CN115014386A - 用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器系统 - Google Patents

用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115014386A
CN115014386A CN202210208339.5A CN202210208339A CN115014386A CN 115014386 A CN115014386 A CN 115014386A CN 202210208339 A CN202210208339 A CN 202210208339A CN 115014386 A CN115014386 A CN 115014386A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor system
sensor
change
parameter
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210208339.5A
Other languages
English (en)
Inventor
F·德劳茨
P·米诺蒂
C·尤尔格沙特
A·佐尔格
M·席布尔德
N·克尔特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of CN115014386A publication Critical patent/CN115014386A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5726—Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2228/00—Functional characteristics, e.g. variability, frequency-dependence
    • F16F2228/04—Frequency effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2228/00—Functional characteristics, e.g. variability, frequency-dependence
    • F16F2228/06—Stiffness
    • F16F2228/066—Variable stiffness
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/0017—Calibrating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/08—Sensor arrangement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

提出一种用于确定、测量和/或监测传感器系统的特性的方法，在该方法中，‑在第一步骤中，如此进行传感器系统的至少一个系统参数的受控的改变，使得系统参数在受控的改变之前具有第一值，并且通过受控的改变采用至少一个其他的值，‑在第二步骤中，针对系统参数的至少一个其他的值，确定传感器系统的至少一个特征参量和/或传感器系统的至少一个特征参量的改变，‑在第三步骤中，基于系统参数的至少一个其他的值和在第二步骤中确定的至少一个特征参量和/或至少一个特征参量的改变，确定、测量和/或监测传感器系统的特性。还提出一种传感器系统，尤其是微电机传感器系统，传感器系统具有用于实施方法的控制与分析处理单元。

