CN107132378A - 用于运行微机械z加速度传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种用于运行微机械z加速度传感器(100)的方法，该方法具有以下步骤：将测试信号施加到电极(42)上用于在所述z加速度传感器(100)的运行中产生所述z加速度传感器(100)的双臂杆(10)的所限定的偏转；检测所述双臂杆(10)的偏转并且将所述偏转换算成加速度值(B1)；通过求取所检测的加速度值(B1)与在制造过程中检测的初始加速度值(B0)之间的差，分析处理所检测的加速度值(B1)，其中，将所检测的加速度值(B1)与所述初始加速度值(B0)之间的差与所限定的阈值进行比较并且评估所检测的加速度值(B1)与所述初始加速度值(B0)之间的差。

Description

用于运行微机械z加速度传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行微机械z加速度传感器的方法。另外，本发明涉及一种微机械z加速度传感器。
背景技术
现今，基于MEMS的加速度传感器或微机械加速度传感器大量用于消费应用和机动车领域的应用中，不仅单个地而且集成地应用在具有陀螺仪的加速度测量单元(英语：inertial measurement unit，惯性测量单元，IMU)中和/或应用为具有磁性传感器的指南针。
在制造中和部分地也在应用设备或终端设备中的组装之后校准传感器，使得敏感度误差和零点误差(Offset：偏置)最小化。在此，在传感器的运行时间上争取，传感器的敏感性和传感器的偏置都不漂移。然而，系统中各种非理想性(例如封装影响、电荷漂移等)在传感器的运行持续时间上导致加速度值的或小或大的漂移。这很难与实际的加速度值区分，因此仅在限定的条件下(例如静止位置、或已知的定向)可以探测并且必要时修正加速度值的出现的偏置。
为了简单的功能测试，加速度传感器包含自测试功能(英语：Built-In Test，BITE)，所述功能借助静电偏转模拟施加的加速度。通常也在调准(Abgleich)传感器时并且在客户处在流水线上组装时检查自测试信号。
在应用设备中，通常借助软件(例如设备驱动、功能扩展软件等)运行传感器。
传统的用于测量物理加速度的传感器通常具有由硅构成的微机械结构(传感器芯)和分析处理电子装置。能够测量与传感器芯的主平面正交的方向上的加速度的传感器芯被称为z传感器。这种传感器使用在机动车领域(例如ESP系统)中或消费领域(例如移动电话)中。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于运行微机械z加速度传感器的改善的方法。
根据第一方面，以一种用于运行微机械z加速度传感器的方法解决所述任务，所述方法具有以下步骤：
将测试信号施加到电极上以用于在z加速度传感器运行中产生z加速度传感器的双臂杆的限定的偏转；
检测双臂杆的偏转并且将偏转换算成加速度值；
通过求取所检测的加速度值与在制造过程中检测初始加速度值之间的差来分析处理所检测的加速度值，其中，将所检测的加速度值(B1)与初始加速度值之间的差与所限定的阈值进行比较并且评估所检测的加速度值(B1)与初始加速度值之间的差。
以这种方式，借助对场中的加速度值的检测和分析处理以及加速度值与初始加速度值的比较可以实现，识别出现的电荷漂移。其原因可以在于：由于电荷漂移走，随着时间的推移生成改变的加速度值，所述改变的加速度值作为加速度值的偏置起作用。有利地能够以不同的方式使用识别到的电荷漂移。以这种方式，可以有利地考虑z加速度传感器的设计参数。有利地，该方法可以针对全部传感器家族或者说针对传感器的类型进行分类。
根据第二方面，以一种微机械z加速度传感器解决所述任务，所述微机械z加速度传感器具有：
用于求取加速度传感器的加速度值的求取设备；
与求取设备功能性连接的识别设备，该识别设备构造用于识别并且评估初始加速度值与在z加速度传感器运行中检测的加速度值之间的差。
根据本发明的方法的和根据本发明的z加速度传感器的优选实施方式是本发明的主题。
所述方法的一种有利的扩展方案的特征在于，在限定的时间区间之后重复检测加速度值。以这种方式，在检测加速度值期间，在很大程度上排除或至少减少干扰的影响。
所述方法的一种有利的扩展方案设置，求取在未施加测试信号的情况下检测的加速度值与在施加测试信号的情况下检测的加速度值之间的关联，其中，所述关联具有以下数学函数：
偏置漂移＝C0+C1*(B1-B0)
C0，C1......根据设计特有(designspezifisch)的系数
其中，使用所述关联用于修正在z加速度传感器运行中求取的加速度值(B1)。由此，加速度值的修正尤其可以用于在消费电子例如手机、平板电脑、游戏机等中z加速度传感器的对安全性不关键的应用。
所述方法的一种有利的扩展方案设置，借助计算机程序产品控制测试信号以及用于识别和修正z加速度传感器的偏置漂移的算法。以这种方式可以有利地实现，以简单的方式实施和改动所述方法。
微机械z加速度传感器的一种有利的扩展方案的特征在于，为了修正加速度值偏置漂移，初始加速度值和根据设计特有的系数存储在z加速度传感器的存储器中。以这种方式有利地提供用于存储初始加速度值的可简单地实现的可能性。
微机械z加速度传感器的另一种有利的扩展方案的特征在于，借助修正设备可以修正加速度值。以这种方式可以修正加速度传感器运行中的电荷漂移的影响，由此支持具有z加速度传感器的终端设备的舒适运行。
附图说明
以下以其他特征和优点借助多个附图详细描述本发明。在此，所描述的所有特征自己或以任意组合构成本发明的主题，与在说明书或在附图中的示出无关以及与专利权利要求或其引用关系中的总结无关。附图不一定按比例绘制。
公开的方法特征类似地从相应的公开的装置特征中得出，反之亦然。在尤其意味着，用于运行微机械z加速度传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式从涉及微机械z加速度传感器的相应的实施方案、特征和优点中得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1一种微机械z加速度传感器的原理性的图示；
图2具有图形显示的有效路径假设的用于示出电荷漂移的柱状图；
图3 z加速度传感器在调准过程之后且在永久应力(Lebensdauerstress)之前的加速度值的原理性图示；
图4图3的z加速度传感器在永久应力之后的加速度值的原理性图示；
图5 z加速度传感器中识别电荷漂移的作用方式的原理性图示；
图6根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图；
图7所提出的微机械z加速度传感器的一种实施方式的方框图；
图8所提出的微机械z加速度传感器的另一种实施方式的方框图；
具体实施方式
本发明的核心构思在于，使微机械加速度传感器的z通道中的偏置漂移基于电荷漂移可识别。在此尤其有利的是，微机械z加速度传感器不必为此位于特别的位置或静止位置。
以下的描述涉及在当前消费加速度传感器(例如用于移动电话、平板电脑等)中所使用的分析处理方法。汽车的加速度传感器可能可以表现不同，其中，然而原理性的工作原理是和消费加速度传感器一样的。
电容性z加速度传感器通常通过从平面偏转来探测。为此设置的双臂杆结构在图1中的横剖面图中在原理上并且不按比例地示出。可看出具有在多晶硅平面中构造的双臂杆10的z加速度传感器100。双臂杆10借助在右边区域中构造的附加质量不对称地构造。
作为与双臂杆10的主平面正交作用的加速度(z方向上的垂直加速度)的结果，双臂杆10的结构可以基于两个双臂杆臂的不对称性而围绕扭转轴11扭转。在双臂杆10下面可看到传感器衬底20，在所述传感器衬底上布置有氧化物30。在氧化物30上存在电极40、41和42以用于实现微机械z加速度传感器100的电容性分析处理方案。
多个机械止挡元件(未示出)应该确保，双臂杆结构在过载情况下在限定的点止挡在衬底上，并且应该防止，双臂杆10在侧面加速度过载情况下达到或超出临界偏转。通过双臂杆10的可动质量与位置固定的电极之间的电容的由间距引起的改变，将偏转转换成电信号。为此，在固定电极与可动质量之间施加电压脉冲。电压脉冲导致对双臂杆10的可动质量的附加静电力，所述附加静电力与所述电压的有效值的平方成比例，并且双臂杆10的该质量继续向固定电极的方向偏转(吸引力)。
借助电子分析处理设备(未示出)，通过对电极40、41、42上的电荷变化的检测和分析处理来探测双臂杆10的倾斜变化。以这种方式可以求取在z方向上作用在微机械z加速度传感器100上的垂直加速度。
由工艺引起(例如由于电化学沉积工艺引起)，在双臂杆10的表面上、因而则也在可动质量上存在电荷，表面电势相应于所述电荷。在将偏转转换为电信号时，由此使电压失真。只要所提及的表面电荷保持恒定，这就是没问题的。然而如果随着z加速度传感器100的运行时间而发生电荷漂移，则静电力也漂移，由此也引起双臂杆10的可动质量的附加偏转并且由此也引起z加速度传感器100的输出信号(“加速度信号”)。因此产生零点误差漂移(Offsetdrift，偏置漂移)，所述零点误差漂移的影响根据图2在柱状图中原理性地示出。
图2定性地示出微机械z加速度传感器中的电荷漂移的影响。在x轴上标度加速度B并且在y轴上标度z加速度传感器的数量A。在x轴上的两个虚线示出的阈值BS1、BS2限定z加速度传感器的加速度值的允许的界限。可以看出，一些z加速度传感器处在界限BS1、BS2之外，其中，由电荷漂移导致了这些z加速度传感器布置在界限BS1、BS2之外。
电测试信号主要用于对微机械z加速度传感器100的快速功能检查的第一线中，其中，借助通过测试信号所产生的静电附加力模拟作用于双臂杆10上的加速度。这例如如此通过电容转换的时钟模式(Taktschema)的变化实现，使得在一个相位中产生净力(Nettokraft)。这相当于大约几百mg到大约几g之间的加速度。该静电力也由于存在的表面电荷而失真。这又导致，在电荷漂移的情况下，传感器的被解释为加速度值的输出信号也相应地偏移。
所提及的偏置漂移在场中很难识别。与使用者无关的识别和修正仅可以借助复杂的算法(例如用传统的例如从DE 10 2009 029 216中已知的卡尔曼滤波器)实现，因此仅能非常受限地实现。如果偏置漂移归因于电荷漂移，则基于上面所示出的相互关系得出以下所描述的识别和修正可能性。
这在原理上根据图3至图5以无量纲的值说明。
图3示出在许多z加速度传感器上在永久应力作用之前的加速度值的分布，其中，在x轴上无量纲地标度测试信号TS。在具有无量纲标度的加速度B的y轴上可以看出上界限BS2和下界限BS1，所述上界限和下界限相应于图2的界限，微机械z加速度传感器的加速度的允许值允许处在所述界限之间。可以看出，所有z加速度传感器的加速度值布置在界限BS1与BS2之间，也就是说所有z加速度传感器位于允许的范围内。
图4示出图3的z加速度传感器在永久应力(例如由于温度影响、变化的周围环境条件等)作用之后的加速度值的分布，所述永久应力基于一些在z加速度传感器中基于电荷漂移导致了，加速度值处在允许的界限或者说边界值BS1、BS2之外(图4的下部区域)。结果，这些加速度传感器的加速度值漂移大约几百mg，由此生成了不期望的加速度值偏置。
图5定性地示出加速度值的漂移，在z加速度传感器在没有永久应力的状态与z加速度传感器在有永久应力的状态之间发生了所述加速度值的漂移，其中，在图5的左下部区域中布置有发生了电荷漂移的z加速度传感器，由此，作为后果，加速度值漂移。结果，由此可以辨识可清楚识别的“差的、漂移的”z加速度传感器群组(图5左下)，所述“差的、漂移的”z加速度传感器可以清楚地与“好的、未漂移的”z加速度传感器参考群组(图5右上)区分。
这种表现可以在场中在z加速度传感器上使用，用于识别加速度的偏置漂移。为此设置以下步骤：
首先，在第一时刻(在由制造者调准传感器时，或在将z加速度传感器安装到应用设备或终端设备中时)在测试信号激活的情况下执行初始加速度值B0的求取。这优选在流水线末端(Bandende)上实现，并且这相应于z加速度传感器的第一加速度值B0的初始调准和检测。
然后，将所检测的初始加速度值B0储存或存储在微机械z加速度传感器100的存储区域中。替代地，也可以将初始加速度值B0存储在安装有z加速度传感器的应用设备中。
在微机械z加速度传感器100正常运行期间，在所限定的时间区间中施加所提及的电测试信号，以用于求取在正常运行中的加速度值B1。
在此，分别执行所求取的加速度值B1与初始检测的加速度值B0的比较。比较例如根据所限定的阈值进行，所述比较确定：发生了还是没发生电荷漂移。
最后，在超出所提及的阈值时识别到：发生了电荷漂移，其中，在超出阈值的情况下识别到加速度值的偏置。
在所述方法的有利的变型方案中，为了在测量加速度值B1期间排除干扰(例如由于应用设备的运动)而设置，多次重复测量或也调制所述测量。有利地可以设置，直接在用于应用设备的系统的该z加速度传感器100的驱动器中运行该探测算法或者在z加速度传感器100中存在的微处理器中运行该探测算法。还可以也设置显著性测试，所述显著性测试为了将加速度值B1与所存储的初始值B0之间的差与阈值进行比较而附加地考虑当前测量的环境中的测量值的常见波动。
结果，以这种方式可以有利地实现，识别在z加速度传感器中出现的电荷漂移。
在所述方法的一种有利的扩展方案中可以实现，尤其在对安全性不关键的应用中，修正所识别的电荷漂移。在此，例如在消费领域(例如用于手机、平板电脑等)中的加速度传感器的应用中有用的是，如此进行电荷漂移的修正，使得将所识别的电荷漂移换算为z轴加速度值的变化。以这种方式，有利地不需要更换移动终端设备或承受维修过程。
所描述的加速度值B0与B1的差和通过电荷漂移所造成的偏置漂移是彼此关联的。所提及的参量之间的关系对存在的传感器设计方案(例如电压、几何形状等)是特有的。所述关联尤其可以具有简单的线性形式：
偏置漂移＝C0+C1*(B1-B0)，
所述形式具有两个根据设计特有的系数C0和C1。可以使用该关联用于求取特性曲线，特性曲线的系数可以储存在z加速度传感器自身中或在使用者的系统中并且可以被用于加速度值的漂移的修正。通过对多个传感器的适当试验在开发过程的范围内求取系数C0、C1。
为了加速度值的漂移的所提及的修正而设置以下步骤：
首先在将z加速度传感器安装到应用设备中时施加电测试信号TS，并且测量初始加速度值B0。
