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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drehratensensor mit einer seismischen Masse und mit Antriebsmitteln, welche eine Antriebsschwingung der seismischen Masse in einer ersten Richtung x bewirken. Der Drehratensensor weist Messmittel auf, welche eine Auslenkung der seismischen Masse in einer zweiten Richtung y messen, und ein Auslenkungssignal erzeugen. Die Auslenkung setzt sich dabei aus einer Messauslenkung infolge einer Corioliskraft und einer Störauslenkung zusammen, wobei die Störauslenkung zur Messauslenkung im Wesentlichen um 90° phasenverschoben ist. Zur Verminderung der Störauslenkung sind an der seismischen Masse Kompensationsmittel vorgesehen. Des Weiteren sind Mittel zur Regelung vorgesehen, denen das Auslenkungssignal als eine Eingangsgröße zugeführt wird und die aus dem Auslenkungssignal ein Störauslenkungssignal demodulieren.
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Es sind linear schwingende Vibrationsgyroskope allgemein bekannt. Bei diesen Drehratensensoren werden Teile der Sensorstruktur aktiv in eine Schwingung (Primärschwingung) in eine Richtung, d. h. in einer ersten Achse (x-Achse), versetzt. Bei einer äußeren Drehrate um eine ausgezeichnete sensitive Achse werden Corioliskräfte auf die schwingenden Teile ausgeübt. Diese (periodisch mit der Frequenz der Primärschwingung veränderlichen) Corioliskräfte bewirken Schwingungen von Teilen der Sensorstruktur (Sekundärschwingung) in einer zweiten Richtung bzw. zweiten Achse (y-Achse), die senkrecht zur x-Achse orientiert ist. An der Sensorstruktur sind Detektionsmittel angebracht, welche die Sekundärschwingung detektieren (Coriolis-Messeffekt).
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Bei der Auslegung der Drehratensensoren wird im Entwurf durch Wahl geeigneter Symmetrien ein ausgezeichnetes kartesisches Koordinatensystem K = (x, y) für die Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene vorgegeben. Die Massen- und Federverteilungen werden derart ausgelegt, dass die Hauptachsensysteme der Massen- und Federsteifigkeitstensoren für die Primär- und Sekundärschwingungen exakt mit K übereinstimmen.
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Des weiteren wird bei der Ausführung der Detektionsmittel darauf geachtet, dass durch den Betrieb der Sensoren in der Primärschwingung (ohne äußere Drehrate) keine Signale an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt entstehen. Dazu werden die Detektionsmittel so ausgelegt, dass deren ausgezeichnetes Koordinatensystem KD ebenfalls mit dem Koordinatensystem der Mechanik K übereinstimmt, d. h. also ebenfalls gilt: KD = (x, y).
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Bei solchen idealen Drehratensensoren entsteht somit keine Überkopplung der Primärschwingung in die Detektionsmittel für den Corioliseffekt. Eine derartige, in realen Drehratensensoren auftretende Überkopplung wird Quadratur genannt. Quadratursignale sind somit Signale an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt, die auch ohne Relativbewegung des Sensors gegenüber einem äußeren Inertialsystem vorhanden sind, wobei der Sensor in seiner Primärschwingung betrieben wird.
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Die Quadratur führt zu periodischen mit der Frequenz der Primärschwingung modulierten Signalen an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt. Der Grund für das Auftreten von Quadratursignalen ist, dass das Koordinatensystem der Sensorelementmechanik K = (x, y) nicht mit dem Koordinatensystem der Detektionsmittel KD = (x', y') zusammenfällt, sondern beide Systeme leicht gegeneinander um einen Winkel verdreht sind.
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Typische Ursachen für diese im allgemeinen geringe Verdrehung sind z. B. Asymmetrien an der Sensorstruktur aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess. Diese können sich durch asymmetrische Massenverteilungen oder auch asymmetrische Federsteifigkeiten äußern. Als Folge daraus stimmen die Hauptachsensysteme der Masse- bzw. Federsteifigkeitstensoren nicht mehr mit KD überein.