Description

用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器 系统
技术领域
本发明基于一种用于确定、测量和/或监测传感器系统的特性的方法。
背景技术
在传感器系统中实现所需精度和准确度的常见方法是所谓的末端调整(Endabgleich)(或生产线末端校准，End-of-Line-Kalibrierung)，所述末端调整直接在制造过程之后执行。在此，例如通过以下方式来确定与期望性能的偏差：确定针对参考刺激的传感器响应(在惯性传感器的情况下，例如是固定地预给定的外部加速度或转速)并将其与相关的目标值进行比较。在此，检查传感器的特性，并且必要时通过随后的修整(Trimmen)来确保达到所需的准确度。
类似的检查可以在传感器的整个使用寿命期间重复执行。然而，为了避免由于传感器为此必须暴露于限定的参考刺激而产生的附加开销，这种自校准通常基于测试信号的使用。如此，例如，由US 9,834,438 B2已知一种校准方法，其中产生电子刺激信号，并且随后通过与期望值进行比较来计算新的修整值。此外，由DE 10 2018 207 573 A1已知一种用于借助限定的测试信号来重新校准传感器的方法，其中，传感器信号的校正基于事前确定的相互关系取决于对测试信号的传感器响应来进行。
除了附加的用于产生测试信号的开销以外，所有这种方法还具有如下缺点：所述方法此外还容易受到与测试信号的产生相关的误差的影响。通常，例如，传感器由于使用条件或者还有随时间的老化效应而经历的改变不仅影响应校准的传感器特性，而且影响为此使用的测试信号的产生。一般来说，不能明显地区分这些影响，由此限制自校准的可实现的准确度和稳健性。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是提供一种在没有参考刺激或测试信号的情况下能够实现的方法。
根据本发明的方法相对于现有技术具有如下优点：能够仅基于系统参数的专用改变和传感器响应的相应处理来确定或检查传感器特性，而为此无需外部的参考刺激或测试信号。通过改变系统参数，例如传感器的运行参数、一个或多个控制信号等，以有针对性的方式影响或设置传感器的状态，并且基于一个或多个特征参量来量化以这种方式引起的状态改变。参数的改变在此以先前确定的、可重复的方式和方法进行，从而能够通过参数改变对特征参量的影响来推断出传感器特性。这种方案不仅可以用于传感器的自校准，而且可以用于测量、辨识和/或监测传感器的特性，而不必为此将传感器从其运行环境中取出。
根据本发明的概念基于以下：至少一个系统参数除了其原始的、不受影响的值之外还采用至少一个其他的值，并且对传感器系统的影响可以通过至少一个特征参量来确定。然而，一般来说，该方法允许更普遍的构型，其中逐级地改变多个参数，并且分别确定多个特征参量。形式上看，该方案可以描述如下：传感器系统具有一个或多个参数Pi，i＝1，...，n，所述参数可以以确定的方式和方法改变并且尤其可以分别采用不同的值Pi(Wj)，j＝1，...，ni。在执行该方法之前，参数具有初始值Pi(W1)，并且然后逐步地采用不同于Pi(W1)的一个或多个值Pi(W1)→Pi(Wj)，j＝2，...，ni。在此，在每个步骤中，针对系统参数的每个值或值的组合，确定系统的一个或多个特征参量Ck，k＝1，...，m，从而得到数据集
Figure BDA0003532098590000021
该数据集包含第k个特征参量Ck的相应的值，该值在系统参数Pi的改变Pi(W1)→Pi(Wj)后得出。由此产生数据集
Figure BDA0003532098590000022
该数据集使得能够基于所基于的物理理解或合适的经验性的相互关系来确定或估计传感器的某些特性E，
Figure BDA0003532098590000023
该方法可以在任何时刻tl，l＝1，...，o重复，此外，能够设想在末端调整后第一次执行，在调试后再次执行，并且此后在传感器的使用寿命期间定期执行。由此产生数据集
Figure BDA0003532098590000024
该数据集不仅允许确定传感器在不同时刻tl的特性，而且允许确定在不同时刻
Figure BDA0003532098590000031
之间的特性的改变
Figure BDA0003532098590000032
Figure BDA0003532098590000033
并将其用于传感器系统在其使用寿命期间的监测、诊断和自校准。
这种一般性的概念在此允许多个特定的构型，其在下文中进行描述。
