DE102007011816B4

DE102007011816B4 - Sensor und Verfahren zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102007011816B4
Application number: DE200710011816
Authority: DE
Inventors: Dr. Hammerschmidt Dirk
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: DE102007011816A1

Abstract

Ein Sensor weist einen aufgehängten mechanischen Resonator auf, der auf eine einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass ein erster Bereich und ein zweiter Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation unterzogen werden, und auf die andere derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation unterzogen werden, sowie eine erste mechanisch-elektrische Schnittstelle, die mit dem ersten Bereich in Wechselwirkung steht, eine zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle, die mit dem zweiten Bereich in Wechselwirkung steht, einen Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger, der mit den mechanisch-elektrischen Schnittstellen gekoppelt ist, mit einem Gemeinsame-Mode-Signalausgang, einen Differential-Mode-Signalerzeuger, der mit den mechanisch-elektrischen Schnittstellen gekoppelt ist, mit einem Differential-Mode-Signalausgang, eine erste Verarbeitungsschaltung, die mit dem Differential-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes verarbeitetes Signal und eine zweite Verarbeitungsschaltung, die mit dem Gemeinsame-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein zweites verarbeitetes Signal.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate, die z. B. in Systemen implementiert sein können, die die Dynamik von Fahrzeugen, wie z. B. Autos, LKWs, Flugzeugen, Booten und Schiffen, überwachen.
Viele Fahrzeuge heute weisen Systeme auf, die die Bewegung und die Dynamik des Fahrzeugs überwachen, z. B. auf dem Gebiet von Navigationsanwendungen (Navigationssystemen) und sicherheitsbezogenen Systemen. Beispiele derartiger Fahrzeuge sind Autos, LKWs, Schiffe, Boote und Flugzeuge.
Insbesondere auf dem Gebiet des Straßenverkehrs kommen Anwendungen aus dem Gebiet sicherheitsbezogener Anwendungen, wie z. B. aus dem Gebiet von Systemen, die die aktive und/oder die passive Sicherheit von Autos und LKWs verbessern. Unter den Systemen, die die aktive Sicherheit von Autos verbessern, sind elektronische Fahrhilfen, wie z. B. Antiblockiersysteme (ABS) und andere dynamische Fahrsteuersysteme, die in modernen Autos eingesetzt werden. Auf dem Gebiet von Systemen, die die passive Sicherheit von Autos verbessern, gehören Systeme, die die Sicherheit und Gesundheit der Insassen schützen, z. B. das System zum Auslösen der Airbags, zu der Gruppe von Systemen, die die Dynamik und Bewegungen des Autos überwachen.
Jedes Mal, wenn ein derartiges System eine kritische Fahrsituation erfasst und erkennt, z. B. basierend auf der Bewegung des Autos, wird das jeweilige System ausgelöst und spricht entsprechend an, um die kritische Situation vollständig zu verhindern oder die Folgen einer derartigen Situation zu minimieren (z. B. Auslösen des Airbags in dem Fall eines Zusammenstoßes). Weitere Anwendungen weisen den allgemeinen Bedarf auf, den Fahrzustand eines Autos zum Steuern der Fahrstabilität zu überwachen und zu erfassen (DSC; DSC = Dynamic Stability Control), und andere Sicherheitssysteme zu steuern.
Um den Bewegungszustand und die Dynamik eines Objekts vollständig zu überwachen und zu erfassen, sollten sowohl die Linearbeschleunigungen in Bezug auf drei Richtungen im Raum und die Winkelgeschwindigkeiten oder Drehraten in Bezug auf die drei Richtungen oder Achsen überwacht und erfasst werden, um die vollständige Messung des Bewegungszustands des Objekts zu erzielen.
Die US 5 379 223 A bezieht sich auf ein Trägheitsmess- und Navigationssystem, welches digitale Signalverarbeitungstechniken verwendet. Ein solches Trägheitsmess- und Navigationssystem verwendet einen Multisensor, welcher analoge Beschleunigungsinformationen und Drehrateninformationen an einen Analog/Digital-Wandler liefert, dessen digitaler Ausgang durch einen digitalen Demodulator verarbeitet wird.