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Quadratur-Störsignale bei Drehratensensoren aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess sind bekannt und werden bei Drehratensensoren unterschiedlichster Technologien angetroffen. Dabei sind gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Methoden zur Reduktion dieser Störsignale bekannt.
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Ein erstes Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Unterdrückung der Quadratursignale macht sich die unterschiedliche Phasenlage von Drehraten- und Quadratursignal zu nutze. Die Coriolis-Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit der Primärschwingung wohingegen die Quadratur proportional zur Auslenkung der Primärschwingung entsteht. Somit besteht eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90° zwischen Drehraten- und Quadratursignal. An den Detektionsmitteln werden Quadratur- und Drehratensignale als mit der Frequenz der Primärschwingung amplitudenmodulierte Signale detektiert. Durch die Methode der Synchrondemodulation oder phasenempfindlichen Verstärkung, wie sie z. B. in der
DE 197 26 006 A1 oder auch in der
US 5 672 949 A beschrieben wird, können zunächst die Signale wieder in das Basisband demoduliert werden. Zusätzlich kann durch geeignete Wahl der Phasenlage des Referenzsignals für die Demodulation das Quadratursignal unterdrückt werden. Bei dieser Methode wird das Quadratursignal im Sensorelement selbst nicht beeinflusst. Des weiteren muss das Quadratursignal auch die primären Signalwandlungspfade an den Detektionsmitteln passieren, es kann erst relativ spät im Signalpfad elektronisch unterdrückt werden. Bei im Vergleich zum Drehratenmessbereich großen Quadratursignalen bedeutet dies drastisch erhöhte Anforderungen an den Dynamikbereich der ersten Signalwandlungsstufen und führt oftmals zu erhöhtem Sensorrauschen.
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Ein zweites Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Reduktion der Quadratursignale ist das physikalische Auswuchten der mechanischen Sensorstrukturen. Im Gegensatz zum ersten Verfahren wird hierbei durch Nachbearbeiten der Sensorelemente direkt die Ursache der Quadratur behoben, so dass an den Detektionsmitteln keine Quadratursignale auftreten.
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Gemäß eines weiteren allgemein bekannten Verfahrens im Stand der Technik wird eine elektronische Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren durchgeführt. Hierbei wird die Unterdrückung des Quadratursignals durch gezielte Injektion eines elektrischen Signals in die elektronische Wandlereinheit an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt erzielt. Hierbei wird die Größe des Signals so gewählt, dass es das durch die Quadratur erzeugte Signal an den Detektionsmitteln genau kompensiert.
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In der
US 6 067 858 A wird ein weiteres Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur elektronischen Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren diskutiert. Zwischen beweglichen Kammfingern und feststehenden Elektroden werden unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt.
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In der deutschen Patentanmeldung
DE 10237411 A1 ist beschrieben, wie basierend auf der gezielten Einwirkung zeitlich periodisch variierender Kräfte, eine Reduktion bzw. Vermeidung von Quadratursignalen erreicht wird. Hierzu werden durch an geeigneten Teilen der Sensorstruktur angebrachte Elektrodenstrukturen (Kompensationsstrukturen) durch gezieltes Anlegen von äußeren elektrischen Gleichspannungen zeitlich variierende (dynamische) elektrostatische Kräfte auf die Sensorstruktur ausgeübt.