首先，要简要地基于不同参量的参数集进一步说明该方法。在一种简单的情况中，可以以三个不同的值P(Wj)，j＝1，2，3来仅改变单个的系统参数，并且可以确定单个的特征传感器参量C。然后，在执行该方法时，该特征传感器参量在任何时刻tl采用三个不同的值C(tl)1、C(tl)2、C(tl)3。在分别具有两个不同的可能值的两个改变的系统参数Pi(Wj)i＝1，2，j1，2＝1，2并且同样两个所采用的特征传感器参量Ckk＝1，2的情况下，在任何时刻tl，执行该方法将总共得到多达八个(取决于改变的组合)不同的值的数据集：C1(tl)1，1，C1(tl)2，1，C1(tl)1，2，C1(tl)2，2和C2(tl)1，1，C2(tl)2，1，C2(tl)1，2，C2(tl)2，2。
根据根据本发明的方法的一种构型，在第三步骤中确定传感器系统的特性相对于参考状态的改变，其中，参考状态尤其是在传感器系统的制造之后的末端调整中确定。以这种方式，该方法可以用于确定在时刻t1传感器系统的特性相对于参考状态的改变(参见图3)
Figure BDA0003532098590000034
根据另一构型，在跟随第三步骤的步骤中，改变至少一个传感器参数，其中，传感器参数的改变尤其引起传感器系统的测量信号的校正。以这种方式，在跟随第三步骤的步骤中可以以对一个或多个传感器参数进行有针对性的改变Pi(W1)→Pi(Wji)，其目的是校正改变的传感器特性
Figure BDA0003532098590000035
在此，一个典型应用例如将是对传感器系统的灵敏度执行定期的自校准，以便实现在整个使用寿命上尽可能恒定的准确度(参见图3)。
另一构型设置，在第三步骤中，执行在第二步骤中确定的、传感器系统的特征参量和/或至少一个特征参量的改变与阈值的比较，其中，尤其在跟随其后的步骤中产生传感器响应。该构型(参见图4)包含将在时刻tl求取的特征参量与定义的阈值进行比较。在此，一个可考虑的应用将是监控传感器系统的正确的功能能力，并在不再是可接受的偏差时向用户触发合适的消息。
根据一种构型，传感器具有可运动结构，该可运动结构如此构型，使得通过作用在可运动结构上的物理刺激，尤其是惯性力或气压或液压，引起可运动结构在探测方向上的偏移(Auslenkung)，其中，在第一步骤中以受控方式改变的系统参数直接影响通过物理刺激产生的偏移和/或由传感器系统读出的测量信号。
根据一种构型，改变的系统参数是在可运动结构与读出结构之间施加的电势，尤其是在传感器系统的衬底固定的(substratfest)电极与可运动结构之间施加的电极电压。衬底固定的电极优选为探测电极，即通过可运动结构与电极之间的电容改变来探测可运动结构在探测方向上的偏移的电极。
根据一种构型，改变的系统参数是传感器系统的运行温度，其中，运行温度的改变尤其通过传感器系统的或传感器系统的部分的、尤其是分析处理电子器件的运行模式的有针对性的改变来进行。
根据一种构型，在第二步骤中确定的特征参量对应于在没有外部物理刺激情况下的测量信号。
根据一种构型，传感器系统是转速传感器并且具有可运动结构，该可运动结构如此构型，使得能够激励该可运动结构以进行驱动运动，其中，驱动运动沿着与探测方向不同的驱动方向运行。尤其地，传感器系统可以涉及转速传感器，其中驱动电路通过开放式调节回路(Open-Loop-System，开环系统)实现。根据一种优选的实施方式，在该构型中至少一个系统参数是电极电压，尤其是在衬底固定的探测电极上施加的电压。在振动质量(Masse)与探测电极之间施加的电压VCM的改变对机械放大Gy/F(即对探测偏移与科里奥利力的比率)产生强烈影响，尤其是因为该静电调谐通过在电极与质量之间的弹簧常数的改变而影响探测振动的固有频率。因此，机械放大是电极电压的函数：
Gy/F＝f(VCM)。
现在能够通过以下方式来确定或估计诸如探测灵敏度之类的传感器特性：逐步地改变电极电压VCM并针对这些改变中的每个改变测量传感器的响应。尤其地，探测灵敏度的改变导致响应函数f(VCM)的曲率的改变，从而通过曲率能够推断出探测灵敏度。通过确定响应函数并将其与存储的变化过程、例如与制造过程结束时在最后的修整之后的状态对应的变化过程进行比较，能够以这种方式确定或估计灵敏度漂移，并且借此推导实际灵敏度并相应地进行校正。在该意义上，通过传感器参数VCM的改变而获得的响应函数的变化过程用作一种“指纹(Fingerabdruck)”，从中可以获得关于探测灵敏度的情况说明。为此应该注意的是，对于该方案的应用，除了响应函数本身之外，通常还需要其他分析性的参数和经验性的参数，所述参数尤其可能取决于传感器的设计及其运行条件。通过应用该方法，除了探测灵敏度之外还能够推导其他系统参量。用于确定探测灵敏度或其漂移的方法表示一种自校准，在该自校准中确定相对于期望性能的偏差，即，例如相对于传感器状态的偏差，该状态通过制造过程中的最后的修整((final trim)产生。