Die US 2004/0088127 A1 bezieht sich auf eine integrierte digitale Niederleistungsgyrosteuerelektronik. Die DE 699 04 759 T2 bezieht sich auf einen Orientierungswinkeldetektor für an einem Kopf angebrachte Anzeigen. Die DE 103 21 962 B4 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Simulieren einer Drehrate und Verwendung von simulierten Drehraten zur initialen Kalibrierung von Drehratensensoren und zur In-Betrieb-Nachkalibrierung von Drehratensensoren. Die EP 1 788 351 A1 bezieht sich auf einen Oszillations-Typ Trägheitskraftsensor, bei dem eine Zeitspanne nach einem Einschalten bis ein Ausgangssignal des Sensors stabil wird verkürzt wird, indem eine Halteeinrichtung zum Halten eines prozessierten Signals vorgesehen wird, welche ein vorbestimmtes Potential während der Zeitspanne nach dem Einschalten bereitstellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 oder 14 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22.
Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors weist einen aufgehängten mechanischen Resonator auf, der in der Lage ist, in einer Anregungsmode zu schwingen, und einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der aufgehängte mechanische Resonator auf eine einer Linearbeschleunigung des Sensors und einer Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung unterzogen werden, und auf die andere der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung unterzogen werden. Das Ausführungsbeispiel des Sensors weist ferner eine erste mechanisch-elektrische Schnittstelle, die mit dem ersten Bereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss, an dem ein erstes Elongationssignal, das die Elongation des ersten Bereichs anzeigt, erhältlich ist, und eine zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle, die mit dem zweiten Bereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss, an dem ein zweites Elongationssignal, das die Elongation des zweiten Bereichs anzeigt, erhältlich ist, auf. Ferner sind bei dem Ausführungsbeispiel des Sensors ein Gemeinsame-Mode- bzw. Gleichtakt-Signalerzeuger, der mit der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist, mit einem Gemeinsame-Mode-Signalausgang für ein Gemeinsame-Mode-Signal basierend auf dem ersten und auf dem zweiten Elongationssignal, ein Differential-Mode- bzw. Gegentakt-Signalerzeuger, der mit der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist, mit einem Differential-Mode-Signalausgang für ein Differential-Mode-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal, eine erste Verarbeitungsschaltung, die mit dem Differential-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes verarbeitetes Signal basierend auf dem Differential-Mode-Signal, das die eine der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, und eine zweite Verarbeitungsschaltung, die mit dem Gemeinsame-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein zweites verarbeitetes Signal basierend auf dem Gemeinsame-Mode-Signal, das die andere der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, beinhaltet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors weist einen aufgehängten mechanischen Resonator auf, der in der Lage ist, in einer Anregungsmode zu schwingen, und einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich, einen ersten Anregungsbereich und einen zweiten Anregungsbereich aufweist, wobei der aufgehängte mechanische Resonator auf eine Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung unterzogen werden, und auf eine Linearbeschleunigung des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung unterzogen werden. Ferner weist das weitere Ausführungsbeispiel des Sensors eine erste Erfassungselektrode, die in Wechselwirkung mit dem ersten Bereich steht, mit einem Anschluss, an dem das erste Elongationssignal, das die Elongation des ersten Bereichs anzeigt, erhältlich ist, eine zweite Erfassungselektrode, die in Wechselwirkung mit einem zweiten Bereich steht, mit einem Anschluss, an dem ein zweites Elongationssignal, das die Elongation des zweiten Bereichs anzeigt, erhältlich ist, eine erste Anregungselektrode, die mit dem ersten Anregungsbereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein erstes Anregungssignal, eine zweite Anregungselektrode, die mit einem zweiten Anregungsbereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein zweites Anregungssignal, einen Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger, der mit der ersten Erfassungselektrode und der zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist, mit einem Gemeinsame-Mode-Signalausgang für ein Gemeinsame-Mode-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal, und einen Differential-Mode-Signalerzeuger, der mit der ersten Erfassungselektrode und der zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist, mit einem Differential-Mode-Signalausgang für ein Differential-Mode-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal, auf. Ferner weist das weitere Ausführungsbeispiel des Sensors eine erste Verarbeitungsschaltung, die mit dem Differential-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes verarbeitetes Signal basierend auf dem Differential-Mode-Signal, das die Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, eine zweite Verareitungsschaltung, die mit dem Gemeinsame-Mode-Ausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein zweites verarbeitetes Signal basierend auf dem Gemeinsame-Mode-Signal, das die Linearbeschleunigung des Sensors anzeigt, und einen Anreger, der derart mit der ersten Anregungselektrode und der zweiten Anregungselektrode gekoppelt ist, dass der Anreger in der Lage ist, den aufgehängten mechanischen Resonator anzuregen, um in der Anregungsmode zu schwingen, auf.