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In der
US 6324909 B1 ist ein mikromechanischer Drehratensensor gezeigt. Dieser mikromechanische Drehratensensor weist Mittel zur Regelung auf, um Störauslenkungen zu kompensieren. Hierfür wird das Messsignal des Sensors mit einer Sinusschwingung demoduliert und daraufhin mittels eines Remodulators mit einer Sinusschwingung remoduliert. Ebenso wird das Messsignal mit einer Cosinusschwingung demoduliert und wieder remoduliert. Anschließend werden das remodulierte Sinus-Signal und das remodulierte Cosinus-Signal addiert und abschließend dem Sensor zugeführt.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drehratensensor mit einer seismischen Masse und mit Antriebsmitteln, welche eine Antriebsschwingung der seismischen Masse in einer ersten Richtung x bewirken. Der Drehratensensor weist Messmittel auf, welche eine Auslenkung der seismischen Masse in einer zweiten Richtung y messen, und ein Auslenkungssignal erzeugen. Die Auslenkung setzt sich dabei aus einer Messauslenkung infolge einer Corioliskraft und einer Störauslenkung zusammen, wobei die Störauslenkung zur Messauslenkung im Wesentlichen um 90° phasenverschoben ist. Zur Verminderung der Störauslenkung sind an der seismischen Masse Kompensationsmittel vorgesehen. Des Weiteren sind Mittel zur Regelung vorgesehen, denen das Auslenkungssignal als eine Eingangsgröße zugeführt wird und die aus dem Auslenkungssignal ein Störauslenkungssignal demodulieren. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Mittel zur Regelung aus dem Störauslenkungssignal ein Kompensationssignal generieren, welches ein Gleichungspannungssignal ist und den Kompensationsmitteln direkt zugeführt wird. Vorteilhaft wird durch die erfindungsgemäße Regelung ein Kompensationssignal generiert, wodurch die Störauslenkung am Entstehungsort, nämlich der seismischen Masse vermittels der Kompensationsmittel vermindert wird. Hierdurch sinkt der Anteil der Störauslenkung an der gesamten Auslenkung im Verhältnis zur Messauslenkung. In der Folge sinken die Anforderungen an die Auswertung des Auslenkungssignals hinsichtlich des zu gewinnenden Messwertes. Insbesondere Anforderungen an Synchrondemodulation des Messwertes werden reduziert. Vorteilhaft ist weiterhin, dass mittels der Regelung auch zeitliche Änderungen des Störsignals, beispielsweise infolge von Drift oder Alterung des Sensors kompensiert werden können. Alterungs- oder temperaturbedingte, durch Stresseinkopplung verursachte Störsignale werden durch Regelkreis unterdrückt. Vorteilhaft sind die Mittel zur Regelung derart vorgesehen, dass die Störauslenkung gegen Null geregelt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Mittel zur Regelung ein Integrationsglied beinhalten. Störsignale werden bei Verwendung eines Integralreglers ideal unterdrückt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Drehratensensor eine Steuerung aufweist, die aus einer Abgleichinformation ein zusätzliches Kompensationssignal generiert. Eine derartige Kombination der Regelung mit einer Steuerung vereint die Vorteile der Kompensation einer Veränderung des Störsignals über die Laufzeit oder Lebensdauer des Sensors mit einem festen Abgleich bei der Herstellung. Durch den zusätzlichen Abgleich kann der vorzusehende Fangbereich der Regelung vermindert und im Gegenzug die Auflösung der Regelung erhöht werden. Die Auflösung kann so gewählt werden, dass das Ausgangsrauschen des Sensors bei einer digitalen Ausgestaltung der Regelung nicht signifikant durch Quantisierungseffekte des Regelkreises erhöht wird. Andererseits ist der kombinierte Fangbereich von Regelung mit Steuerung sehr groß realisierbar.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Mittel zur Regelung derart vorgesehen sind, dass ein Fangbereich der Regelung in Abhängigkeit vom Abgleichwert einstellbar ist. Vorteilhaft wird hierdurch eine Fangbereichsanpassung des Regelkreises an den Arbeitspunkt ermöglicht. Der Fangbereich des Regelkreises ist somit unabhängig von dem über den Abgleich eingestellten Arbeitspunkt.
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Weiterhin ergibt sich vorteilhaft eine Reduktion der Anforderungen an die Größe des maximalen Störsignals des mechanischen Sensorelementes, weil dieses Störsignal mittels der erfindungsgemäßen Regelung mit passend gewähltem Fangbereich einfach kompensiert werden kann. Dies verringert die Genauigkeitsanforderungen und somit die Herstellungskosten für das mechanische Sensorelement.