替代地，还可以设想，电压VCM保持恒定并且替代于此地改变在与ASIC读出电路连接的对电极(Gegenelektroden)上施加的电势VC。尤其地，不同的对电极或对电极的不同相位可以占据不同的电势VCP≠VCN并且独立地改变。
根据一种构型，改变的系统参数是可运动结构的振动幅度。
根据一种构型，在第二步骤中确定的特征参量是可运动结构的探测振动相对于可运动结构的驱动振动的相位位置(Phasenlage)。
根据一种构型，探测方向上的偏移和驱动运动如此耦合，使得驱动运动引起与驱动运动同相的正交偏移，其中，传感器系统的特征参量是正交值。在此特别优选的是，相关的系统参数是电极电压。下面简要概述在使用正交值和电极电压以用于传感器的“指纹”时可能发挥作用的分析性的考量(analytische
Figure BDA0003532098590000051
)。作为电极电压VCM的函数的正交(Quadratur)Q(VCM)由不同传感器特性组成，所述传感器特性分别要么取决于电极电压，要么独立于电极电压。在此重要相关的参量是机械增益Gy/F(用于科里奥利力与探测方向上的偏移之间的关系)和刚度Kxy，其将驱动运动和探测运动(x和y)彼此耦合(这也可以取决于电极电压VCM，如果涉及通过合适的正交电极的静电耦合)
Q(VCM)～Kxy(VCM)·Gy/F(VCM)。
正交还包含其他参量，例如也取决于电压的驱动方向上的偏移x(VCM)、电容放大GC/y(在探测方向上的偏移与电容改变之间)以及C/V转换器的和ASIC的放大GC/V和GASIC。然而，电极电压的改变对x(VCM)和GC/V(VCM)的影响相互抵消，并且剩下的因数可以近似地视为恒定。基于Kxy(VCM)和Gy/F(VCM)中剩余的相关性
Figure BDA0003532098590000061
可以得出Q和VCM之间的分析性的相互关系，该相互关系可以在该方法的不同实施方式中加以充分利用。
根据一种构型设置，在第三步骤中，基于在第二步骤中确定的、传感器系统的特征参量和/或至少一个特征参量的改变产生至少两个数据点，其中，借助补偿计算(Ausgleichsrechnung)将模型函数匹配于数据点，其中，该模型函数包含至少一个模型参数，通过补偿计算将该模型参数确定为一个值，其中，对传感器系统的特性的确定、测量和/或监测基于模型参数的该值进行。在此，尤其地，模型函数的选择可以基于一个系统参数(或多个系统参数)与一个特征参量(或多个特征参量)之间的相互关系的知识。这种相互关系例如可以基于传感器系统的物理理解、经验性的结果或两者的组合。尤其地，这种相互关系能够通过取决于模型参数的数学模型来表示，其中，模型参数又能够基于数据点通过补偿计算(拟合)确定为确定的值，并能够用于根据本发明的方法。如果在此感兴趣的不是特征参量的绝对值，而是该值随时间的改变(漂移)，则可以首先在系统的已知状态下执行参数改变，例如在制造结束时的最后的调整中，或者在针对确定应用的初始化或安装期间。然后，反映特征参量与系统参数之间这种特征相互关系的数据可以例如以适当的方式和方法存储。然后，在传感器的使用寿命期间，可以应用类似的方法(自校准)，并且可以通过与所存储的数据的比较来确定传感器特性的漂移。
优选地，系统参数是电极电压并且数据点由正交值的倒数和相关的电极电压形成。尤其地，数据点可以通过二次函数进行匹配，其中，二次函数尤其具有两个模型参数，所述模型参数通过补偿计算由多个数据点来求取。在根据本发明的方法的该实施方式中，对于“指纹”的确定，例如可以假设：刚度Kxy仅微弱地取决于电极电压VCM，并且因此可以估算为恒定的。因此，正交仅通过放大G(VCM)取决于电压。在下文中不再包括指数Gy/F，因为在公式中，除了机械放大之外，没有其他放大出现。正交尤其理解为正交信号的幅度。对于正交能够近似地推导出以下相互关系：
Figure BDA0003532098590000071
该函数公式表示用于正交与电极电压的相关性的双参数模型。两个模型参数α和β可以通过补偿计算来确定，尤其是通过以下方式：通过二次函数
Figure BDA0003532098590000072
来拟合倒数值1/Q(VCM)。参数α、β表征G(VCM)的变化过程，并且因此对探测灵敏度的改变尤其敏感。由此产生如下可能性：推断探测灵敏度的改变，并且例如通过经验性的或分析性的相互关系来对其进行计算(参见下文)。