Ein Ausführungsbeispiel einer Erfassungseinrichtung weist eine Einrichtung zum Schwingen in zumindest einer Anregungsmode auf, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei die Einrichtung zum Schwingen auf eine einer Linearbeschleunigung der Erfassungseinrichtung und einer Winkelgeschwindigkeit der Erfassungseinrichtung derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung unterzogen werden, und derart auf die andere der Linearbeschleunigung der Erfassungseinrichtung und der Winkelgeschwindigkeit der Erfassungseinrichtung anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung unterzogen werden. Ferner weist das Ausführungsbeispiel einer Erfassungseinrichtung eine erste mechanisch-elektrische Einrichtung zur Wechselwirkung mit dem ersten Bereich und zum Erfassen der Elongation des ersten Bereichs, eine zweite mechanisch-elektrische Einrichtung zur Wechselwirkung mit dem zweiten Bereich und zum Erfassen der Elongation des zweiten Bereichs, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Gemeinsame-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs und eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Differential-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs auf. Ferner weist das Ausführungsbeispiel der Erfassungseinrichtung zuerst eine Einrichtung zum Verarbeiten des Differential-Mode-Signals und zum Bereitstellen eines ersten verarbeiteten Signals basierend auf dem Differential-Mode-Signal, das die eine der Linearbeschleunigung der Erfassungseinrichtung und der Winkelgeschwindigkeit der Erfassungseinrichtung anzeigt, und eine Einrichtung zum Verarbeiten des Gemeinsame-Mode-Signals und zum Bereitstellen eines zweiten verarbeiteten Signals basierend auf dem Gemeinsame-Mode-Signal, das die andere der Linearbeschleunigung der Erfassungseinrichtung und der Winkelgeschwindigkeit der Erfassungseinrichtung anzeigt, auf.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit mit einem aufgehängten mechanischen Resonator, der in der Lage ist, in zumindest einer Anregungsmode zu schwingen, der einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der aufgehängte mechanische Resonator auf eine der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung unterzogen werden, und derart auf die andere der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der ersten Richtung unterzogen werden, weist ein Erfassen der Elongation des ersten Bereichs, ein Erfassen der Elongation des zweiten Bereichs, ein Erzeugen eines Gemeinsame-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs, ein Erzeugen eines Differential-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs, ein Verarbeiten des Differential-Mode-Signals zu einem ersten verarbeiteten Signal, das die eine der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, und ein Verarbeiten des Gemeinsame-Mode-Signals zu einem zweiten verarbeiteten Signal, das die andere der Linearbeschleunigung des Sensors und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit mit einem aufgehängten mechanischen Resonator, der in der Lage ist, in zumindest einer Anregungsmode zu schwingen, der einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich, einen ersten Anregungsbereich und einen zweiten Anregungsbereich aufweist, wobei der aufgehängte mechanische Resonator auf die Winkelgeschwindigkeit des Sensors derart anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang der Elongationsrichtung unterzogen werden, derart auf die Linearbeschleunigung des Sensors anspricht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung unterzogen werden, und auf ein Schwingen in der Anregungsmode auf eine Wechselwirkung mit einem ersten Anregungsbereich und einem zweiten Anregungsbereich hin anspricht, weist ein Wechselwirken mit dem ersten Anregungsbereich und dem zweiten Anregungsbereich, um die Anregungsmode des aufgehängten mechanischen Resonators anzuregen, ein Erfassen der Elongation des ersten Bereichs, ein Erfassen der Elongation des zweiten Bereichs, ein Erzeugen eines Gemeinsame-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs, ein Erzeugen eines Differential-Mode-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs und der Elongation des zweiten Bereichs, ein Verarbeiten des Differential-Mode-Signals zu einem ersten verarbeiteten Signal, das die Winkelgeschwindigkeit des Sensors anzeigt, und ein Verarbeiten des Gemeinsame-Mode-Signals zu einem zweiten verarbeiteten Signal, das die Linearbeschleunigung des Sensors anzeigt, auf.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors;
3 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors;
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors in der Form eines mikroelektromechanischen Systems;
5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung eines mechanischen Resonators eines Ausführungsbeispiels eines Sensors;
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Resonators, der Schmetterlingsmassen aufweist;
7 zeigt eine Rasterelektronenmikrophotographie des mechanischen Resonators in der Form der Schmetterlingsmassen;
8 zeigt eine Rasterelektronenmikrophotographie eines asymmetrischen Balkens, der die beiden Schmetterlingsmassen des mechanischen Resonators eines Ausführungsbeispiels eines Sensors verbindet;
9 zeigt ein Ergebnis einer Simulation einer Referenzbewegung (zweite Mode) des in den 6–8 gezeigten mechanischen Resonators;
10 zeigt ein Ergebnis einer Simulation der Anregungsmode (vierte Mode) eines in den 6–8 gezeigten mechanischen Resonators;
11 zeigt ein Ergebnis einer Simulation einer Erfassungsmode (dritte Mode) eines in den 6–8 gezeigten mechanischen Resonators; und
12 zeigt eine Innenansicht einer konkreten Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors.