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Schließlich sind die Anforderungen an Aussteuerbereich der Auswerteelektronik des Sensors reduziert, weil der Regelkreis die Störauslenkung im Sensorelement unterdrückt und die auszuwertende Auslenkung somit zum größten Teil nur die Messauslenkung beinhaltet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt schematisch den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik.
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3 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik mit Kompensation der Störauslenkung.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung eines Drehratensensors.
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5 zeigt schematisch eine andere erfindungsgemäße Auswerteschaltung eines Drehratensensors.
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6 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen Kompensationssignal und Fangbereich für den erfindungsgemäßen Drehratensensor nach 5.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt schematisch den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik. Dargestellt ist eine seismische Masse
100, die mittels Federelementen
150 an einem Substrat
160 aufgehängt ist. Die Federelemente
150 sind derart an der seismischen Masse
100 angeordnet, dass die seismische Masse
100 eine Antriebsschwingung in einer ersten Richtung x und eine Auslenkung in einer zweiten Richtung y senkrecht dazu ausführen kann. Für den Antrieb der seismischen Masse
100 in der ersten Richtung x sind Antriebsmittel
110 vorgesehen. Diese Antriebsmittel
110 können beispielsweise kapazitiv ausgestaltet sein. Sie sind deshalb hier schematisch als Kondensator dargestellt. Den Antriebsmitteln
110 wird ein Antriebssignal
105 zugeführt. An der seismischen Masse
100 sind weiter Antriebsmessmittel
115 vorgesehen, welche die Auslenkung der seismischen Masse
100 in der ersten Richtung x messen und daraus ein Antriebsschwingungssignal
117 erzeugen. Die Antriebsmessmittel
115 sind in diesem Beispiel ebenfalls kapazitiv ausgestaltet und in der Figur als Kondensatorstruktur symbolisch dargestellt. An der seismischen Masse
100 sind weiterhin Messmittel
120 zum Messen der Auslenkung in der zweiten Richtung y vorgesehen. Bei Vibrationsgyrometern wird zur Bestimmung einer äußeren Drehrate der Corioliseffekt ausgenutzt. Die sich ergebende geschwindigkeitsproportionale Corioliskraft F
C = 2mv × Ω wirkt in der zweiten Richtung y, wobei v infolge der Antriebsschwingung in Richtung x weist und der Vektor der Rotationsgeschwindigkeit oder Drehrate Ω senkrecht zur Ebene (x, y) in Richtung z weist. Die Corioliskraft F
C bewirkt somit eine Messauslenkung der seismischen Masse
100 in Richtung y. Durch Imperfektionen im mikromechanischen Sensorelement entsteht außerdem eine wegproportionale Störauslenkung, die sogenannte Quadratur, bei der Resonanzfrequenz der Antriebsschwingung. Diese Störauslenkung der seismischen Masse
100 entsteht infolge einer Kraft F
Q und ist um 90° phasenverschoben zur Messauslenkung infolge der geschwindigkeitsproportionalen Corioliskraft F
C. Die gesamte Auslenkung in der zweiter Richtung y ist eine Überlagerung von Messauslenkung und Störauslenkung. Sie wird an den Messmitteln
120 gemessen und in ein Auslenkungssignal
125 gewandelt. Die Messmittel
120 sind hier ebenfalls kapazitiv ausgestaltet und in der Figur als Kondensatorstruktur symbolisch dargestellt. Die Quadratur oder Störauslenkung kann unterschiedliche Richtungen haben. Entscheidend ist aber welcher Anteil in der zweiten Richtung y besteht, weil die Detektionsmittel Auslenkungen in genau dieser Richtung auswerten. Zur Unterdrückung der Störauslenkung sind, wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10237411 A1 beschrieben, Kompensationsmittel
130 vorgesehen, die an die seismische Masse
100 angreifen. Die Kompensationsmittel
130 sind hier ebenfalls kapazitiv ausgestaltet und in der Figur als Kondensatorstruktur symbolisch dargestellt.