根据一种构型，在可运动结构与衬底固定的第一正交电极之间施加第一正交电压，并且随后在可运动结构与衬底固定的第二正交电极之间施加第二正交电压，其中，改变的系统参数是探测电极上的另一电压，并且特征参量是通过正交电压引起的、取决于探测电极上的另一电压的、正交值的改变。尤其地，数据点通过由第一正交电压引起的正交和由第二正交电压引起的正交之差形成，其中，数据点尤其通过具有两个模型参数的函数来匹配。正交电极对于本领域技术人员而言基本上由现有技术已知。在此，涉及附加的衬底固定的电极，该衬底固定的电极可以补偿由机械正交效应引起的、探测方向上的不期望的偏移。例如，为此可以通过解调来分离相对于测量信号相移的正交信号，并且可以如此调节正交电极上的电压，使得正交信号最小化。通常，转速传感器为此具有两个正交电极，并且两个正交电压例如差分地应用到两个电极上。在根据本发明的方法的本实施方式中，首先将第一正交电压VQP施加到第一正交电极上，并确定由此引起的正交信号的幅度Q(VQP)。随后，再次将第一正交电压置为零，将第二正交电压VQN施加到第二正交电极上，并确定由此产生的正交信号的幅度Q(VQN)。对于探测电极上的逐步改变的电压VCM的每个值，确定两个正交的差Qdiff＝Q(VQP)-Q(VQN)，并得到数据点，该数据点随后用作系统的“指纹”并且可以考虑用于确定探测灵敏度。以这种方式，尤其是还能够考虑到刚度Kxy(VCM)与电压VCM的相关性，该相关性在上面描述的实施方式中被忽略。在此可以假设，刚度Kxy取决于差VCM-VQP/QN。尤其地，这种相互关系可以借助Kxy～(VCM-VQP/QN)2二次幂地描述，其中，比例因数通过正交电极的补偿能力(quadrature compensation capability，正交补偿能力)给出。替代地，该相互关系也可以通过线性的关系Kxy～VCM-VQP/QN表达。为了考虑到该附加的影响，可以使用以下相关性进行拟合：
Figure BDA0003532098590000081
在刚度恒定的情况下，Q(VCM)的表达式也由该公式的右侧(对于选择k＝0)得出。在此也可以考虑使用更高的幂k＞2来进行匹配。
根据一种特别优选的实施方式，基于参考模型参数和借助补偿计算确定的模型参数来确定传感器特性的改变、尤其是探测灵敏度的漂移，其中，参考模型参数优选对应于参考状态中的数据点的变化过程，并且参考状态特别优选地是在制造转速传感器之后的生产线末端校准中确定的。优选地，通过自校准(self calibration)确定的灵敏度SSC与在制造过程中通过最后的修整(final trim)产生的灵敏度SFT的比率SSC/SFT借助以下表达式确定：
Figure BDA0003532098590000082
在此，αSC和βSC表示借助自校准确定的、模型参数α和β的值，αFT和βFT表示末端调整后的值。此外，
Figure BDA0003532098590000083
表示电极电压的参考值，λ是由传感器设计和传感器运行的特定细节确定的附加参数。附加地，借助该方法确定的模型参数可以用于进一步改善对漂移的估计，或在自校准的时刻获得关于传感器特性的其他信息(或其相对于参考状态的改变)。
根据一种构型，系统参数是施加在衬底固定的探测电极上的电压，并且特征参量是由该电压引起的、正交值的改变，其中，施加在探测电极上的电压尤其具有至少两个相位，并且通过两个相位中的一个相位或两个相位的变化引起正交值的改变。
本发明的另一主题是具有控制与分析处理单元的传感器系统，尤其是微电机传感器系统，其中，控制与分析处理单元配置用于实施根据本发明的方法的步骤。借助根据本发明的传感器系统，能够实现与结合根据本发明的方法所描述的技术效果和优点相同的技术效果和优点。
根据根据本发明的传感器系统的一种构型，传感器系统具有用于改变系统参数的设备，并且控制单元配置用于，基于在第三步骤中求取的传感器系统的特性，通过该设备改变至少一个传感器参数。
附图说明
图1示出具有弹性支承质量的传感器系统的示意图，所述质量的偏移通过衬底固定的电极布置来测量。
图2示出根据本发明的方法的示意图。
图3示出传感器系统的自校准的示意图。
图4示出传感器特性的监测的示意图。
图5示出通过作为电极电压函数的正交的变化过程来确定灵敏度改变。
具体实施方式
在图1中示出构造为转速传感器的传感器系统1的示意图。该布置包括衬底40和振动质量2，该振动质量通过衬底固定的悬架44和弹簧布置3相对于衬底40可振动地支承。质量2可以在平行于衬底40的驱动方向41上被激励至振动。由于从外部施加的转速，速度相关的科里奥利力作用在质量2上，该科里奥利力引起在探测方向42上的附加的偏移。为了确定该偏移，该布置具有衬底固定的探测电极46，该探测电极与质量2一起形成电容系统，该电容系统的电容取决于质量3与电极46之间的间距，并且可以通过施加在质量2和电极46之间的电压VCM 5进行测量。电压5的改变影响系统1的静电特性，并且尤其更改质量2的静止位置以及恢复力与探测方向42上的偏移之间的相互关系。因此，通过电压5可以在探测方向上改变对可振动系统1的机电刚度的静电贡献(通过弹簧符号43表明)。通过该机制尤其能够有针对性地影响关于探测方向42的固有频率。通过逐步地改变电压5，可以将正交信号的特征变化过程Q(VCM)确定为电压5的函数，该变化过程可以用作系统的“指纹”并且尤其允许推断出探测灵敏度的改变。