Die 1–12 zeigen Blockdiagramme, perspektivische Ansichten, Ergebnisse von Simulationen und eine Innenansicht unterschiedlicher Ausführungsbeispiele eines Sensors. Bevor weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 2–12 beschrieben werden, ist das erste Ausführungsbeispiel eines Sensors unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung in der Form eines Blockdiagramms, das in 1 gezeigt ist, erläutert.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sensors 100, der in der Lage ist, eine Linearbeschleunigung und eine Winkelgeschwindigkeit des Sensors 100 zu erfassen. Der Sensor 100 weist einen aufgehängten mechanischen Resonator 110 auf, der in einer derartigen Weise aufgehängt ist, dass der mechanische Resonator 110 in der Lage ist, in zumindest einer Anregungsmode zu schwingen. Der mechanische Resonator 110 weist einen ersten Bereich 120 und einen zweiten Bereich 130 auf, die Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung, die durch die Pfeile 140 angezeigt ist, unterzogen werden, wenn der Sensor 100 einer der Linearbeschleunigung oder der Winkelgeschwindigkeit unterzogen wird. Aus Gründen der Einfachheit sind die Richtung, für die der Sensor 100 in Bezug auf die Linearbeschleunigung empfindlich ist, und die Achse, für die der Sensor 100 in Bezug auf die Winkelgeschwindigkeit empfindlich ist, in 1 nicht gezeigt.
Ferner sind die Befestigung, sowie die Federn, Balken oder Federelemente, die den aufgehängten mechanischen Resonator 110 mit dem Gehäuse verbinden, in 1 nicht gezeigt. Als eine Folge der Bewegungen des ersten Bereichs 120 und des zweiten Bereichs 130 mit entgegengesetzter Elongation weist die Bewegung des mechanischen Resonators 110 eine Schwingungsbewegung in Bezug auf die Achse auf, die durch die gestrichelte Linie 150 und die Pfeile 160 angezeigt ist.
Wenn der Sensor 110 der anderen der Linearbeschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors 100 unterzogen wird, werden der erste Bereich 120 und der zweite Bereich 130 einer Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung, die durch den Pfeil 140 angezeigt ist, unterzogen.
Der Sensor 100 weist ferner eine erste mechanisch-elektrische Schnittstelle 170, die mit dem ersten Bereich 120 in Wechselwirkung steht, und eine zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle 180, die in Wechselwirkung mit dem zweiten Bereich 130 des mechanischen Resonators 110 steht, auf. Beide Wechselwirkungen der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 170 und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 180 sind in 1 durch gepunktete Zick-Zack-Linien dargestellt. Sowohl die erste mechanisch-elektrische Schnittstelle 170 als auch die zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle 180 weisen jeweils einen Anschluss auf, an dem ein erstes Elongationssignal Y1, das die Elongation des ersten Bereichs 120 in dem Fall der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 170 anzeigt, und ein zweites Elongationssignal Y2, das die Elongation des zweiten Bereichs 130 in dem Fall der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 180 anzeigt, erhältlich sind.
Das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 weist ferner einen Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 auf, der mit sowohl der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 170 als auch der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 180 gekoppelt ist, um das erste und das zweite Elongationssignal Y1, Y2 zu erhalten, die durch die beiden mechanisch-elektrischen Schnittstellen 170, 180 bereitgestellt werden. Der Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 ist in der Lage, ein Gemeinsame-Mode-Signal C an einem Gemeinsame-Mode-Signalausgang basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal Y1, Y2 bereitzustellen.