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2 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik. Die Auslenkung der seismischen Masse 100 in der zweiten Richtung y wird durch die Messmittel 120 aufgenommen und daraus ein Auslenkungssignal 125 erzeugt. Das Auslenkungssignal 125 repräsentiert die gesamte Auslenkung, also die Anteile der Messauslenkung die aus der Einwirkung einer Corioliskraft FC herrühren und die Anteile der Störauslenkung die aus der Quadratur FQ stammen.
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Die aus der Corioliskraft FC = 2mv × Ω resultierende Messauslenkung ist ein Signal mit der Frequenz der Antriebsschwingung und ist proportional zur Geschwindigkeit der seismischen Masse 100 in der ersten Richtung x, also der Antriebsrichtung. Die Messauslenkung ist also um 90° phasenverschoben zur Auslenkung der Antriebsschwingung. Durch Imperfektionen im mikromechanischen Sensorelement entsteht außerdem ein Störsignal mit der Frequenz der Antriebsschwingung, nämlich die Quadratur. Die aus der Quadratur herrührende Störauslenkung ist proportional zur Antriebsauslenkung, also zum von der Schwingungsmittellage aus zurückgelegten Weg der seismischen Masse 100 in der ersten Richtung x. Die Störauslenkung ist demzufolge um 90° phasenverschoben zur Messauslenkung und in Phase bzw. um 180° verschoben zur Auslenkung der Antriebsschwingung.
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Das analoge Auslenkungssignal 125 wird in diesem Beispiel in einer Eingangsschaltung 200 mittels eines Analog-Digital-Umsetzers (ADU) in ein digitales Auslenkungssignal 202 gewandelt. Das digitale Auslenkungssignal 202 wird mit einem periodischen Signal 205 mit der Phase der Messauslenkung und der Frequenz der Antriebsschwingung synchron demoduliert. Im Ergebnis erhält man ein Messsignal 203. Das Messsignal 203 wird einer Ausgangsschaltung 210 zugeleitet, wo gegebenenfalls eine Filterung durchgeführt wird und daraus ein Sensorsignal 215 erzeugt wird, welches eine Information über die Drehrate in der gewünschten Form enthält.
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Der oben dargestellte Zusammenhang zwischen Antriebsschwingung, Messauslenkung und Störauslenkung wird zur Unterdrückung des Störsignals ausgenutzt. Eine Synchrondemodulation mit dem geschwindigkeitsproportionalen periodischen Signal 215 unterdrückt Störsignale und faltet das Coriolissignal in das gewünschte am Sensorausgang über Filter eingestellte Nutzband. Nachteile dieser Art der Störunterdrückung sind in den hohen Anforderungen an die absolute Phasengenauigkeit und das Phasenrauschen des Demodulationssignals und des in der Signalverarbeitung erforderlichen hohen Dynamikbereiches zu sehen. Große Störsignale müssen bis zur Demodulation im Signalpfad verarbeitet werden.