在图2中示出根据本发明的方法10的示意图。在此，传感器系统1具有一个或多个参数Pi，i＝1，...，n，所述参数能够以固定的方法和方式改变并且尤其能够分别采用不同的值Pi(Wj)，j＝1，...，ni。在方法10的第一步骤11之前，参数具有初始值Pi(W1)并且然后在第一步骤11中如此改变，使得其采用一个或多个与Pi(W1)不同的值Pi(W1)→Pi(Wj)，J＝2，...，ni。在确定步骤12中，对于系统参数的每个值或值的组合，确定系统的一个或多个特征参量Ck，k＝1，...，m，从而得到数据集
Figure BDA0003532098590000101
该数据集包含第k个特征参量Ck的在系统参数Pi的改变Pi(W1)→Pi(Wj)后得到的相应的值。借助数据集
Figure BDA0003532098590000102
并基于所基于的物理理解或合适的经验性的相互关系，因此在步骤13中能够确定或估计传感器1的某些特性E
Figure BDA0003532098590000103
该方法可以在任意时刻tl，l＝1，...，o重复，此外，能够设想在末端调整后第一次执行、在调试后再次执行以及此后在传感器的使用寿命期间定期执行。由此产生数据集
Figure BDA0003532098590000104
该数据集不仅允许确定传感器1在不同时刻tl的特性，而且可以确定在不同时刻
Figure BDA0003532098590000105
之间的特性的改变
Figure BDA0003532098590000106
Figure BDA0003532098590000107
并用于在使用寿命期间监测、诊断和自校准传感器系统。
在图3中示出传感器1的自校准的流程。自校准涉及根据本发明的方法10的一种构型，其中，在第三步骤13中进行确定21传感器特性相对于参考状态的改变。在此，参考状态尤其可以在传感器系统1的制造之后的末端调整中确定。以这种方式，该方法可以用于确定在时刻t1传感器系统的特性相对于参考状态的改变
Figure BDA0003532098590000108
然后，在跟随第三步骤13的步骤22中，改变至少一个传感器参数，其中，该改变例如可以引起传感器系统的测量信号的校正。以这种方式，在步骤22中可以以对一个或多个传感器参数
Figure BDA0003532098590000109
进行有针对性的改变，其目的是校正改变的传感器特性
Figure BDA0003532098590000111
在此，一个典型应用例如将是对传感器系统1的灵敏度执行定期自校准，以便实现在整个使用寿命上尽可能恒定的准确度。
在图4中示出对传感器系统1的监测作为根据本发明的方法10的另一构型。为了监测传感器特性，在第三步骤13中执行比较31，其中，将特征参量在时刻tl的值(或该参量相对于参考状态的改变)与阈值进行比较。在比较31中，检查特征参量是低于还是高于阈值
Figure BDA0003532098590000112
或
Figure BDA0003532098590000113
根据所述比较31，然后在随后的步骤32中产生传感器响应：
Figure BDA0003532098590000114
在此，一个可考虑的应用将是监测传感器系统的正确的功能能力，并在不再是可接受的偏差的情况下向用户触发合适的消息。
图5示出借助作为电极电压VCM的函数的正交来确定灵敏度改变。在下方的图中，纵轴51对应于正交的所测量的相对改变，而在上方的图中，纵轴52对应于探测灵敏度的由此确定的相对偏差。在这两种情况下，在相应的水平轴50上绘制电极电压VCM。在自校准的范畴中，对电极电压5执行逐步的改变，并且通过对相关正交值的测量得到所示出的数据点53，该数据点反映作为电压5的函数的正交的相对改变的变化过程54。由于相应的相互关系对传感器的改变、尤其是对探测灵敏度的漂移敏感地作出反应，变化过程54可以用作一种方式“指纹”，从中能够读出灵敏度的漂移。在所示的情况下，通过将参考曲线54与在制造过程的最终校准中确定的曲线55进行比较，得出轻微的改变，所述改变尤其表现在相关切线57和56的斜率的差异上。在上方的图中再次绘制出探测灵敏度与参考值的相对偏差(与参考曲线54相关的值因此恒定为零并且与水平轴重合)。灵敏度58与59之间的差异与下方的图中的不同切线斜率相关，从而通过自校准确定的“指纹”能够用于估计灵敏度漂移。

