感机构KS的信号和固体声传感机构KS1的信号。微控制器y C根据结 果控制一个控制电路FLIC，所述控制电路FLIC具有功率开关，所述功率开关的闭合意味着 人员保护装置PS的激活。
固体声传感机构KS、KSl提供关于碰撞情况的、也及早就存在的大量信息，并且能 够实现人员保护装置PS的准确并且可靠的控制。尤其是，固体声传感机构适合用于其它事 故信号的可信度测试。加速度信号、空气压力信号以及环境信号属于这样的信号。但是，固体声传感机构也可被用于其它的技术应用领域。图2示出固体声传感器KS的分析路径。微机械元件的加速度a首先通过一个截 断低频率加速度的带通BP。后面是分析声强的整流器R和低通滤波器LP。微机械元件是 信号处理链的一部分并且因此以其PT2低通特性参与总传递函数。图3示出固体声传感器KS的另一框图。微机械传感器元件SE通过信号输入端和 信号输出端与根据本发明的电路ASIC连接。传感器元件SE提供至少一个参数、例如电容， 并且由ASIC调节用于常规运行或者测试运行的电压。ASIC也可进行测量数据的数字化，这 些测量数据随后通过接口 IFl传输至控制设备SG。可以通过电流调制进行传输，其中，例 如使用电力线数据传输。校准数据也可以在固体声传感器KS处被存储在一个存储器中，其 中，所述存储器可以是电路ASIC的一部分或者可以是一个外部存储器。
图4在另一框图中在ASIC和传感器元件方面示出固体声传感器的结构。在此仅仅 示出了 ASIC对本发明而言重要的那些部分，所述ASIC可具有其他的电路部分。替代ASIC， 例如也可以使用一个具有相应接口的微处理器。其他处理器类型也是可行的，分立的结构 也是可行的。在此，微机械元件405通过固定的外电极Cl和C2以及中间电极CM表示。中间电 极CM可相对于外电极(Cl和C2)运动，使得中间电极与各外电极之间的电容在此发生变 化。中间电极CM的运动可由于所施加的减速、声信号或者所施加的电压产生。对于测量运 行，也可设置相应的偏置电压。电压UCl、UCM和UC2由电压发生器404提供。电压发生器 以预给定的时钟提供幅度可调节的电压并且因此以电压UC1、UCM、UC2加载单个电极C1、CM 和C2。时钟或者由时钟发生器403提供或者由频率发生器401提供。时钟发生器403例如 由系统时钟402导出所述时钟，或者它具有自己的振荡器电路，以产生所述时钟。频率发生器401同样使用系统时钟402，但是通过例如被构造为SPI接口的接口 400由一个数据命令控制应向电压发生器404传输频率发生器401的哪个频率和哪个时 钟。根据本发明，频率发生器401所提供的时钟是时钟发生器403所提供的时钟的因 数或倍数。在常规运行中使用时钟发生器403的时钟并且在测试运行中使用频率发生器 401的时钟的逻辑单元决定采用哪个时钟。所述逻辑电路例如置于电压发生器404中。在校准时，由测试机发出SPI命令，之后所述SPI命令从所包含的微控制器μ C到 达准备好的控制设备中。也可以考虑ASIC在没有外部SPI命令的情况下执行不同的测试 并且也进行分析，例如以便实现扩展的自测试。但是必须定义准确的运行过程并且将所述 运行过程固定地编码在硬件中。电压发生器404现在将电压UC1、UCM和UC2应用在微机械元件405上并且由此改 变电容Cl和C2。所述电容由分析电路406以源自时钟发生器403的采样率接收并且最终 分析。分析也可以仅仅是提供参数。可能的是，接收多于一个参数。图5在一个信号时间图中示出根据本发明的电路所能够实现的常规运行。示出了 电压UC1、UCM和UC2。灰色的部分50表示固体声信号的测量，而在区段51中应用所谓的非测试电压UNT并且由此阻止中间电极CN相对外电极C1和C2的运动。这发生在所有的 电压UC1、UCM和UC2的情况中。为了能够利用测试运行作为灵敏度校准，必须确保系统在测试运行中的表现与在 常规运行中的表现尽可能相同。出于所述原因，如此改变在常规运行中的时钟方案，从而能 够实现在不改变采样率的情况下进行测试运行。为此目的，使用每个时钟周期的一部分、例 如50 %，以便将非测试电压施加到所有电极上。为了高效的实现，对于非测试电压选择在系 统中已存在的电压、例如分析电路的参考电位，在很多系统中选择供电电压的一半。因为所 有电极具有相同的电位，则传感器元件不偏移。图6现在示出测试运行，其中再次示出电压UC1、UCM和UC2。在区段60中再次进 行常规测量，而在区段61和62中将相应的测试电压应用到电极上。通过UC1和UC2上的 电压的交换可以重新实现另一方向上的偏移。如上所示，为了实现高频测试信号，电路扩展了一个频率发生器。对于确定频率的 灵敏度校准而言，具有一个用于唯一频率、例如10kHz的频率发生器便足够了。为了也可以 测试传感器的传递函数，频率发生器被可编程地设计。编程通过ASIC的数字接口、在本发 明中通过SPI接口进行。所述设置允许产生作为采样频率的因数的任意测试频率。例如在采样率为 125kHz的情况下，所有的频率可以通过125kHz除以2*N表示。在此，N是整数，其中N = > 1。图7示出传递函数71，其中，与带通相组合地示出50种情况的曲线形状。这些传感 器在统计学意义上被校准到相同的灵敏度。由通带区域72中的偏差——被标记为70—— 可以看出，在低频时的校准不足以在传感器的通带区域中使传递函数的偏差最小化。其原 因是机械系统的阻尼，所述阻尼对静态的灵敏度没有影响，但是对带通区域中的灵敏度有 很大影响。现在，所建议的灵敏度校准从以下出发高频时的灵敏度相对于低频或静态的灵 敏度的关系与高频测试信号相对于低频或静态的测试信号、也就是低频测试信号具有相同 的比例关系。这通过一些试验证实。如果将测试信号施加到传感器元件上，则传感器元件的振动质量由于静电力被偏 移。如已经说明的那样，随后发生电容变化，所述电容变化被ASIC转变成一个几乎成比例 的输出信号。周期的测试信号相应地引起周期的输出信号，所述输出信号可以在ASIC中被 进一步分析。为此，作为信号路径所述分析电子装置必须提供包含被激励的频率的高通或 带通、有效值形成单元和低通。随后，在信号路径的末端处产生可被简单分析的直流电压信 号U_HF。相应于输入信号的频率和包括ASIC的加速度传感器的传递函数，U_HF的大小与 频率相关地变化。这在图7中示出。如所提及的那样，可借助多频率的自测试在一些确定 的支撑点(Stiltzstelle)(采样频率的因数)处验证传递函数，这既可被用于这些频率中的 灵敏度校准也可被用于灵敏度的后续检验。尤其是在传感器元件的谐振频率附近，阻尼起很大作用。如果例如想要检验阻尼 是否已发生变化，则选择传感器谐振频率附近的测试频率是特别有利的。但是，高频测试信 号并不仅仅由阻尼确定，而是也由工艺偏差(Prozessstreuung)确定，这使得(例如由不同 的气体组成引起的)不同阻尼特性的明确区分变得困难。这在图8中示出。曲线90是不同的传感器根据电压U_HF的分布。如果传感器93是不密封的，则传感器91是密封的。边 界位于92，其中，在此存在一个重叠区域。为了实现阻尼的更好判断，建议附加地引出低频激励的输出电压。低频测试信号 的分析可通过传统的低通通道、例如400Hz来进行，所述低通通道目前包含在所有的加速 度传感器中。所述低频输出信号对过程控制敏感，但对阻尼不敏感。因此，高频输出信号 相对低频输出信号U_HF/U_LF的单独的比能够实现例如由已变化的气体组成引起的不同 阻尼特性的更明确的区分。这在图9中示出。曲线100再次示出具有气体组成1 101和2 103的传感器的分布。区分102是明确的并且没有重叠。
图10示出根据本发明方法的流程图。在方法步骤200中检查存在测试运行还是 常规运行。如果存在测试运行，则跳转到方法步骤204，其中从现在起频率发生器的时钟例 如通过编程被提供给电压发生器。采样率在方法步骤205中由时钟发生器提供，如在常规 运行中那样。在方法步骤206中借助电极上的电压进行微机械元件的加载。随后，在方法 步骤203中进行参数的分析，微结构的变化借助所述参数表现。如果在方法步骤200中已经确定不存在测试运行，而是存在常规运行，则随后时 钟和采样率由时钟发生器在方法步骤201中提供。在方法步骤202中借助测量电压或者具 有非测试电压的时钟的一部分进行微机械元件的加载，以便阻止中间电极相对固定的外电 极的运动。在方法步骤203中分析测量值。随后在方法步骤207中对于测试运行进行校准 或检查并且在常规运行中进行测量，随后例如在用于人员保护装置的触发算法中分析所述 测量。
权利要求
用于一微机械固体声传感器(KS)的电路(ASIC)，具有一电压发生器(404)，所述电压发生器以电压(UC1，UC2，UCM)按照时钟加载至少一个用于检测固体声的微机械元件(405)，使得出现所述微机械元件(405)的变化，一分析电路(406)，所述分析电路以一采样率接收以及分析所述微机械元件(405)的至少一个可被电地检测的参数，其中，所述至少一个参数(C1，C2)由于所述变化而发生改变，一时钟发生器(403)，所述时钟发生器被设置用于产生所述采样率以及用于产生所述时钟，一频率发生器(401)，所述频率发生器至少有时提供用于一测试运行的时钟，其中，所述频率发生器(401)产生作为所述采样率的倍数或者作为所述采样率的因数的时钟。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述频率发生器(401)在所述时钟方面是 可编程的。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，设有一数字接口(400)、优选一SPI接口， 用于所述编程。
4.根据以上权利要求中任一项所述的电路，其特征在于，所述电压发生器(404)被如 此配置，使得所述电压发生器(404)在常规运行中在每个时钟节拍内在时钟节拍持续时间 的一部分上产生这样一些电压，这些电压阻止所述至少一个微机械元件(405)的运动。
5.根据以上权利要求中任一项所述的电路，其特征在于，所述频率发生器(401)被构 造为计数器。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，根据所述计数器的状态影响所述电压 (UCl，UC2, UCN)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的电路，其特征在于，所述分析电路在所述测试运 行中根据所述至少一个参数(C1，C2)实施所述固体声传感器(KS)的校准。
8.根据以上权利要求中任一项所述的电路，其特征在于，所述分析电路(406)在所述 测试运行中根据所述至少一个参数(C1，C2)实施所述固体声传感器的灵敏度检测和/或气 体组成检测。
9.用于运行一微机械固体声传感器的方法，所述方法具有以下方法步骤以电压(UC1，UC2, UCM)按照时钟加载至少一个用于检测固体声的微机械元件(405)， 使得出现所述微机械元件(405)的变化，以一采样率接收和分析所述微机械元件(405)的至少一个可被电地接收的参数，其 中，所述至少一个参数(C1，C2)由于所述变化而发生改变，通过一时钟发生器(403)产生所述采样率和所述时钟，至少有时通过一频率发生器(401)产生用于一测试运行的时钟，其中，作为所述采样 率的倍数或者作为所述采样率的因数产生所述时钟。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述时钟在所述测试运行中顺序地取不 同的值，以便求得所述固体声传感器的传递函数。
全文摘要
本发明建议了一种用于微机械固体声传感器的电路以及一种用于运行所述传感器的方法，其中，借助一个电压发生器将电压施加到至少一个用于检测固体声的微机械元件上，使得出现微机械元件的变化。此外，设有一个分析电路，所述分析电路以一个采样率接收和分析微机械元件的至少一个可被电地检测的参数。所述至少一个参数由于所述变化而改变。还设有一个时钟发生器，所述时钟发生器被设置用于产生采样率以及用于产生时钟。一个频率发生器用于产生至少有时用于测试运行的时钟，其中，所述频率发生器产生作为扫描率的倍数或作为扫描率的因数的时钟。
文档编号G01H11/06GK101878413SQ200880118174
公开日2010年11月3日 申请日期2008年9月30日 优先权日2007年11月28日
发明者A·温斯, F·本尼尼, H·沃尔夫迈尔, T·迈尔 申请人:罗伯特·博世有限公司