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3 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik mit Kompensation der Störauslenkung. Neben den bereits in
2 beschriebenen Teilen weist die Auswerteschaltung einen Speicher
300, beispielsweise einen programmierbaren nur lesbaren Speicher (PROM) und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU)
310 auf. Im Speicher
300 ist ein Abgleichwert
302 abgelegt, der dem DAU
310 zugeleitet wird. Im DAU
310 wird der Abgleichwert in eine Gleichspannung, nämlich ein Kompensationssignal
135 gewandelt, welches an die Kompensationsmittel
130 geleitet wird. Hier erfolgt dann eine Kompensation der Störauslenkung. Die Kompensationsmittel
130 können eigene Antriebsstrukturen sein oder auch andere vorhandene Strukturen des Sensors, wie zum Beispiel Antriebsmittel oder Messmittel in geschickter Weise nutzen. Eine derartige Anordnung und deren Arbeitsweise ist beispielsweise in der
US 6067858 beschrieben. Mit dieser Auswerteschaltung wird mittels des Kompensationssignals
135 die Störauslenkung durch geeignete Mittel direkt im Sensorelement unterdrückt wird. Der Abgleich erfolgt hier beispielhaft über ein PROM dessen Abgleichwert anschließend digital-analog gewandelt wird. Dieser Abgleich kann jedoch auch in anderer geeigneter Form erfolgen. Als Nachteil bleibt bestehen, dass bei Änderungen des Störsignals beispielsweise infolge von Alterung oder Drift, dieses durch den festen Abgleichwert nicht mehr ideal unterdrückt wird.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung eines Drehratensensors. Neben den bereits in
2 beschriebenen Teilen weist die Auswerteschaltung einen Regler
400 und einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU)
410 auf. Das digitale Auslenkungssignal
202 wird mit einem periodischen Signal
205 mit der Phase der Messauslenkung und der Frequenz der Antriebsschwingung synchron demoduliert. Das digitale Auslenkungssignal
202 wird erfindungsgemäß außerdem in einem zweiten Signalpfad mit einem periodischen Signal
405 mit der Phase der Störauslenkung und der Frequenz der Antriebsschwingung synchron demoduliert. Im Resultat erhält man ein Störsignal
401 welches dem Regler
400 zugeleitet wird. Der Regler
400 generiert ein Regelsignal
402 welches dem DAU
410 zugeleitet wird. Das Regelsignal wird mittels des DAU
410 in das Kompensationssignal
135, ein Gleichspannungssignal, gewandelt und den Kompensationsmitteln
135 zugeleitet. Somit wird die Störauslenkung der seismischen Masse
100 kompensiert oder wenigstens vermindert und das an den Messmitteln
120 generierte Auslenkungssignal
125 enthält einen geringeren Anteil Störauslenkung und einen höheren Anteil Messauslenkung. Mit der Wandlung des Auslenkungssignals
125 im ADU
200 und der Bereitstellung des digitalen Auslenkungssignals
202 ist der Regelkreis geschlossen. Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, das die Störunterdrückung wie in
4 dargestellt im Sensorelement, nicht über eine Steuerung, sondern über eine Regelung erfolgt. Da die Messauslenkung und die Störauslenkung um 90° zueinander phasenverschoben sind, können diese Signale durch Synchrondemodulation mit der jeweils richtigen Phasenlage voneinander getrennt werden. Das Kompensationssignal
135 ist hier eine Gleichspannung, die an Elektroden im mechanischen Sensorelement angelegt wird. Überstreicht eine bewegliche, an der seismischen Masse
100 befestigte erste Elektrode, nun eine feststehende zweite Elektrode, so ergeben sich, wie in der
DE 102 37 411 beschrieben, wegproportionale elektrostatische Kräfte, die den Störsignalen entgegenwirken und diese unterdrücken. Wird der Regler
400 vorteilhaft mit Integralanteil ausgelegt, so wird die Störauslenkung bis auf quantisierungsbedingte Effekte ideal unterdrückt. Dieser sogenannte Quadraturregelkreis könnte auch rein analog ausgelegt sein, was aus Flexibilitätsgründen und aufgrund des allgemein bekannten Nachteiles von Driftproblemen bei Analogschaltungen nicht umgesetzt wurde.
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Bei einer digitalen Auslegung, wie in 4 beschrieben, bleibt quantisierungsbedingt ein Restfehler übrig, der in Verbindung mit einem Phasenversatz bei der Demodulation des digitalen Auslenkungssignals 202 mit dem Signal 205 zu einem Offset des Messsignals 203 führt. Zeitliche Änderungen des Regelsignals 402, die im Nutzbandbereich des Ausgangsfilters der Backendschaltung liegen, ergeben bei einer fehlerhaften Demodulation ein Rauschen am Drehratenausgang. Die Auflösung des DAU muss daher so gewählt sein, dass das geforderte Ausgangsrauschen nicht überschritten wird.