Claims (18)

1.一种用于确定、测量和/或监测传感器系统(1)的特性的方法(10)，其特征在于，
-在第一步骤(11)中，如此进行所述传感器系统(1)的至少一个系统参数的受控的改变，使得所述系统参数在所述受控的改变之前具有第一值，并且通过所述受控的改变采用至少一个其他的值，
-在第二步骤(12)中，针对所述系统参数的至少一个其他的值，确定所述传感器系统(1)的至少一个特征参量和/或所述传感器系统(1)的至少一个特征参量的改变，
-在第三步骤(13)中，基于所述系统参数的至少一个其他的值和在所述第二步骤中确定的所述至少一个特征参量和/或所述至少一个特征参量的改变，确定、测量和/或监测所述传感器系统(1)的特性。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中，在所述第三步骤(13)中确定所述传感器系统的特性相对于参考状态的改变，其中，尤其在所述传感器系统的制造之后的末端调整时确定所述参考状态。
3.根据权利要求2所述的方法(10)，其中，在跟随所述第三步骤(13)的步骤(22)中，改变至少一个传感器参数，其中，所述传感器参数的改变尤其引起对所述传感器系统(1)的测量信号的校正。
4.根据权利要求1所述的方法(10)，其中，在所述第三步骤(13)中，执行在所述第二步骤中确定的、所述传感器系统(1)的特征参量和/或所述至少一个特征参量的改变与阈值的比较，其中，尤其在跟随其后的步骤(32)中产生传感器响应。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，所述传感器(1)具有可运动结构(2)，所述可运动结构如此构型，使得通过作用在所述可运动结构(2)上的物理刺激、尤其是惯性力或气压或液压引起所述可运动结构(2)在探测方向(42)上的偏移，其中，在所述第一步骤(11)中以受控方式改变的系统参数直接影响通过所述物理刺激产生的偏移和/或由所述传感器系统(1)读出的测量信号。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，所述改变的系统参数是在所述可运动结构(2)与读出结构之间施加的电势，尤其是在所述传感器系统的衬底固定的电极(46)与所述可运动结构(2)之间施加的电极电压(5)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，所述改变的系统参数是所述传感器系统(1)的运行温度，其中，所述运行温度的所述改变尤其通过所述传感器系统(1)的或所述传感器系统(1)的部分的、尤其是分析处理电子器件的运行模式的有针对性的改变来进行。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，在所述第二步骤(12)中确定的特征参量对应于在没有外部物理刺激的情况下的测量信号。
9.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，所述传感器系统(1)是转速传感器并且具有可运动结构(2)，所述可运动结构如此构型，使得能够激励所述可运动结构进行驱动运动，其中，所述驱动运动沿着与所述探测方向(42)不同的驱动方向(43)运行。
10.根据权利要求9所述的方法(10)，其中，所述改变的系统参数是所述可运动结构(2)的振动幅度。
11.根据权利要求9所述的方法(10)，其中，在所述第二步骤(12)中确定的特征参量是所述可运动结构(2)的探测振动相对于所述可运动结构(2)的驱动振动的相位位置。
12.根据权利要求9所述的方法(10)，其中，探测方向(42)上的所述偏移和所述驱动运动如此耦合，使得所述驱动运动引起与所述驱动运动同相的正交偏移，其中，所述传感器系统(1)的所述特征参量是正交值。
13.根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，其中，在所述第三步骤(13)中，基于在所述第二步骤(12)中确定的、所述传感器系统(1)的特征参量和/或所述至少一个特征参量的改变产生至少两个数据点(53)，其中，借助补偿计算将模型函数匹配于所述数据点(53)，其中，所述模型函数包含至少一个模型参数，通过所述补偿计算将所述模型参数确定为一个值，其中，对所述传感器系统(1)的特性的确定、测量和/或监测基于所述模型参数的所述值进行。
14.根据权利要求12和13所述的方法(10)，其中，所述系统参数是电极电压(5)，并且所述数据点(53)通过所述正交值的倒数和相关的电极电压形成。
15.根据权利要求12和13所述的方法(10)，其中，在所述可运动结构(2)与衬底固定的第一正交电极之间施加第一正交电压，并且随后在所述可运动结构(2)与衬底固定的第二正交电极之间施加第二正交电压，其中，所述改变的系统参数是探测电极上的另一电压，并且所述特征参量是通过所述正交电压引起的、取决于所述探测电极上的所述另一电压的、所述正交值的改变。
16.根据权利要求12和13所述的方法(10)，其中，所述系统参数是施加在衬底固定的探测电极(46)上的电压(5)，并且所述特征参量是通过所述电压(5)引起的、所述正交值的改变，其中，施加在所述探测电极(46)上的电压(5)尤其具有至少两个相位，并且通过所述两个相位中的一个相位或两个相位的变化引起所述正交值的改变。
17.一种传感器系统(1)，尤其是微电机传感器系统，所述传感器系统具有控制与分析处理单元，其特征在于，所述控制与分析处理单元配置用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)的所述步骤(11，12，13)。
18.根据权利要求17所述的传感器系统(1)，其中，所述传感器系统(1)具有用于改变所述系统参数的设备，并且控制单元配置用于，基于在所述第三步骤(13)中求取的、所述传感器系统(1)的特性，通过所述设备改变至少一个传感器参数。
CN202210208339.5A 2020-03-25 2022-03-04 用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器系统 Pending CN115014386A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020203851 2020-03-25
DE102021202134.4A DE102021202134A1 (de) 2020-03-25 2021-03-05 Verfahren zur Bestimmung, Messung und/oder Überwachung von Eigenschaften eines Sensorsystems
DE102021202134.4 2021-03-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115014386A true CN115014386A (zh) 2022-09-06

