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Selbsttest und Fehlertoleranz mit zugelassener milder Degradation in integrierten CMOS-Sensorsystemen

by Weiler, Dirk

Abstract (Summary)
In dieser Arbeit wird eine Erweiterung bisheriger intelligenter Sensorsysteme, basierend auf Anforderungen aus der Industrie nach steigender Leistung und erweiterten Systemfähigkeiten, vorgestellt. Die hier untersuchte Erweiterung stellt zusätzliche Funktionen zur Erhöhung der Betriebssicherheit im Fehlerfall zur Verfügung. Ein so erweitertes Sensorsystem beinhaltet eine Selbsttestfunktion mit Fehlererkennung, Fehleranalyse, Fehlerbeseitigung und Fehlersignalisierung. Ziel der Erweiterung ist es, Gefahren verursacht durch technische Systeme, die Messergebnisse von einem so erweiterten Sensorsystemen auswerten, durch nichterkannte fehlerhafte Messergebnisse zu minimieren. Aus Kostengründen kann die Fehlerbeseitigung häufig unter dem Aspekt einer unvollständigen Fehlerbeseitigung vorgenommen werden. Im Fehlerfall verringert sich somit die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems (milde Degradation). Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Fehlererkennung von defekten Sensorelementen. Der Grund für die Wahl dieses Schwerpunktes ist, dass für Sensorelemente keine herkömmlichen Selbsttestverfahren existieren und dass gerade die Sensorelemente einer besonders hohen Gefahr der Zerstörung ausgesetzt sind, weil sie direkt mit der Umwelt in Kontakt kommen. In der Arbeit werden zuerst die Grundlagen zu Sensoren und Sensorsystemen beschrieben. Es werden unterschiedliche Fehlererkennungsmethoden vorgestellt und auf die Notwendigkeiten im Hinblick auf einen Einsatz in Sensorsystemen bewertet. Speziell für integrierte Sensoren weist die Methode der Selbstanregung des Sensorelementes mittels elektrischer Stimulation eine hohe Flexibilität auf. Allerdings sind der Selbstanregung durch die begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden und den nur geringen Empfindlichkeiten der integrierten Sensorelemente Grenzen gesetzt. Diese Nachteile werden durch die im Rahmen der Arbeit entwickelten Methode der Korrelationsdetektion mit einer festen Stimulationssequenz verringert. Dazu wird das Sensorelement direkt oder indirekt elektrisch mit einer festgelegten Stimulationssequenz angeregt. Bei der direkten Stimulation wird das Sensorelement entsprechend dem eigentlichen Messprinzip angeregt. Bei der indirekten Stimulation erfolgt die Anregung über die Querempfindlichkeit des Sensorelementes. In einem fehlerfreien Sensorsystem wird die Stimulation des Sensorelementes in eine elektrische Größe konvertiert und gelangt über die gesamte Signalverarbeitungskette, wie die eigentliche Messgröße, zum Ausgang des Sensorsystems. In einem fehlerfreien Sensorsystem ist also die Stimulationssequenz im Ausgangssignal vorhanden. Aufgrund der begrenzten elektrischen Stimulationsamplituden, der meistens geringen Empfindlichkeit des Sensorelementes auf die Stimulation und dem Grund, dass die eigentliche Messwertaufnahme nur minimal gestört werden darf, ist die Amplitude der Stimulationssequenz im Ausgang des Sensorsystems nur sehr gering. Um ein solches kleines Signal zu detektieren, wird ein auf die Stimulationssequenz optimiertes Matched-Filter mit nachfolgendem Schwellwertentscheider eingesetzt. Der Vorteil dieser Fehlererkennungsmethode ist, dass neben dem Sensorelement auch die gesamte Signalverarbeitung auf einen Fehler untersucht und kein Eingriff in diese Kette notwendig wird. Die Funktionalität der entwickelten Fehlererkennungsmethode konnte an zwei Anwendungsbeispielen, einem Druck- und Temperatursensorelement, demonstriert werden. Am Beispiel des Drucksensorsystems wurden anschließend zwei Methoden zur Fehlerbeseitigung unter Anwendung der milden Degradation vorgestellt. An extension of smart sensor systems based on industrial requirements for increasing performance and system capability will be examined in this Ph.D. thesis. The extension towards a dependable sensor systems includes additional functions for increasing the reliability. A dependable sensor system contains error detection, error analysis, error removal, and error indication functions. The goal of this extension is to minimize the danger for humans or environment caused by technical systems, which evaluate non-recognized faulty measurement results generated by a non-dependable sensor system. Due to cost issues a full error removal is often impossible. In the case of a detected fault a mild or partial performance degradation may be the result. The error detection of defective sensor elements is the key part of this work. This key part has been chosen because no conventional self-testing strategy for sensor elements are available and defective sensor elements are highly probable because they usually exposed to rough environments. The Ph.D. thesis starts with a survey of integrated sensor systems. Some different error detection methods are presented and analyzed for implementation in integrated sensor systems. The electrical self-stimulation of the sensor element has some advantages special for integrated sensor systems. Due to limited electrical stimulation amplitudes and low sensitivities the self-stimulation of the sensor elements is limited. These disadvantages can be reduced using a new error detection method based on correlation detection of a fixed stimulation sequence. The sensor element is electrically stimulated directly or indirectly using a fixed stimulation sequence. Direct stimulation uses the measurement principle of the sensor element whereas indirect stimulation uses the cross-sensitivities of a sensor element. In a faulty-free sensor system the electrical stimulation is converted by the sensor element into an electrical signal and this is read out like the measurement result by the whole sensor signal processing. Therefore, in a faulty-free system the output of the sensor system contains the stimulation sequence. Due to the limited electrical stimulation amplitudes, the normally low sensitivity of the sensor element for the stimulation sequence, and the only small tolerable disturbance of the measurement process only a low amplitude of the stimulation sequence occurs at the output of the sensor system. To detect such a small signal a matched filter for the stimulation sequence followed by a threshold comparator is used. The advantage of this error detect method is that apart from the sensor element also the complete sensor signal processing is tested and no split of the sensor signal processing is necessary. The functionality of the proposed error detection method has been proven for two examples: 1st a temperature and 2nd a pressure sensor element. Using the example of an integrated capacitance pressure sensor system two methods for error removal with mild performance degradation is presented.
Bibliographical Information:

Advisor:Prof. Dr. Ing. Axel Hunger; Prof. Bedrich J. Hosticka, Ph.D.

School:Universität Duisburg-Essen, Standort Essen

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:elektrotechnik gerhard mercator universitaet

ISBN:

Date of Publication:06/21/2001

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