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5 zeigt schematisch eine andere erfindungsgemäße Auswerteschaltung eines Drehratensensors. Mikromechanische Sensorelemente haben mitunter durch fertigungsbedingte Prozessstreuungen große Toleranzen in den wegproportionalen Störsignalen. Die Anforderung an die Auflösung des Reglers 400 steigt in dem Maße, wie der Fangbereich für das Störsignal 401 bei gleichbleibender Anforderung an das Rauschen des Gesamtsensors zunimmt.
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Erfindungsgemäß wird deshalb in einer weiteren Ausgestaltung der Auswerteschaltung dieses Problem dadurch umgangen, dass ein Störsignalabgleich nach 3 mit einer Regelung nach 4 kombiniert wird. Im Unterschied zu 3 und 4 wird hier der Anteil des Kompensationssignals 135 aus der Steuerung mit dem Bezugszeichen 135B und der Anteil des Kompensationssignals 135 aus der Regelung mit dem Bezugszeichen 135A bezeichnet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Schritt mittels der Steuerung die Störauslenkung grob abgeglichen. Der Abgleichwert 302 wird dem Speicher 300 entnommen und dem DAU 310 zugeführt. Der DAU erzeugt daraus das Kompensationssignal 135B, welches als Gleichspannung auf Kompensationsmittel 130 in Form von Elektrodenpaaren an der seismischen Masse 100 beaufschlagt wird. Die Spannungs-Kraft-Wandlung erfolgt elektrostatisch über die sich durch die feste Elektrode auf der einen und die bewegliche Elektrode auf der anderen Seite ergebende Kondensatorstruktur.
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6 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen Kompensationssignal und Fangbereich für den erfindungsgemäßen Drehratensensor nach 5. Dargestellt ist der Fangbereich F über dem Kompensationssignal 135 welches hier als Kompensationsspannung U_Q bezeichnet ist. Wie im Diagramm dargestellt ergibt sich ein quadratischer funktionaler Zusammenhang. Dargestellt ist weiterhin die Änderung des Fangbereichs ΔF bei Änderung der Kompensationsspannung ΔU_Q an zwei verschiedenen Abgleichpunkten Abgl_1 und Abgl_2. Aus 6 ist ersichtlich, dass sich abgleichabhängig in verschiedenen Arbeitspunkten bei gleicher Änderung ΔU_Q der Reglerausgangsspannung signifikant unterschiedliche Fangbereiche ΔF_1 bzw. ΔF_2 zur Unterdrückung der Störsignale ergeben.
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Erfindungsgemäß wird dieser Effekt mit der Auswerteschaltung gemäß 5 dadurch kompensiert, dass der Fangbereich der DAU 410 je nach Arbeitspunkt angepasst wird. Dazu wird der Abgleichwert 302, die im Speicher 300 zur Verfügung steht, über eine hinterlegte Vergleichstabelle 510 mit einer abgleichabhängigen Anpassung des Fangbereiches des DAU 410 verknüpft. Die Vergleichstabelle 510 liefert dazu abgleichabhängig ein Digitalwort 515, das in einem DAU 520 digital-analog in einen Analogwert 525 gewandelt wird. Dieser Analogwert 525 definiert den Fangbereich des DAU 410. Die Regelung kann somit, bestimmt durch den Inhalt der Vergleichstabelle 510, zu jedem Arbeitspunkt oder Abgleichwert 302 einen bestimmten Fangbereich aufweisen. Vorteilhaft kann beispielsweise abgleichsunabhängig stets derselbe Fangbereich eingestellt werden. Der Fangbereich wird also unabhängig vom Funktionalen Zusammenhang in 6.
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Durch die Kombination von Abgleich mittels Steuerung und Regelung reduziert sich außerdem der benötigte Fangbereich der Regelung und damit die Anforderung an die Auflösung des DAU 410, ohne dabei den gesamten Fangbereich für das zu unterdrückende Störsignal zu reduzieren.
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Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar, die die erfindungsgemäße Regelung verschiedenartig ausführen oder mit Lösungen nach Stand der Technik kombinieren.