Family

ID=77659024

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110319922.9A Pending CN113447672A (zh) 2020-03-25 2021-03-25 用于确定转速传感器的探测灵敏度的方法
CN202210208339.5A Pending CN115014386A (zh) 2020-03-25 2022-03-04 用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器系统

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110319922.9A Pending CN113447672A (zh) 2020-03-25 2021-03-25 用于确定转速传感器的探测灵敏度的方法

Country Status (3)

Country Link
US (2) US20210302163A1 (zh)
CN (2) CN113447672A (zh)
DE (2) DE102021202134A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021202134A1 (de) * 2020-03-25 2021-09-30 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Bestimmung, Messung und/oder Überwachung von Eigenschaften eines Sensorsystems
US11680798B2 (en) * 2020-08-24 2023-06-20 Invensense, Inc. Digital demodulator and complex compensator for MEMS gyroscope
DE102020213286A1 (de) * 2020-10-21 2022-04-21 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Bestimmung einer Phasenlage eines Drehratensignals oder eines Quadratursignals, Verfahren zur Anpassung einer Demodulationsphase und Drehratensensor
DE102021212327A1 (de) 2021-11-02 2023-05-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln dynamischer Parameter einer MEMS-Vorrichtung, und MEMS-Vorrichtung

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009000475B4 (de) * 2009-01-29 2023-07-27 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Quadraturkompensation
DE102009019318A1 (de) * 2009-04-30 2011-03-24 Continental Teves Ag & Co. Ohg Verfahren zum präzisen Messbetrieb eines mikromechanischen Drehratensensors
DE102009003217A1 (de) * 2009-05-19 2010-11-25 Robert Bosch Gmbh Selbsttest für Drehratensensoren
US9377483B2 (en) * 2010-03-17 2016-06-28 Continental Teves Ag & Co. Ohg Method for the decoupled control of the quadrature and the resonance frequency of a micro-mechanical gyroscope
EP2649458B1 (en) * 2010-12-07 2017-05-03 Georgia Tech Research Corporation Mode-matched single proof-mass dual-axis gyroscope and method of fabrication
CN103582607B (zh) * 2011-06-30 2017-05-17 惠普发展公司，有限责任合伙企业 Mems传感器的校准
FI125238B (en) * 2012-06-29 2015-07-31 Murata Manufacturing Co Improved vibration gyroscope
US20140074418A1 (en) * 2012-09-13 2014-03-13 Freescale Semiconductor, Inc. Method and system for calibrating an inertial sensor
DE102012219507B4 (de) * 2012-10-25 2024-10-02 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Abgleich von Drehratensensoren
US9221679B2 (en) * 2013-03-12 2015-12-29 Freescale Semiconductor, Inc. Compensation and calibration for MEMS devices
US9869552B2 (en) * 2015-03-20 2018-01-16 Analog Devices, Inc. Gyroscope that compensates for fluctuations in sensitivity
DE102015216806A1 (de) 2015-09-02 2017-03-02 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung
US10837796B2 (en) * 2018-03-06 2020-11-17 Apple Inc. Gyroscope sensitivity calibration
JP2019158476A (ja) * 2018-03-09 2019-09-19 セイコーエプソン株式会社 物理量センサーデバイス、物理量センサーデバイスを用いた傾斜計、慣性計測装置、構造物監視装置、及び移動体
DE102018207573A1 (de) * 2018-05-16 2019-11-21 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Re-Kalibrieren eines mikromechanischen Sensors und re-kalibrierbarer Sensor
EP3712560A3 (en) * 2018-10-16 2020-12-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Method and system for control and readout of tuning fork gyroscope
EP3879229B1 (en) * 2020-03-09 2023-06-14 Murata Manufacturing Co., Ltd. Mems gyroscope sensitivity compensation
DE102021202134A1 (de) * 2020-03-25 2021-09-30 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Bestimmung, Messung und/oder Überwachung von Eigenschaften eines Sensorsystems

Also Published As

Publication number Publication date
US20210302163A1 (en) 2021-09-30
DE102021202132A1 (de) 2021-09-30
CN113447672A (zh) 2021-09-28
US20220282971A1 (en) 2022-09-08
US12092461B2 (en) 2024-09-17
DE102021202134A1 (de) 2021-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115014386A (zh) 用于确定、测量和/或监测传感器系统特性的方法和传感器系统
US20140074418A1 (en) Method and system for calibrating an inertial sensor
US11467012B2 (en) Method for recalibrating a micromechanical sensor, and recalibrateable sensor
US9834438B2 (en) Compensation and calibration for MEMS devices
US20150268268A1 (en) Inertial sensor with trim capacitance and method of trimming offset
EP3722300B1 (en) Electro-mechanical miniaturized device for pressure measurements
US9335340B2 (en) MEMS parameter identification using modulated waveforms
CN110702141B (zh) 用于自检mems惯性传感器的方法和系统
CN109506639B (zh) 驱动电路、用于驱动mems陀螺仪的方法和对应的mems陀螺仪
US7543473B2 (en) Sensor self-test transfer standard
US9335396B2 (en) MCU-based compensation and calibration for MEMS devices
EP2955497B1 (en) Force sensor with compensation
CN108008152B (zh) 获取mems加速度计的寄生失配电容的方法及装置
JP2019505769A (ja) 補助自己試験機能を備えたジャイロスコープ
JP2009063471A (ja) センサ装置
US20150198628A1 (en) System and method for calibrating an inertial sensor
JP6218974B2 (ja) 加速度センサシステム、及び自己診断方法
US20170248629A1 (en) Method for operating a micromechanical z-accelerometer
US8833135B2 (en) Sensor system and method for calibrating a sensor system
US9390061B1 (en) Environmentally compensated capacitive sensor
JPH11258074A (ja) 静電容量型力学量検出装置
JP6684310B2 (ja) 端末およびシステム
CN116075696A (zh) 用于评估传感器的状态的方法以及传感器系统和用于运行传感器系统的方法
JP4831083B2 (ja) 物理量センサ
US20240200944A1 (en) Micromechanical rotation rate sensor comprising a sensor element and a method for operating a micromechanical rotation rate sensor comprising a sensor element

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination