DE102006055844B4

DE102006055844B4 - Kapazitiver Sensor für eine physikalische Grösse, sowie Verfahren zu dessen Diagnose

Info

Publication number: DE102006055844B4
Application number: DE102006055844A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Kariya Goto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: KR100928909B1; US7432724B2; JP2007178420A; CN1975344B; CN1975344A; KR20070056966A; US20070126432A1; DE102006055844A1

Abstract

Ein kapazitiver Sensor zur Erkennung einer physikalischen Größe, aufweisend:
eine bewegliche Elektrode (1a, 1b) und eine feste Elektrode (2a, 2b);
eine Steuereinheit (22, 24) zum Anlegen eines Signals zwischen die bewegliche Elektrode (1a, 1b) und die feste Elektrode (2a, 2b), wobei die Steuereinheit (22, 24) aufweist:
einen Eingangsanschluss, welchem ein Anweisungssignal zum Anweisen einer Selbstdiagnose eingegeben wird,
einen Ausgangsanschluss, der ein Anzeigesignal zur Anzeige eines Zustands der Selbstdiagnose ausgibt, und
Zeitmessmittel zum Messen einer Zeitdauer, während der das Anweisungssignal dem Eingangsanschluss eingegeben wird, wobei
die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose durchführt, nachdem das Anweisungssignal eine bestimmte Zeitdauer lang anhält;
einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss als den Ausgangsanschluss aufweist; wobei
der kapazitive Sensor für die physikalische Größe eine erste Empfindlichkeit und eine zweite Empfindlichkeit für eine einzelne Richtung hat;
der erste...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe zur Erkennung einer physikalischen Größe und ein Verfahren zur Diagnose oder Überprüfung hiervon. Beispielsweise kann der Sensor als ein Beschleunigungssensor verwendet werden, wobei sich eine zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode gebildete Kapazität ändert, wenn eine physikalische Größe (Beschleunigung) angelegt wird.
Die Druckschrift US 2003/0070484 A1 beschreibt einen kapazitiven Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe entlang mehrerer Achsen, wobei ein Steuersignalgenerator ein erstes Signal an eine bewegliche Elektrode und eine feste Elektrode überträgt, um eine Änderung einer Kapazität, die zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode während eines normalen Erfassungszeitintervalls für eine physikalische Größe ausgebildet wird, zu erfassen. Außerdem überträgt der Steuersignalgenerator ein zweites Signal an die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode anstelle des ersten Signals, um die bewegliche Elektrode zu bewegen, um eine Fehlfunktion jeweiliger Erfassungsabschnitte während eines Selbstdiagnosezeitintervalls zu diagnostizieren. Der Steuersignalgenerator überträgt das zweite Signal an die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode eines jeweiligen Erfassungsabschnittes während unterschiedlicher Zeitintervalle.
Die Druckschrift US 6,257,061 B1 beschreibt eine kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe, die eine bewegliche Elektrode enthält, die als Reaktion auf eine physikalische Größe verschoben wird. Eine feste Elektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegt, bildet einen Kondensator zusammen mit der beweglichen Elektrode. Eine Signalanwendungsvorrichtung wird zum Anlegen eines ersten Signals zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode betrieben. Das erste Signal ist periodisch und weist mindestens eine erste Zeitdauer zum Erfassen einer Kapazitätsänderung und eine zweite Zeitdauer zum Verschieben der beweglichen Elektrode, um eine Selbstdiagnose durchzuführen, auf. Eine Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung erzeugt eine Spannung, die von einer Änderung der Kapazität des Kondensators während der ersten Zeitdauer abhängt. Eine Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet die Spannung, die von der Ladungs-Spannungs-Wandlungsschaltung erzeugt wird, in ein zweites Signal in Abhängigkeit von der physikalischen Größe. Eine Änderungsvorrichtung ändert das erste Signal in der zweiten Zeitdauer zwischen einem Zustand zum Ausführen einer Selbstdiagnose und einem Zustand zur Nichtausführung der Selbstdiagnose. Das erste Signal legt in dem Zustand der Ausführung der Selbstdiagnose eine physikalische Pseudo-Größe an die bewegliche Elektrode an.
Die Druckschrift US 5,977,803 beschreibt eine Schnittstellenschaltung für einen kapazitiven Sensor, die mit einem kapazitiven Sensor verbunden ist, der zwei Sätze von Kondensatoren C1 und C2 aufweist, deren Kapazitäten geändert werden, und wobei die Schnittstellenschaltung mit einem Operationsverstärker versehen ist, bei dem ein Rückführungs-/Abtastkondensator zwischen dessen Ausgangsanschluss und dessen invertierenden Eingangsanschluss geschaltet ist. Weiterhin enthält die Schnittstellenschaltung einen Haltekondensator, der zwischen einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und eine Bezugsspannungsquelle geschaltet ist; wobei ein Ende der jeweiligen Kondensatoren mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden ist; zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eines Schaltzyklus die anderen Enden der jeweiligen Kondensatoren des kapazitiven Sensors mit einer Energiequelle verbunden sind und der Kondensator der Schnittstellenschaltung kurzgeschlossen ist; zu einem anderen Zeitpunkt die anderen Enden der Kondensatoren des kapazitiven Sensors und ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden sind; und wobei die Schnittstellenschaltung weiterhin enthält: einen Multiplexer zum aufeinanderfolgenden Verbinden mehrerer kapazitiver Sensoren mit der Schnittstellenschaltung in einem zweiten Schaltzyklus, dessen Zeitdauer länger als die Zeitdauern der obigen Schaltzyklen ist; und mehrere Abtast-/Halteschaltungen, die aufeinanderfolgend mit der Schnittstellenschaltung als Antwort auf die Verbindung der kapazitiven Sensoren in dem zweiten Schaltzyklus verbunden werden.
Die Druckschrift US 5,751,154 beschreibt eine Schnittstellenschaltung für einen kapazitiven Sensor, die mit einem kapazitiven Sensor verbunden ist, der zwei Kondensatoren aufweist, deren Wert änderbar ist. Die Schnittstellenschaltung enthält einen Operationsverstärker mit einem Ausgangsanschluss und einem invertierenden Eingangsanschluss, zwischen denen ein Rückführungs-/Abtastkondensator geschaltet ist, und einen Haltekondensator, der zwischen den Operationsverstärker und einer Bezugsspannungsquelle geschaltet ist. Die einen Enden der Kondensatoren sind mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden. Die anderen Enden der Kondensatoren des kapazitiven Sensors sind mit einer Energiequelle verbunden, und der Kondensator der Schnittstellenschaltung wird gleichzeitig in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zeitpunkt kurzgeschlossen, und die anderen Enden der Kondensatoren des kapazitiven Sensors und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers werden jeweils mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem vorbestimmten Zeitpunkt verbunden.
Die Druckschrift US 5,612,494 beschreibt einen kapazitiven Beschleunigungssensor. Der Sensor verwendet eine Impulsamplitudenmodulationsschaltung zum Durchfüh ren einer Pulsamplitudenmodulation proportional zur Beschleunigung. Der Sensor weist einen Kapazitätserfassungsabschnitt auf, der eine bewegliche Elektrode und zwei feste Elektroden, die an gegenüberliegenden Seiten der beweglichen Elektrode angeordnet sind, aufweist. Die bewegliche Elektrode wird als Reaktion auf die Beschleunigung verschoben. Ein Komparator ist aus einem Operationsverstärker ausgebildet, und es wird ein Servomechanismus ausgebildet. Die elektrisch erhaltene offene Verstärkung dieses Operationsverstärkers wird auf ausreichend größer als die mechanisch erhaltene Verstärkung des Kapazitätserfassungsabschnitts eingestellt. Eine Messungsmodusperiode und eine Zwangsgleichgewichtsmodusperiode werden abwechselnd wiederholt. Während der Messungsmodusperiode wird die bewegliche Elektrode durch den Servomechanismus nicht eingeschränkt, und eine Spannung, die der Beschleunigung entspricht, wird an einen Abtast-Halte-Verstärker angelegt. Während der Zwangsausgleichsmodusperiode wird die bewegliche Elektrode durch den Servomechanismus entsprechend dem Ausgang von dem Abtast-Halte-Verstärker, der der Beschleunigung entspricht, beschränkt, und die bewegliche Elektrode wird mit der Masse kurzgeschlossen.
Die Druckschrift US 5,583,290 beschreibt eine mikromechanische Erfassungsvorrichtung, die einen mikromechanischen Sensor, der ein stationäres Element und ein bewegliches Element aufweist, die elektrisch leitend sind, und eine Erfassungsschaltung, die auf der Grundlage des Ausgangs des mikromechanischen Sensors einen Ausgang erzeugt, der eine erfasste Größe angibt, aufweist. Die Erfassungsvorrichtung enthält außerdem eine Betätigungsschaltung zum Anlegen eines Betätigungssignals an den mikromechanischen Sensor wie zum Beispiel ein Testsignal zum elektrostatischen Ablenken des beweglichen Elementes in Bezug auf das stationäre Element. Die Betätigungsschaltung enthält eine Schaltung zum Begrenzen der Bandbreite des Betätigungssignals, so dass die Ablenkung des beweglichen Elementes die Grenze einer maximalen Ablenkung nicht überschreitet.
Die Druckschrift US 5,465,604 beschreibt einen Beschleunigungsmesser, der einen Mikrobeschleunigungssensor und eine monolithisch hergestellte Signalkonditionierungsschaltung aufweist. Der Sensor weist eine Differenzkondensatoranordnung, die durch zwei Kondensatoren ausgebildet wird, auf. Jeder Kondensator weist zwei Elektroden auf, von denen eine den beiden Kondensatoren gemeinsam ist. Eine der Elektroden (beispielsweise die gemeinsame Elektrode) ist beweglich, und eine der Elektroden ist stationär. Die Elektroden sind sämtlich aus Polysiliziumelementen, die oberhalb eines Lithiumsubstrats aufgehängt sind, ausgebildet. Jeder der Kondensatoren ist aus mehreren Paaren von Elektrodensegmenten ausgebildet, die parallel geschaltet und in dem Fall der beweglichen Elektroden mechanisch verbunden sind, um sich gemeinsam zu bewegen. Wenn das Substrat beschleunigt wird, bewegen sich die beweglichen Elektroden derart, dass die Kapazität eines der Kondensatoren sich erhöht, während diejenige des anderen Kondensators sich verringert.
Die Druckschrift US 6,601,431 B2 beschreibt einen Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion. Der Beschleunigungssensor enthält eine Verstärkerschaltung, die ein Erfassungssignal verstärkt, das durch Umwandeln von Änderungen der Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer Selbstdiagnoseelektrode in ein elektrisches Signal erhalten wird, um das verstärkte Signal als ein Selbstdiagnosesignal auszugeben. Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung während des Selbstdiagnosebetriebes wird auf größer als der Faktor während eines Nicht-Selbstdiagnosebetriebs gesteuert.
Die US-PS 6,483,322 (entsprechend der JP-A-2002-40047 ) beschreibt einen Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion als Beispiel eines kapazitiven Sensors zur Erkennung einer physikalischen Größe (dynamischen Größe). Wenn der Sensor im Selbstdiagnosemodus ist, wird im Sensor eine Spannung zwischen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode angelegt. Hierbei wird die bewegliche Elektrode zwangsmäßig verschoben und veranlasst, zu oszillieren. Der Sensor führt eine Selbstdiagnose hinsichtlich einer Anormalität durch, in dem ein Ausgang eines Beschleunigungssignals entsprechend dieser Oszillation erkannt wird.
Insbesondere enthält der Sensor einen Steuerschaltkreis, der eine Spannung zum Betreiben der beweglichen Elektrode liefert, um eine Beschleunigung zu erkennen und um die Selbstdiagnose durchzuführen. Der Steuerschaltkreis enthält einen Eingangsanschluss und einen Statusanschluss (STAT) entsprechend einem Ausgangsanschluss. Ein Signal für eine persönliche Identifikationsnummer (PIN) zur Anweisung der Selbstdiagnose wird im Eingangsanschluss eingegeben und der STAT-Anschluss gibt ein Identifikationssignal (ID) aus, um anzuzeigen, welcher Beschleunigungssensor die Selbstdiagnose durchführt.
Wenn das PIN-Signal dem Eingangsanschluss eingegeben wird, wird die Selbstdiagnose durchgeführt, in dem die Spannung zwischen die bewegliche Elektrode und die feste Elektrode angelegt wird. 11 ist ein Zeitdiagramm, welches einen Selbstdiagnosevorgang bei einem bekannten Beschleunigungssensor zeigt. Wenn, wie in 11 gezeigt, das PIN-Signal auf einen logisch hohen Pegel (Hi) gesetzt wird, beginnt ein Selbstdiagnosemodus und ein Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensor wird auf Hi gesetzt. Gleichzeitig wird der STAT-Anschluss auf Hi gesetzt und die Selbstdiagnose beginnt. Danach wird, nachdem das PIN-Signal auf einen niedrigen Pegel (Lo) gesetzt worden ist, das ID-Signal vom STAT-Anschluss ausgegeben, um anzuzeigen, welcher Beschleunigungssensor die Selbstdiagnose durchführt.
Wenn jedoch das PIN-Signal durch externes Störrauschen, beispielsweise elektromagnetisches Rauschen, auf Hi gesetzt wird, wird das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors auf Hi gesetzt, wobei der Beschleunigungssensor nicht im Selbstdiagnosemodus ist. Dieses Signal kann eine angelegte Beschleunigung anzeigen und eine Vorrichtung, die basierend auf dem Beschleunigungssensor arbeitet, kann eine Fehlfunktion durchführen.
Angesichts dieses Problems und auch weiterer Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Sensor für eine physikalische Größe mit einer Selbstdiagnosefunktion zu schaffen, wo eine Fehlfunktion aufgrund von externen Störungen (Störrauschen oder dergleichen) beseitigt oder zumindest verringert ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst.
Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Zustandsänderungsdiagramm für den Beschleunigungssensor von 1;
3A ein Zeitdiagramm des Betriebs des Beschleunigungssensors im Selbstdiagnosemodus und 3B ein Zeitdiagramm des Betriebs des Beschleunigungssensors, wenn ein PIN-Signal aufgrund von externem Rauschen in einem Nicht-Selbstdiagnosemodus kurzfristig auf Hi gesetzt wird;
4 ein Zustandsänderungsdiagramm für einen kapazitiven Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A ein Zeitdiagramm des Betriebs des Beschleunigungssensors im Selbstdiagnosemodus und 5B ein Zeitdiagramm des Betriebs des Beschleunigungssensors, wenn ein PIN-Signal aufgrund von externem Rauschen in einem Nicht-Selbstdiagnosemodus kurzfristig auf Hi gesetzt wird;
6 ein Blockdiagramm eines gepackten IC für einen Beschleunigungssensor gemäß einer dritten Ausführungsform;
7A eine Seitenansicht auf eine Anordnungsstruktur des Beschleunigungssensors und 7B eine Draufsicht auf den gepackten IC entlang Linie VIIB-VIIB in 7A;
8 eine schematische Darstellung von Eingangs/Ausgangssignalen des gepackten IC und einer ECU,
9 ein Flussdiagramm für einen Selbstdiagnoseprozess;
10 ein Zeitdiagramm für den Selbstdiagnoseprozess; und
11 ein Zeitdiagramm des Betriebs einer Selbstdiagnose bei einem herkömmlichen Beschleunigungssensor.
Wie in 1 gezeigt, weist ein Beschleunigungssensor ein Sensorelement 10 und einen Erkennungsschaltkreis 20 auf. Das Sensorelement 10 enthält bewegliche Elektroden 1a und 1b und feste Elektroden 2a und 2b. Der Erkennungsschaltkreis 20 erkennt eine Beschleunigung basierend auf einer Änderung einer Differenz einer Kapazität, gebildet zwischen den beweglichen Elektroden 1a, 1b und den festen Elektroden 2a, 2b.
Das Sensorelement 10 enthält eine Auslegerstruktur und die beweglichen Elektroden 1a, 1b und die festen Elektroden 2a, 2b sind in der Auslegerstruktur aufgebaut. Die Kapazitätsdifferenz wird von den beweglichen Elektroden 1a und 1b und den festen Elektroden 2a und 2b gebildet, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind. An jede der festen Elektroden 2a und 2b wird periodisch eine Spannung angelegt und die an die festen Elektroden 2a und 2b angelegten Spannungen sind zueinander umgekehrt. Somit wird eine Beschleunigung basierend auf einer Änderung der Kapazitätsdifferenz erkannt und diese Änderung entspricht einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b.
Der Erkennungsschaltkreis 20 enthält einen Kapazitäts/Spannungs-Wandlerschaltkreis 21 (C/V), einen Schaltschaltkreis 22, einen Signalverarbeitungsschaltkreis 23 und einen Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24.
Der C/V-Wandlerschaltkreis 21 wandelt eine Änderung der Kapazitätsdifferenz in eine Spannung und gibt diese an einen Operationsverstärker 21a, einen Kondensator 21b und einen Schalter 21c. Ein invertierender Eingangsanschluss des Verstärkers 21a ist mit den beweglichen Elektroden 1a, 1b verbunden und der Kondensator 21b und der Schalter 21c sind parallel zum Verstärker 21a zwischen den invertierenden Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss geschaltet. Der Schalter 21c wird durch ein Signal S1 vom Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 betrieben. Ein nicht invertierender Eingangsanschluss des Verstärkers 21a wird entweder mit der halben Spannung Vcc/2 einer an den festen Elektroden 2a und 2b anliegenden Spannung Vcc als Mittenspannung Vcc/2 oder einer Spannung unterschiedlich von der Mittenspannung als Offset-Spannung über den Schalter 22 versorgt. Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt die Mittenspannung bei 2,5 V und die Offsetspannung bei 4 V.
Der Schaltschaltkreis 22 gibt eine Spannung an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 21a von einer (nicht gezeigten) Spannungsquelle und enthält einen ersten Schalter 22a und einen zweiten Schalter 22b. Die ersten und zweiten Schalter 22a und 22b werden von einem Signal St vom Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 betrieben. Wenn einer der Schalter 22a oder 22b geschlossen ist, ist der andere Schalter offen.
Der Signalverarbeitungsschaltkreis 23 enthält einen Abtast- und Halteschaltkreis 23a (S/H) und einen Filterschaltkreis 23b mit geschalteten Kondensatoren (SCF). Der S/H-Schaltkreis 23a wird durch ein Signal S2 vom Schaltkreis 24 betrieben. Der S/H-Schaltkreis 23a greift einen Ausgang vom C/V-Wandlerschaltkreis 21 ab und speichert diesen Ausgang über eine bestimmte Zeitdauer hinweg zwischen. Der SCF-Schaltkreis 23b wird von einem Taktsignal F1 vom Schaltkreis 24 betrieben. Der SCF-Schaltkreis 23b wählt ein Signal in einer vorbestimmten Frequenzbandkomponente aus den Ausgängen vom S/H-Schaltkreis 23a und gibt das Signal als Beschleunigungssignal aus.
Der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 gibt Signale PW1 und PW2 aus, welche ein Zeitverhalten oder Zeitpunkte zum Anlegen einer Spannung an die festen Elektroden 2a, 2b anweisen, sowie das Signal St, welches ein Zeitverhalten oder einen Zeitpunkt zum Schalten des Schaltschaltkreises 22 anweist, das Signal S1, welches ein Zeitverhalten oder Zeitpunkte zum Schalten des Schalters 21c anweist, das Signal S2 für den S/H-Schaltkreis 23a und das Signal F1 für den SCF-Schaltkreis 23b.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des so aufgebauten Beschleunigungssensors beschrieben.
Zunächst wird ein normaler Beschleunigungsmessvorgang beschrieben. Im normalen Betrieb ist der Schalter 22a geschlossen und der Schalter 22b ist durch das Signal Sb vom Schaltkreis 24 offen. Jedes der Ausgangssignale PW1 und PW2 vom Schaltkreis 24 hat eine bestimmte Amplitude einer Spannung Vcc (5V) und die Pegel der Spannungen Vcc der Ausgangssignale PW1 und PW2 sind zueinander umgekehrt. Die Signale PW1 und PW2 sind Rechteckformen mit der bestimmten Amplitude und ändern sich zwischen einem hohen Pegel (Hi) und einem niedrigen Pegel (Lo) in vier Perioden T1 bis T4 in jedem Erkennungszyklus.
In der ersten Periode T1 setzen die Signale PW1 und PW2 ein elektrisches Potential der festen Elektrode 2a auf Vcc und ein elektrisches Potential der festen Elektrode 2b auf 0 V. Weiterhin wird der Schalter 21c durch das Signal S1 vom Schalkreis 24 geschlossen. Somit haben die beweglichen Elektroden 1a und 1b eine Vorspannung Vcc/2 durch einen Betrieb des Verstärkers 21a und eine elektrische Ladung im Kondensator 21b wird entladen, der eine Rückkopplungskapazität darstellt. Wenn eine Kapazität C1 zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a größer als eine Kapazität C2 zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b ist (C1 > C2), halten die beweglichen Elektroden 1a und 1b einen großen Betrag an negativen Ladungen aufgrund dieser Beziehung und der Spannungen an den festen Elektroden 2a und 2b.
In der zweiten Periode T2 setzen die Signale PW1 und PW2 das elektrische Potential an der festen Elektrode 2a auf Vcc und das elektrische Potential der festen Elektrode 2b auf 0 V. Weiterhin wird der Schalter 21c durch das Signal S1 geöffnet. Damit wird der Kondensator 21b mit Elektrizität entsprechend einem Zustand der beweglichen Elektroden 1a und 1b geladen. Sodann gibt der C/V-Wandlerschaltkreis 21 ein Spannungssignal entsprechend der Ladung im Kondensator 21b aus und der S/H-Schaltkreis 23a tastet und hält das Spannungssignal in Antwort auf das Signal S2.
In der dritten Periode T3 setzen die Signale PW1 und PW2 das elektrische Potential der festen Elektrode 2a auf 0 V und das elektrische Potential der festen Elektrode 2b auf Vcc. Das heißt, die elektrischen Potentiale werden ausgetauscht. Weiterhin wird der Schalter 21c durch das Signal S1 offengehalten. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Zustand der elektrischen Ladung in den beweglichen Elektroden 1a und 1b umgekehrt zu demjenigen in der zweiten Periode T2, da die Signale PW1 und PW2 umgekehrt sind. Das heißt, wenn die Kapazität C1 größer als die Kapazität C2 ist (C1 > C2), halten die beweglichen Elektroden 1a und 1b jede Menge an positiven Ladungen aufgrund einer Umkehrung der an den festen Elektroden 2a und 2b anliegenden Spannungen.
Jedoch werden zu dieser Zeit, da ein Schaltkreis zwischen der beweglichen Elektrode 1a, 1b und dem Kondensator 21b geschlossen ist, die in der ersten Periode T1 entladenen elektrischen Ladungen im Schaltkreis gespeichert. Damit wird ein Teil der elektrischen Ladungen aus Balancegründen übertragen und im Kondensator 21b gespeichert. Sodann gibt der C/V-Wandler 21 ein Spannungssignal aus, welches proportional zu der übertragenen Ladung und umgekehrt proportional zu einer Kapazität C des Kondensators 21b ist basierend auf der Beziehung Q = CV.
In der vierten Periode T4 setzen die Signale PW1 und PW2 das elektrische Potential der festen Elektrode 2a auf 0 V und das elektrische Potential der festen Elektrode 2b auf Vcc. Nachdem das Spannungssignal vom V/C-Wandlerschaltkreis 21 ausreichend stabil geworden ist, tastet der S/H-Schaltkreis 23a das Spannungssignal vom C/V-Wandlerschaltkreis 20 in Antwort auf das Signal S2 ab und speichert es zwischen.
Der S/H-Schaltkreis 23a führt eine Differenzialberechnung zwischen dem Spannungssignal, das in der zweiten Periode T2 abgetastet wurde und dem Spannungssignal durch, das in der vierten Periode T4 abgetastet wurde und gibt das Rechenergebnis aus. Basierend auf dem Ergebnis kann eine Beschleunigung entsprechend einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 2b erkannt werden.
Nachfolgend werden die Abläufe in einem Selbstdiagnosemodus und für den Fall beschrieben, bei dem ein Personenidentifikationsnummersignal (PIN) durch externes Rauschen in einem Nicht-Selbstdiagnosemodus auf Hi gesetzt wurde. Im Selbstdiagnosemodus wird ein PIN-Signal, welches eine Selbstdiagnose anweist, im Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 auf Hi gesetzt. Jedoch kann dieses PIN-Signal auch durch externes Störrauschen auf Hi gesetzt werden. Wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, bestimmt der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24, ob dies durch die Anweisung für eine Selbstdiagnose oder durch externes Rauschen erfolgt ist, was basierend auf Taktsignalen CLK einer festen Frequenz erfolgt, die durch einen Takt im Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 erzeugt werden.
Zunächst wird eine Zeit, während der das PIN-Signal auf Hi gehalten ist, durch Zählen der Taktsignale CLK gemessen. Wenn das PIN-Signal eine bestimmte Taktanzahl (Zeit) lang auf Hi gehalten ist, wird das Signal St von einem normalen Beschleunigungsmessmodus in den Selbstdiagnosemodus synchron mit einer steigenden oder fallenden Flanke des Taktsignals geändert. Wenn sich innerhalb der be stimmten Taktzahl das PIN-Signal auf Lo ändert, wird das Signal St nicht geändert, so dass der normale Beschleunigungsmessmodus beibehalten wird.
Die bestimmte Taktanzahl gibt eine Taktanzahl entsprechend einer Zeit wieder, die länger als eine angenommene Zeit ist, während der ein externes Störrauschen anhalten kann. Das heißt, wenn die Zeit, während der das PIN-Signal auf Hi gehalten ist, die bestimmte Taktanzahl übersteigt, wird angenommen, dass das PIN-Signal aufgrund einer Selbstdiagnose und nicht durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist. Im Gegensatz hierzu, wenn die Zeit, während der das PIN-Signal auf Hi gehalten ist, kürzer als die bestimmte Taktanzahl ist, wird angenommen, dass das PIN-Signal durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist.
Wenn daher das PIN-Signal für die bestimmte Taktanzahl lang auf Hi gehalten wird, wird nicht angenommen, dass das PIN-Signal durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist und das Signal St ändert sich vom normalen Beschleunigungsmessmodus in den Selbstdiagnosemodus. Wenn das PIN-Signal nicht für die bestimmte Taktanzahl lang auf Hi gehalten wird, wird angenommen, dass das Pin-Signal durch externes Störrauschen auf Hi gesetzt worden ist und der normale Beschleunigungsmessmodus wird fortgeführt.
Wenn dann der Selbstdiagnosemodus beginnt, wird der Schalter 22a geöffnet und der Schalter 22b wird in Antwort auf das Signal St geschlossen. Sodann wird die Offset-Spannung (4 V) an den Operationsverstärker 21a angelegt. Gleichzeitig wird eine Potentialdifferenz zwischen den festen Elektroden 2a und 2b in Antwort auf die Signale PW1 und PW2 gebildet. Beispielsweise ist eine Potentialdifferenz (4 V) zwischen der beweglichen Elektrode 1b und der festen Elektrode 2b größer als eine Potentialdifferenz (1 V) zwischen der beweglichen Elektrode 1a und der festen Elektrode 2a und eine elektrostatische Kraft wird erhöht. Somit werden die beweglichen Elektroden 1a und 1b zwangsweise durch die angewachsene elektrostatische Kraft aus einem Mittelpunkt heraus verschoben.
Nachfolgend schließt der Steuerschaltkreis 22 den Schalter 22a und öffnet den Schalter 22b in Antwort auf das Signal St. Sodann wird die Mittelspannung der festen Elektroden 2a und 2b an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a ähnlich wie im normalen Beschleunigungsmessmodus angelegt. Sodann werden Abläufe ähnlich zu den obigen Abläufen beim normalen Beschleunigungsmessmodus durchgeführt und ein Ausgang entsprechend einer Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b wird erhalten. Die Verschiebung der bewegli chen Elektroden 1a und 1b durch eine elektrostatische Kraft hat einen bestimmten Wert entsprechend einer Spannung, die an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 21a angelegt wird. Somit hat ein Ausgang entsprechend der Verschiebung der beweglichen Elektroden 1a und 1b ebenfalls einen bestimmten Wert. Die Selbstdiagnose kann durchgeführt werden, in dem der erhaltene Ausgang mit dem bestimmten Ausgang verglichen wird.
Wenn die Selbstdiagnose abgeschlossen wird, wird ein Identifikationssignal (ID), das anzeigt, welcher Beschleunigungssensor die Selbstdiagnose abschließt, vom STAT-Anschluss ausgegeben, und zwar synchron mit dem Taktsignal CLK, da eine Steuervorrichtung, die basierend auf einem Ergebnis, erkannt durch den Beschleunigungssensor arbeitet, eine Mehrzahl von Beschleunigungssensoren enthalten kann. Somit kann die Steuervorrichtung erkennen, welcher Beschleunigungssensor ein Ergebnis hat.
Wenn gemäß 2 das PIN-Signal auf Lo gesetzt wird, ist der Beschleunigungssensor in dem normalen Beschleunigungsmessmodus (M-Modus). Zu dieser Zeit gibt das Ausgangssignal Go vom Beschleunigungssensor im Wesentlichen 0G an. Wenn ein Beschleunigungssignal an den Sensor angelegt wird, gibt das Ausgangssignal Go einen entsprechenden Wert an. Ein elektrisches Potential am STAT-Anschluss wird auf Lo gesetzt. Der Takt erzeugt kontinuierlich Taktsignale CLK.
Wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, wird der Beschleunigungssensor in einem Bestimmungsmodus (D-Modus) versetzt. In diesem Modus wird eine Notwendigkeit einer Selbstdiagnose bestimmt, in dem eine Zeit, während der das PIN-Signal auf Hi gehalten wird, mit einer Zeit entsprechend der bestimmten Taktzahl verglichen wird. Hierbei zeigt das Ausgangssignal Go den Wert 0G und das elektrische Potential am STAT-Anschluss ist auf Lo gesetzt. So lange das PIN-Signal auf Hi gesetzt ist, wird der Bestimmungsmodus fortgeführt. Wenn das PIN-Signal auf Lo geändert wird, kehrt der Beschleunigungssensor in den M-Modus zurück.
Wenn die bestimmte Taktanzahl, beispielsweise vier Takte dieser Ausführungsform der Taktsignale CLK im Bestimmungsmodus gezählt worden sind, wird der Beschleunigungssensor in den Selbstdiagnosemodus (SD-Modus) versetzt. Sodann wird die Selbstdiagnose durchgeführt und das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors wird auf den entsprechenden Wert (einen Primärwert) gesetzt. So lange das PIN-Signal auf Hi gesetzt ist, fährt der SD-Modus fort. Im Gegensatz hierzu, wenn das PIN-Signal auf Lo gesetzt wird, wird der Beschleunigungssensor in den ID-Ausgangsmodus (ID-Modus) versetzt.
Im ID-Modus wird das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors im Wesentlichen 0G anzeigen und ein ID-Signal wird vom STAT-Anschluss ausgegeben und zwar synchron mit dem Taktsignal CLK. So lange das PIN-Signal auf Lo gesetzt ist, fährt der ID-Modus fort. Im Gegensatz hierzu, wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, kehrt der Beschleunigungssensor wieder in den SD-Modus zurück. Wenn der Ausgang vom ID-Signal abgeschlossen ist, wird die Selbstdiagnose als beendet erklärt oder bestimmt und der Beschleunigungssensor kehrt wieder in den M-Modus zurück.
Wenn gemäß 3A das PIN-Signal die bestimmte Taktanzahl lang weiterhin Hi bleibt, wird die Selbstdiagnose durchgeführt und der Beschleunigungssensor gibt das Ausgangssignal Go entsprechend dem Selbstdiagnoseergebnis aus. Im Gegensatz hierzu, wenn das PIN-Signal gemäß 3B vorübergehend durch externes Rauschen auf Hi gesetzt wird, wird die Selbstdiagnose nicht durchgeführt, da das PIN-Signal nicht die bestimmte Taktzahl lang auf Hi verblieben ist. Dann wird das Ausgangsignal Go des Beschleunigungssensors auf 0G gesetzt.
Bei der ersten Ausführungsform kann der Beschleunigungssensor nur dann in den Selbstdiagnosemodus überführt werden, wenn das PIN-Signal damit fortfährt, länger als die angenommene Zeit, während der externes Rauschen auftreten kann, im Zustand Hi zu verbleiben. Selbst wenn daher das PIN-Signal durch externes Rauschen auf Hi gesetzt wird, wird nicht fehlerhaft erkannt, dass auf den Sensor eine Beschleunigung einwirkt. Somit kann eine Fehlfunktion einer externen Vorrichtung, welche in Abhängigkeit von dem Beschleunigungssensor arbeitet, ausgeschlossen oder zumindest wesentlich verringert werden.
(Zweite Ausführungsform)
In einer zweiten Ausführungsform wird unter Verwendung einer Mehrzahl von PIN-Signalen bestimmt, ob ein PIN-Signal durch ein eine Selbstdiagnose anweisendes Signal oder durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist. Die verbleibenden Teile können ähnlich oder gleich zur ersten Ausführungsform verbleiben und eine nochmalige Beschreibung dieser Teile erfolgt nicht.
In einem Selbstdiagnosemodus wird das die Selbstdiagnose anweisende Signal, d. h. das PIN-Signal im Steuersignal erzeugen Schaltkreis 24 auf Hi gesetzt. Im Gegensatz hierzu kann das PIN-Signal auch durch externes Rauschen oder andere Störungen auf Hi gesetzt werden. Wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, wird unter Verwendung der Taktsignale CLK, die durch den Takt des Schaltkreises 24 erzeugt werden, bestimmt, ob das PIN-Signal durch das die Selbstdiagnose anweisendes Signal oder durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist.
Zuerst werden, wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, Signale vom Schaltkreis 24 ausgegeben und das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses wird synchron mit dem Anstieg des PIN-Signals auf Hi gesetzt. Insbesondere werden in Antwort auf Signalausgänge vom Schaltkreis 24 Abläufe ähnlich demjenigen des Selbstdiagnosemodus gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt.
Somit laufen die Vorgänge im normalen Selbstdiagnosemodus ab. Jedoch kann hierbei nicht bestimmt werden, ob diese Abläufe auf Grund des Signals, welches die Selbstdiagnose anweist oder auf Grund von externem Rauschen durchgeführt werden. Die Bestimmung erfolgt auf der Grundlage eines Ausgangs (Hi) des STAT-Anschlusses und Ausgang vom Beschleunigungssensor wird bei der Selbstdiagnose nicht verwendet. Das heißt, obgleich Vorgänge oder Abläufe im Selbstdiagnosemodus durchgeführt werden, erfolgt zu diesem Zeitpunkt kein Eintritt in den Selbstdiagnosemodus.
Im Fall einer Selbstdiagnose wird nach einem bestimmten Zeitintervall das PIN-Signal wieder auf Hi gesetzt. Im Gegensatz hierzu versetzt externes Rauschen das PIN-Signal zu Zufallszeiten (diskontinuierlich) auf Hi. Für eine Selbstdiagnose werden daher die PIN-Signale regulär oder gleichmäßig vielfach auf Hi gesetzt. Somit kann der Fall unterschieden werden, bei dem das PIN-Signal durch externes Rauschen auf Hi gesetzt wird.
Dann wird der Beschleunigungssensorbetriebsmodus wieder in den Selbstdiagnosemodus versetzt und eine tatsächliche (zweite) Selbstdiagnose wird durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt ist der STAT-Anschluss nicht auf Hi gesetzt. Somit ändert sich der Ausgang vom STAT-Anschluss relativ zu demjenigen bei der ersten Selbstdiagnose und es kann bestimmt werden, ob der Beschleunigungssensor sich im Selbstdiagnosemodus befindet oder nicht, in dem der Ausgang des STAT-Anschlusses gelesen wird. Nachdem die zweite Selbstdiagnose abgeschlossen ist, wird das ID-Signal vom STAT-Anschluss ausgegeben.
Gemäß 4 ist, wenn das PIN-Signal auf Lo gesetzt wird, der Beschleunigungssensor in dem normalen Beschleunigungsmessmodus (M-Modus). Zu diesem Zeitpunkt zeigt das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors im wesentlichen 0G. Wenn eine Beschleunigung auf den Sensor wirkt, zeigt das Ausgangssignal Go den entsprechenden Wert an. Weiterhin ist ein elektrisches Potential des STAT-Anschlusses auf Lo gesetzt. Der Takt erzeugt fortlaufend die Taktsignale CLK.
Wenn das PIN-Signal auf Hi gesetzt wird, ändert sich der Betriebsmodus zu einem ersten Bestimmungsmodus (ersten D-Modus). Dann wird die Selbstdiagnose durchgeführt und das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors wird auf den entsprechenden Wert (einen primären Wert) gesetzt. Weiterhin wird der Ausgang des STAT-Anschlusses auf Hi gesetzt. Solange das PIN-Signal auf Hi verbleibt, dauert der erste Bestimmungsmodus an. Wenn das PIN-Signal auf Lo geändert wird, ändert sich der Betriebsmodus in einen zweiten Bestimmungsmodus (zweiten D-Modus).
Im zweiten Bestimmungsmodus zeigt das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors im Wesentlichen 0G an und das elektrische Potential des STAT-Anschlusses wird auf Lo gesetzt. Solange das PIN-Signal auf Lo verbleibt, fährt der zweite Bestimmungsmodus fort. Wenn das PIN-Signal auf Hi geändert wird, wird der Betriebsmodus in den Selbstdiagnosemodus (SD-Modus) geändert. Zusätzlich, wenn der zweite Bestimmungsmodus die bestimmte Zeitdauer an fortfährt, wird der Sensor in den M-Modus zurückgeführt. Die bestimmte Zeit gibt eine Zeit wieder, in der von dem PIN-Signalen angenommen wird, dass sie mehrfach auf Hi gesetzt worden sind. Selbst wenn daher das PIN-Signal wieder auf Hi gesetzt wird, ändert sich der Betriebsmodus zu dem ersten Bestimmungsmodus und nicht zum zweiten Bestimmungsmodus.
Im SD-Modus wird die Selbstdiagnose durchgeführt und das Ausgangssignal Go des Beschleunigungssensors wird auf einen entsprechenden Wert (einen primären Wert) gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt ist das elektrische Potential des STAT-Anschlusses auf Lo gesetzt. Solange das PIN-Signal fortfährt, Hi zu bleiben, fährt der SD-Modus fort. Wenn das PIN-Signal aus Lo geändert wird, wird der Betriebsmodus auf einen ID-Ausgangsmodus (ID-Modus) geändert.
Im ID-Modus zeigt das Ausgangssignal Go vom Sensor im Wesentlichen 0G an und das ID-Signal wird vom STAT-Anschluss synchron mit dem Taktsignal CLK ausgegeben. Solange das PIN-Signal Lo bleibt, fährt der ID-Modus fort. Wenn das PIN-Signal auf Hi geändert wird, ist die Selbstdiagnose abgeschlossen und der Sensor kehrt wieder in den M-Modus zurück.
Wie in 5A gezeigt, werden im Selbstdiagnosemodus die PIN-Signale zweimal auf Hi gesetzt und die Selbstdiagnose wird durchgeführt, wenn das PIN-Signal wieder auf Hi gesetzt wird. Somit wird das Ausgangssignal Go entsprechend dem Ergebnis der Selbstdiagnose vom Sensor ausgegeben. Im Gegensatz hier zu wird gemäß 5B das PIN-Signal durch externes Rauschen einmal auf Hi versetzt. Das heißt, das PIN-Signal wird nicht zweimal auf Hi gesetzt und die Selbstdiagnose wird nicht durchgeführt. Dann wird das Ausgangssignal Go des Sensors auf 0G gesetzt.
Wenn folglich PIN-Signale wiederholt auf Hi gesetzt werden, wird die Selbstdiagnose durchgeführt. Im Gegensatz hierzu, wenn PIN-Signale nicht wiederholt auf Hi gesetzt werden, wird bestimmt, dass das PIN-Signal durch externes Rauschen auf Hi gesetzt worden ist. Die durch die erste Ausführungsform geschaffenen Vorteile können auch von der zweiten Ausführungsform erhalten werden.
(Dritte Ausführungsform)
Bei einer dritten Ausführungsform hat ein Beschleunigungssensor zwei Empfindlichkeiten für eine gemeinsame Achsenrichtung. Die verbleibenden Teile können ähnlich oder gleich zur ersten Ausführungsform sein und eine nochmalige Beschreibung erfolgt nicht.
Gemäß 6 enthält ein gepackter integrierter Schaltkreis (IC) 30 (z. B. ein Drucksensor) ein Sensorelement 10, einen C/V-Wandlerschaltkreis 21, einen Schaltschalt kreis 22, einen Signalvorarbeitungsschaltkreis 23 und einen Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24. Der IC 30 enthält weiterhin einen Energiequellenanschluss 30a, einen ersten Ausgangsanschluss 30b, einen zweiten Ausgangsanschluss 30c, einen Masseanschluss (GND) 30d, einen STAT-Anschluss 30e und einen Eingangsanschluss 30f. Diese sechs Anschlüsse 30a bis 30f entsprechen Anschlüssen eines noch zu beschreibenden Leiterrahmens 35. Der Energiequellenanschluss 30a versorgt den IC 30 mit einer Treiberspannung VCC. Der erste Ausgangsanschluss 30b gibt ein Ausgangssignal Go1 aus. Der zweite Ausgangsanschluss 30c gibt ein Ausgangssignal Go2 aus. Der GND-Anschluss 30d ist mit einem Referenzpotential GND des IC 30 verbunden. Der STAT-Anschluss 30e gibt ein Signal aus, das einen Zustand des Beschleunigungssensors anzeigt. Ein PIN-Signal zur Anweisung einer Selbstdiagnose wird dem Eingangsanschluss 30f eingegeben.
Gemäß 7A sind ein Substrat 31 und eine Packung 32 in dem Beschleunigungssensor miteinander verbunden. Das Substrat 31 wird gebildet durch Schichten eines Substrats für einen Sensorschaltkreis mit dem Sensorelement 10 auf ein Substrat für den Erkennungsschaltkreis 20. Das Substrat für den Erkennungsschaltkreis 20 enthält den C/V-Wanderschaltkreis 21, den Schaltschaltkreis 22, den Signalverarbeitungsschaltkreis 23 und den Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24.
Gemäß den 7A und 7B sind sechs Hauptelektroden 33 an einer Fläche des Substrats 31 zu der Packung 32 weisend angeordnet. Auf ähnliche Weise sind sechs Leiterrahmen 35 an der Packung 32 entsprechend den sechs Elektroden 33 angeordnet. Jeder der Leiterrahmen 35 entspricht jeweils einem der Anschlüsse 30a bis 30f.
Die Hauptelektroden 33 und die Leiterrahmen 35 werden über Kontaktpunkte („bumps") miteinander verbunden. Eine Verbindung durch einen Kontaktpunkt wird nicht beschädigt, selbst wenn eine Belastung, beispielsweise eine thermische Belastung von der Packung 32 zum Substrat 31 hin erzeugt wird. Dies deshalb, als ein Lot an dem Verbindungsteil vorhanden ist und das Verbindungsteil hat eine Form mit hoher Benetzungsleistung. Insbesondere ist eine Fläche des Lots an der Packung 32 größer als am Substrat 31.
Vier Nebenelektroden 34 sind an den Vierecken des Substrats 31 unterschiedlich zu den Hauptelektroden 33 angeordnet. Vier Dummy-Kissen 36 liegen an den vier Ecken der Packung 32 entsprechend den Hilfselektroden 34. Die Hilfselektroden 34 und die Dummy-Kissen 36 werden über Kontaktpunkte miteinander verbunden. Jede der Hilfselektroden 34 hat eine Lotfläche an der Packung 32 die gleich derjenigen am Substrat 31 ist. Dies ist unterschiedlich zu den Hauptelektroden 33. Wenn die Packung 32 thermisch verformt wird, wird kaum thermische Belastung auf das Substrat 31 auf Grund der Hilfselektroden 34 überfragen. Wenn daher eine Belastung in der Packung 32 erzeugt wird, werden die Hauptelektroden 33 davor geschützt, sich von den Leiterrahmen 35 zu trennen und die Belastung wird auf Grund der Hilfselektroden 34 verringert.
Wie in 6 gezeigt, enthält der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 einen internen Takterzeugungsschaltkreis 24a und gibt Signale PW1, PW2, St, S1, S2 und F1 synchron mit Taktsignalen vom internen Takterzeugungsschaltkreis 24a aus. Das heißt, der Beschleunigungssensor benötigt keine Taktsignale von außen des ICs 30 her. Der Beschleunigungssensor hat für eine einzelne Achsenrichtung zwei Empfindlichkeiten. Jedoch enthält der Sensor nur das einzelne Sensorelement 10 als Sensierungsteil, wie in 6 gezeigt. Der Beschleunigungssensor der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von den obigen Ausführungsformen dahingehend, dass ein Verzweigungsschaltkreis 25 an der Ausgangsseite des SCF-Schaltkreises 23b liegt.
Der Verzweigungsschaltkreis 25 verstärkt ein Ausgangssignal vom SCF-Schaltkreis 23e und bildet das Ausgangssignal Go2. Der Verzweigungsschaltkreis 25 enthält einen Verstärkerschaltkreis mit einem Operationsverstärker 25a und Widerständen 25b und 25c. Der Widerstand 25b liegt zwischen einem Ausgangsanschluss des SCF-Schaltkreises 23b und einem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 25a. Der Widerstand 25c liegt zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 25a.
Ein Signalausgang vom SCF-Schaltkreis 23b wird an einem Punkt B verzweigt. Ein abgezweigtes Signal wird als Ausgangssignal Go1 ausgegeben und das andere abgezweigte Signal wird nach einer Verstärkung durch den Verzweigungsschaltkreis 25 als Ausgangssignal Go2 ausgegeben. Damit hat der Beschleunigungssensor zwei Empfindlichkeiten für eine einzelne Achsenrichtung, da ein Verstärkungsbetrag des Ausgangssignals Go1 unterschiedlich zu demjenigen des Ausgangssignals Go2 ist. Zusätzlich wird das Ausgangssignal Go2 in einer Richtung umgekehrt zum Ausgangssignal Go1 verstärkt, da der Verzweigungsschaltkreis 25 ein invers verstärkender Schaltkreis ist. Somit können die Ausgangssignale Go1 und Go2 voneinander unterschieden werden.
Wie in 8 gezeigt, werden die Treiberspannung VCC, das Referenzpotential GND und das PIN-Signal dem IC 30 des Beschleunigungssensors eingegeben und die Ausgangssignale Go1, Go2 und STAT werden vom IC 30 des Beschleunigungssensors ausgegeben, wie oben beschrieben. Die Ausgangssignale Go1, Go2 und STAT werden einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 40, beispielsweise einer Airbag-ECU über einen Leitungsbus im Fahrzeug übertragen.
Die ECU 40 enthält einen Takterzeugungsschaltkreis. Der Takterzeugungsschaltkreis ist nicht synchron mit dem internen Takterzeugungsschaltkreis 24a im Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 und wird so betrieben, dass er eine Steuerperiode von beispielsweise 1 ms hat. Beispielsweise in einem Fall, in dem die ECU 40 eine Airbag-ECU ist, gibt, wenn die ECU 40 ein Zündsignal (IG) von einem Zylinderschloss oder dergleichen (nicht gezeigt) erhält, die ECU 40 das PIN-Signal an den Beschleunigungssensor. Wenn danach die ECU 40 die Ausgangssignale Go1, Go2 und STAT vom Beschleunigungssensor erhält, gibt die ECU 40 ein Diagnoseergebnis (DR) oder ein Zusammenstoßbestimmungsergebnis (CDR) in Antwort auf diese Ausgangssignale aus.
Das Zusammenstossbestimmungsergebnis wird basierend auf Ausgängen von Beschleunigungssensoren bestimmt, die in einem Fahrzeug angeordnet sind. Insbesondere zeigt das Zusammenstoßbestimmungsergebnis an, ob bei einem Zusammenstoß mit einem Gegenstand Airbags zu entfalten sind oder nicht. Dies wird basierend auf einem Ausgang eines Beschleunigungssensors in einem normalen Beschleunigungsmessmodus bestimmt. Im Gegensatz hierzu ist das Diagnoseergebnis das Ergebnis eines Selbstdiagnosevorgangs, der durchgeführt wird, wenn die ECU 40 das IG-Signal erhält. Insbesondere stellt das Diagnoseergebnis das Ergebnis ei ner Bestimmung dar, die basierend auf einem Ausgang eines Beschleunigungssensors durchgeführt wird, wenn bewegliche Elektroden 1a und 1b durch Anlegen einer Spannung an das Sensorelement 10 verschoben werden.
Wenn ein IG-Signal, welches von einem Zylinderschloss (Zündschloss) ausgegeben wird, der ECU 40 eingegeben wird, beginnt ein Selbstdiagnoseprozess, nachdem eine bestimmte Initialisierung abgelaufen ist. Der Selbstdiagnoseprozess ist synchron mit einer bestimmten Steuerperiode.
Wie in 9 gezeigt wird bei S100 ein PIN-Signal Hi für eine bestimmte Zeit Δt1 ausgegeben. Die bestimmte Zeit Δt1 ist länger als die angenommene Zeit, während der Störrauschen, welches ein Kommunikationssystem eines Fahrzeugs beeinflusst, fortdauert. Da Störrauschen eine Frequenz im Gigahertzbereich (GHz) hat, wird angenommen, dass derartiges Rauschen ungefähr 1 bis 500 nsec andauert. Daher wird die bestimmte Zeit Δt1 auf 0,25 msec gesetzt, sodass das Störrauschen nicht fehlerhafterweise als PIN-Signal erkannt und interpretiert wird. Die bestimmte Zeit Δt1 kann im Bereich zwischen 0,1 msec und 0,5 msec liegen. Das heißt, die bestimmte Zeit Δt1 hat einen Sicherheitsfaktor, der das ungefähr 5- bis 500fache gegenüber der angenommenen Zeit beträgt.
In der Zeitperiode t0–t2 in 10 gibt der STAT-Anschluss 30e ein Signal an die ECU 40 aus, welches den Zustand des IC 30 anzeigt und der zweite Ausgangsanschluss 30c gibt das Ausgangssignal Go2 an die Ecu 40 aus. Da hierbei das PIN-Signal die bestimmte Zeit Δt1 lang andauert, verbleiben der STAT-Anschluss 30e und der zweite Ausgangsanschluss 30c die bestimmte Zeit Δt1 lang auf Hi.
Bei S101 in 9 werden das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e und das Ausgangssignal Go2 des zweiten Ausgangsanschlusses 30c in der Zeitperiode t0–t2 erkannt und die entsprechenden Zeiten von Hi werden berechnet. In einem normalen Fall ist die Fortdauerzeit gleich der bestimmten Zeit Δt1.
Bei S102 wird basierend auf der Fortdauerzeit eine Bestimmung durchgeführt, während der STAT-Anschluss 30e auf Hi bleibt. Wenn die Fortdauerzeit gleich der be stimmten Zeit Δt1 ist, wird das PIN-Signal als normal dem Beschleunigungssensor eingegeben bestimmt und die ECU 40 führt S103 durch. Wenn die Fortdauerzeit kleiner als die bestimmte Zeit Δt1 ist, wird bestimmt, dass das PIN-Signal dem Beschleunigungssensor nicht normal eingegeben worden ist und die ECU 40 führt wieder S100 durch.
Bei S103 wird das PIN-Signal von Hi wieder die bestimmte Zeit Δt1 lang ausgegeben. Daher gibt in einer Zeitdauer t2–t4 in 10 ähnlich zu der Zeitdauer oder Zeitperiode t0–t2 der STAT-Anschluss 30e ein Signal an die ECU 40 aus, das einen Zustand des Beschleunigungssensors angibt und der zweite Ausgangsanschluss 30c gibt das Ausgangssignal Go2 an die ECU 40 aus.
Bei S104 werden das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e an das Ausgangssignal Go2 des zweiten Ausgangsanschlusses 30c in der Zeitperiode t2–t4 erkannt und die Zeiten des Hi-Signals werden berechnet.
Bei S105 erfolgt eine Bestimmung basierend auf der Fortdauerzeit während der der STAT-Anschluss 30e auf Hi verblieben ist. Wenn die Fortdauerzeit gleich der bestimmten Zeit Δt1 ist, wird bestimmt, dass das PIN-Signal dem Beschleunigungssensor normal eingegeben worden ist und die ECU 40 führt S106 durch. Wenn im Gegensatz hierzu die Fortdauerzeit kleiner als die bestimmte Zeit Δt1 ist, wird bestimmt, dass das PIN-Signal dem Beschleunigungssensor nicht normal eingegeben worden ist und die ECU 40 führt wieder S100 durch.
Die Schritte S100–102 sind ein erster Vorbereitungsprozess und die Schritte S103–105 sind ein zweiter Vorbereitungsprozess. Nachdem die ersten und zweiten Vorbereitungsprozesse normal abgeschlossen worden sind, führt die ECU 40 einen Go2-Erkennungsprozess S106–108 und einen Bestimmungsprozess S109–111 durch, um eine Diagnosebestimmung durchzuführen.
Bei S106 wird das PIN-Signal von Hi für eine bestimmte Zeit Δt2 lang ausgegeben. Dann werden bei S107 das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e und das Ausgangssignal Go2 des zweiten Ausgangsanschlusses 30c in einer Zeitperiode t4 bis t5 erkannt. Die Zeitperiode t4 bis t5 ist gleich der bestimmten Zeit Δt2.
Bei S108 wird eine Bestimmung basierend auf dem Ausgangspotential des STAT-Anschiusses 30e durchgeführt. Wenn das Ausgangspotential die bestimmte Zeit Δt2 lang Hi bleibt, wird bestimmt, dass das PIN-Signal dem Beschleunigungssensor normal eingegeben wurde und die ECU 40 führt dann S109 durch. Wenn jedoch das Ausgangspotential weniger lang als die bestimmte Zeit Δt2 Hi bleibt, wird bestimmt, dass das PIN-Signal dem Beschleunigungssensor nicht normal eingegeben wurde und die ECU 40 führt wieder S100 durch.
Bei S109 erfolgt eine Bestimmung basierend auf dem Ausgangssignal Go2, das bei S107 erkannt wurde. Wenn bestimmt wird, dass das Ausgangssignal G02 gleich einem bestimmten Wert ist, führt die ECU 40 S110 durch. Wenn im Gegensatz dazu bestimmt wird, dass das Ausgangssignal Go2 nicht gleich dem bestimmten Wert ist, führt die ECU 40 S111 durch. Der bestimmte Wert gibt einen Wert wieder, der vom Beschleunigungssensor als Ausgangssignal Go2 ausgegeben wird, wenn das PIN-Signal die bestimmte Zeit Δt2 lang Hi verbleibt und der Beschleunigungssensor das PIN-Signal erkennt.
Bei S110 gibt die ECU 40 ein Diagnoseergebnis aus, dass der Beschleunigungssensor normal ist, da das Ausgangssignal Go2 als gleich dem bestimmten Wert bestimmt wurde. Im Gegensatz hierzu gibt bei S111 die ECU 40 ein Diagnoseergebnis aus, dass der Beschleunigungssensor nicht normal (anormal) ist, da das Ausgangssignal (Go2) als nicht gleich dem bestimmten Wert bestimmt wurde.
Zusätzlich sind gemäß dem Zeitdiagramm von 10 die steigende Flanke und die fallende Flanke des Ausgangspotentials des STAT-Anschlusses 30e und das Ausgangssignal Go2 synchron mit dem PIN-Signal. In der Praxis können jedoch die Ansprechverhalten im Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e und des Ausgangssignals Go2 gegenüber dem PIN-Signal geringfügig verzögert werden.
Bei der dritten Ausführungsform wird der Beschleunigungssensor nicht in einen Selbstdiagnosemodus versetzt, wenn das PIN-Signal ähnlich wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen durch externes Rauschen auf Hi gesetzt wird. Weiterhin kann der folgende Vorteil geschaffen werden, da die Taktsignale CLK durch den internen Takterzeugungsschaltkreis 24a in dem Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 erzeugt werden. Dieser Vorteil wird beschrieben unter Verwendung eines gepackten IC eines Beschleunigungssensors mit herkömmlichem Aufbau.
Ein herkömmlicher gepackter Beschleunigungssensor mit nur einer Empfindlichkeit für eine Achsenrichtung enthält sechs Hauptelektroden und Leiterrahmen, ähnlich dieser Ausführungsform. Sie werden verwendet zur Übertragung der Spannung Vcc des Ausgangssignals Go des Referenzpotientals GND, des Ausgangspotentials vom STAT-Anschluss, des PIN-Signals und des Taktsignals CLK. Der S/H-Schaltkreis und der SCF-Schaltkreis im Signalverarbeitungsschaltkreis werden in Antwort auf das Taktsignal CLK betrieben, welches von den Hauptelektroden eingegeben wird. Um damit einen herkömmlichen Beschleunigungssensor mit zwei Empfindlichkeiten für eine einzelne Achsenrichtung gemäß dieser Ausführungsform zu ändern, sind nicht nur der Verzweigungsschaltkreis 25 sondern auch eine weitere Hauptelektrode und ein weiterer Leiterrahmen für einen anderen Ausgangsanschluss notwendig. Wenn jedoch die Hauptelektroden 33 anzahlmäßig von sechs auf sieben geändert werden, muss sich die Form des gepackten IC30 ebenfalls ändern. Eine Kompatibilität mit einem herkömmlichen Aufbau kann daher nicht beibehalten werden. Weiterhin kann die Gehäusegröße des gepackten IC30 ansteigen.
Im Gegensatz hierzu werden bei der dritten Ausführungsform die Taktsignale CLK vom internen Takterzeugungsschaltkreis 24a im Schaltkreis 24 erzeugt und eine der Hauptelektroden 33, die zur Eingabe der Taktsignale CLK verwendet wird, kann als zweiter Ausgangsanschluss 30c verwendet werden. Das Ausgangssignal Go2 kann von dem zweiten Ausgangsanschluss 30c ausgegeben werden. Somit kann ein Beschleunigungssensor mit zwei Empfindlichkeiten für eine einzelne Achsenrichtung unter Verwendung einer herkömmlichen Packung gebildet werden.
Weiterhin kann bei S109 in 9 die Selbstdiagnose des Beschleunigungssensors durchgeführt werden, wo der zusätzliche Verzweigungsschaltkreis 25 enthalten ist, da der Beschleunigungssensor als normal oder nicht normal basierend auf dem Ausgangssignal Go2 beurteilt wird. Damit kann der gleiche Vorteil beim Beschleunigungssensor mit zwei Empfindlichkeiten in einer einzelnen Achsenrichtung bei dieser Ausführungsform wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen erhalten werden. Die beiden Ausgangssignale Go1 und Go2 können als normal oder nicht normal im Verlauf einer Bestimmung bestimmt werden, da die Selbstdiagnose auf der Grundlage des Ausgangssignals Go2 erfolgt, welches durch Verstärkung des Ausgangssignals Go1 gebildet wird. Weiterhin ist es nicht notwendig, dass die Bestimmung an den Ausgangssignalen Go1 und Go2 separat erfolgt.
Bei dem obigen Selbstdiagnoseprozess verbleibt das PIN-Signal die bestimmte Zeit Δt1 lang auf Hi und die Zeit, während der das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e auf Hi verbleibt, wird als gleich der bestimmten Zeit Δt1 bestimmt. Alternativ kann ein Verhältnis einer Zeit, während der das PIN-Signal insgesamt auf Hi verbleibt zu einer Steuerperiode, d. h. ein Taktverhältnis mittels eines Pulsbreitenmodulationsstils (PWM) anstelle der bestimmten Zeit Δt1 verwendet werden. Dies deshalb, als die ECU 40 einen Impulstakt für ihr Zeitmanagement verwendet. Beispielsweise kann bei S100 ein Taktverhältnis oder Schaltverhältnis des PIN-Signals auf 50% gesetzt werden und ein Taktverhältnis oder Schaltverhältnis, bei dem das Ausgangspotential des STAT-Anschlusses 30e auf Hi gesetzt ist, kann bei S102 als bei 50% liegend bestimmt werden.
(Andere Ausführungsformen)
Bei den obigen Ausführungsformen sind die Beschleunigungssensoren als kapazitive Sensoren zur Erkennung einer physikalischen Größe (dynamischer Betrag) beschrieben. Es können jedoch auch andere Sensoren, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Gierratensensor als kapazitiver Sensor verwendet werden. Weiterhin können der Schaltschaltkreis 22 und der Steuersignalerzeugungsschaltkreis 24 zu einer Steuereinheit zusammengefasst werden. Derartige und weitere Änderungen und Abwandlungen liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.

Claims

Ein kapazitiver Sensor zur Erkennung einer physikalischen Größe, aufweisend: eine bewegliche Elektrode (1a, 1b) und eine feste Elektrode (2a, 2b); eine Steuereinheit (22, 24) zum Anlegen eines Signals zwischen die bewegliche Elektrode (1a, 1b) und die feste Elektrode (2a, 2b), wobei die Steuereinheit (22, 24) aufweist: einen Eingangsanschluss, welchem ein Anweisungssignal zum Anweisen einer Selbstdiagnose eingegeben wird, einen Ausgangsanschluss, der ein Anzeigesignal zur Anzeige eines Zustands der Selbstdiagnose ausgibt, und Zeitmessmittel zum Messen einer Zeitdauer, während der das Anweisungssignal dem Eingangsanschluss eingegeben wird, wobei die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose durchführt, nachdem das Anweisungssignal eine bestimmte Zeitdauer lang anhält; einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss als den Ausgangsanschluss aufweist; wobei der kapazitive Sensor für die physikalische Größe eine erste Empfindlichkeit und eine zweite Empfindlichkeit für eine einzelne Richtung hat; der erste Ausgangsanschluss ein Signal der ersten Empfindlichkeit ausgibt; der zweite Ausgangsanschluss ein Signal der zweiten Empfindlichkeit ausgibt, das das durch einen Verstärker (25a) verstärkte Signal der ersten Empfindlichkeit ist; und die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose basierend auf einer Zeit durchführt, während der das Signal der zweiten Empfindlichkeit andauert.
Der Sensor nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: einen C/V-Wandlerschaltkreis (21), der eine Spannung entsprechend einer Änderung in einer Kapazität ausgibt, die von der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode gebildet wird; und einen Signalverarbeitungsschaltkreis (23), der ein Signal entsprechend einer Änderung der physikalischen Größe ausgibt, indem die Spannung vom C/V-Wandlerschaltkreis (21) verarbeitet wird, wobei die bewegliche Elektrode (1a, 1b) abhängig von einer Änderung der physikalischen Größe verschoben wird, die Steuereinheit (22, 24) periodisch ein Erkennungssignal zur Erkennung der Änderung der Kapazität in einem normalen Messmodus anlegt, und die Steuereinheit (22, 24) ein Verschiebungssignal zur Verschiebung der beweglichen Elektrode (1a, 1b) in einem Selbstdiagnosemodus anlegt, bevor das Erkennungssignal angelegt wird.
Der Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitmessmittel die Zeitperiode unter Verwendung eines Takts zur Erzeugung von Taktsignalen messen; und die bestimmte Zeitdauer einer Zeit länger als eine angenommene Zeit dauert, während der externes Rauschen andauert.
Der Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (22, 24) das Anzeigesignal vom Ausgangsanschluss ausgibt, wenn das Anweisungssignal aufgrund eines Abschlusses der Selbstdiagnose beendet ist.
Der Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose für den Fall durchführt, dass eine Mehrzahl von Anweisungssignalen dem Eingangsanschluss eingegeben wird und die Selbstdiagnose nicht durchgeführt wird, wenn die Anweisungssignale dem Eingangsanschluss nicht eingegeben werden.
Der Sensor nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose für den Fall durchführt, dass ein erstes Anweisungssignal dem Eingangsanschluss eingegeben wird und die Steuereinheit (22, 24) die Selbstdiagnose für den Fall unterbindet, bei dem nur das erste Anweisungssignal dem Eingangsanschluss eingegeben wird.
Der Sensor nach Anspruch 6, wobei der Ausgangsanschluss unterschiedliche Signale für den Fall ausgibt, dass das erste Anweisungssignal eingegeben wird und für den Fall, dass das zweite Anweisungssignal eingegeben wird.
Der Sensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Steuereinheit (22, 24) das zweite Anweisungssignal als erstes Anweisungssignal erkennt, wenn das zweite Anweisungssignal dem Eingangsanschluss nach einer bestimmten Zeit eingegeben wird, nachdem das erste Anweisungssignal eingegeben wurde.
Der Sensor nach Anspruch 8, wobei die bestimmte Zeit länger als eine angenommene Zeit ist, während der das zweite Anweisungssignal eingegeben wird.
Ein Verfahren zur Diagnose eines kapazitiven Sensors für eine physikalische Größe, aufweisend: Eingeben eines Vorbereitungssignals in einen Eingangsanschluss des kapazitiven Sensors für die physikalische Größe für eine bestimmte Zeit lang; Bestimmen, ob ein Ausgangsanschluss des kapazitiven Sensors für die physikalische Größe ein erstes Ausgangssignal eine erste bestimmte Zeit lang oder nicht in Antwort auf das Vorbereitungssignal ausgegeben hat; Anweisen einer Selbstdiagnose durch Eingeben eines Anweisungssignals in den Eingangsanschluss während einer zweiten bestimmten Zeit, wenn bestimmt wird, dass der Ausgangsanschluss das erste Ausgangssignal die erste bestimmte Zeit lang ausgegeben hat; und Diagnostizieren des kapazitiven Sensors für die physikalische Größe als normal, wenn der Ausgangsanschluss die zweite bestimmte Zeit lang ein zweites Ausgangssignal ausgibt; wobei der kapazitive Sensor für die physikalische Größe einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss als den Ausgangsanschluss aufweist; der kapazitive Sensor für die physikalische Größe eine erste Empfindlichkeit und eine zweite Empfindlichkeit für eine einzelne Richtung hat; der erste Ausgangsanschluss ein Signal der ersten Empfindlichkeit ausgibt; der zweite Ausgangsanschluss ein Signal der zweiten Empfindlichkeit ausgibt, gebildet durch Verstärken des Signals der ersten Empfindlichkeit; und die Diagnose basierend auf einer Zeit erfolgt, während der das Signal der zweiten Empfindlichkeit andauert.
Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste bestimmte Zeit in einem Bereich zwischen 0,1 bis 0,5 ms liegt.