然后，将初始加速度值B0存储在应用设备中或z加速度传感器100的存储器(例如ASIC)中。
然后进行根据设计特有的特性曲线参数在应用设备中或z加速度传感器中的存储。
在z加速度传感器正常运行期间以限定的间隔进行测试信号TS的施加。
然后借助所提及的特性曲线实现求取加速度值的估计的漂移。
最后以所求取的偏置值修正z加速度传感器的输出加速度值。
图6示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。
在步骤200中，执行将测试信号施加到电极42上以用于在z加速度传感器100运行中产生z加速度传感器100的双臂杆10的限定的偏转。
在步骤210中，执行对双臂杆10的偏转的检测并且将偏转换算为加速度值B1。
在步骤220中，通过求取所检测的z轴加速度值B1与在制造过程中检测到的初始加速度值B0之间的差来执行加速度值B1的分析处理。
图7示出微机械z加速度传感器100的一种实施方式的方框图。可看出求取设备50，所述求取设备与识别设备60功能性地连接。借助求取设备50求取z加速度传感器的加速度值。借助识别设备60识别初始加速度值B0与在z加速度传感器运行中检测的加速度值B1之间的差。
优选借助在计算单元上运行的软件来控制测试信号以及用于识别和修正z加速度传感器的偏置漂移的算法。在此，计算单元例如布置在识别设备60或上级单元(未示出)中。所提及的关联的参数优选储存在z加速度传感器的存储器(未示出)中。
图8示出z加速度传感器100的另一种有利的实施方式，所述实施方式与图7的实施方式的区别只在于，在这种情况下也设置有修正设备70以用于执行加速度值的以上所提及的修正。
总之，本发明提供一种用于运行微机械z加速度传感器的改善的方法，以该方法能够实现识别制造过程中发生的电荷漂移。通过识别电荷漂移可以采取合适的措施，以便在z加速度传感器运行中考虑识别到的电荷漂移。
虽然本发明根据具体的实施方式来说明，然而本发明不限于此。本领域人员可以看出，在不偏离本发明的核心的情况下，可以实现多样的变化，先前未描述或仅部分描述所述变化。

Claims (8)

1.一种用于运行微机械z加速度传感器(100)的方法，该方法具有以下步骤：
将测试信号施加到电极(42)上用于在所述z加速度传感器(100)运行中产生所述z加速度传感器(100)的双臂杆(10)的限定的偏转；
检测所述双臂杆(10)的偏转并且将所述偏转换算成加速度值(B1)；
通过求取所检测的加速度值(B1)与在制造过程中检测的初始加速度值(B0)之间的差，分析处理所检测的加速度值(B1)，其中，将所检测的加速度值(B1)与所述初始加速度值(B0)之间的差与限定的阈值进行比较并且评估所检测的加速度值(B1)与所述初始加速度值(B0)之间的差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在限定的时间区间之后重复检测所述加速度值(B1)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，求取在未施加测试信号的情况下检测的加速度值与在施加的测试信号的情况下检测的加速度值之间的关联，其中，所述关联具有以下数学函数：
偏置漂移＝C0+C1*(B1-B0)
C0，C1......根据设计特有的系数
其中，使用所述关联用于修正在z加速度传感器(100)的运行中求取的加速度值(B1)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，借助计算机程序产品控制所述测试信号以及用于识别和修正所述z加速度传感器的偏置漂移的算法。
5.一种微机械z加速度传感器(100)，其具有：
用于求取所述z加速度传感器(100)的加速度值(B0，B1)的求取设备(50)；
与所述求取设备(50)功能性连接的识别设备(60)构造用于，识别并且评估初始加速度值(B0)与在所述z加速度传感器(100)运行中检测的加速度值(B1)之间的差。
6.根据权利要求5所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，为了修正所述加速度值偏置漂移，所述初始加速度值(B0)和根据设计特有的系数(C0，C1)存储在所述z加速度传感器(100)的存储器中
7.根据权利要求5或6所述的微机械z加速度传感器(100)，其特征在于，借助修正设备(70)能够修正所述加速度值(B1)。
8.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品用于当所述计算机程序产品在控制设备(50，60)上运行时或在计算机可读的数据载体上存储时实施根据权利要求1至4中任一项所述的所述方法。
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