Anders ausgedrückt ist der Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 in der Lage, das Gemeinsame-Mode-Signal C bereitzustellen, das eine gemeinsame Komponente der beiden Elongationssignale Y1, Y2 anzeigt. Noch genauer ist der Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 nach einer optionalen Vorverarbeitung, Filterung, Verstärkung, Modulation, Demodulation oder anderweitigen Manipulation der eingehenden Elongationssignale Y1, Y2 in der Lage, das Gemeinsame-Mode-Signal C basierend auf einer Summierung der eingehenden Signale oder ihrer modifizierten Versionen zu erzeugen. In dem Zusammenhang eines Summierens der eingehenden Signale oder bei einer separaten Nachverarbeitung kann der Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 wahlweise auch in der Lage sein, das Ergebnis des Summierens weiter zu modifizieren, um das Gemeinsame-Mode-Signal C bereitzustellen. Anders ausgedrückt basiert das Gemeinsame-Mode-Signal C auf folgender Gleichung: C = f₁(f₂(Y1) + f₃(Y2)) (1) wobei f₁, f₂ und f₃ optional Funktionen mit ganzzahligem Wert, rationalem Wert, realem Wert oder komplexem Wert sind, die die optionale Nachverarbeitung vor einem Ausgeben des Gemeinsame-Mode-Signals C, die optionale Vorverarbeitung des eingehenden ersten Elongationssignals Y1 bzw. die optionale Vorverarbeitung des eingehenden zweiten Elongationssignals Y2 darstellen. Es wird angemerkt, dass in diesem Zusammenhang die Signale und die spezifischen Pegel der Werte der Signale einheitlich mit ihren jeweiligen Bezugszeichen oder Variablen identifiziert werden.
Das Ausführungsbeispiel des Sensors 100, das in 1 gezeigt ist, weist ferner einen Differential-Mode-Signalerzeuger 200 auf, der auch mit der ersten und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle 170, 180 gekoppelt ist, um das erste und das zweite Elongationssignal Y1, Y2 zu empfangen. Basierend auf den beiden Elongationssignalen Y1, Y2 ist der Differential-Mode-Signalerzeuger 200 in der Lage, ein Differential-Mode-Signal D an einem Differential-Mode-Signalausgang bereitzustellen, das im Wesentlichen die Komponente anzeigt, die in dem ersten und dem zweiten Elongationssignal Y1, Y2 beinhaltet ist, die ein unterschiedliches Vorzeichen in Bezug auf die beiden Elongationssignale (Differenzialkomponente) aufweist. Neben einer optionalen Vorverarbeitung und/oder einer optionalen Nachverarbeitung basiert das Differential-Mode-Signal D im Wesentlichen auf der Differenz der beiden Elongationssignale Y1, Y2. Genauer gesagt basiert das Differenzsignal D auf folgender Gleichung: D = f₄(f₅(Y1) – f₆(Y2)) (2) wobei f₄, f₅ und f₆ Funktionen mit ganzzahligem Wert, rationalem Wert, realem Wert oder komplexem Wert sind, die die optionale Nachverarbeitung vor einer Bereitstellung des Differential-Mode-Signals durch den Differential-Mode-Signalerzeuger 200, die optionale Vorverarbeitung des ersten Elongationssignals Y1 bzw. die optionale Vorverarbeitung des zweiten Elongationssignals Y2 darstellen.
Wie in dem Zusammenhang des Gemeinsame-Mode-Signalerzeugers 190 erläutert wurde, kann die optionale Nachverarbeitung, die durch die Funktion f₄ angezeigt ist, auch in dem Rahmen eines Subtrahierens der beiden Elongationssignale Y1, Y2 oder (optional) ihrer vorverarbeiteten modifizierten Versionen ausgeführt werden. Ferner können die Funktionen f₄, f₅ und f₆ einem Filtern, Verstärken, Modulieren, Demodulieren oder anderen Modifizieren der jeweiligen Signale, Pegel oder Werte der Signale entsprechen. Beispiele für ein derartiges Filtern, eine Demodulation, Modulation oder andere Signalverarbeitung in dem Rahmen des Gemeinsame-Mode-Signalerzeugers 190 und des Differential-Mode-Signalerzeugers 200 werden später erläutert.
Ferner soll angemerkt werden, dass die Funktionen f₁, ..., f₆ im Prinzip von weiteren Variablen, Signalen, Werten oder Signalpegeln abhängen können. Als ein Beispiel kann jede der Funktionen wahlweise von einem oder mehreren zusätzlichen Parametern abhängen, die einen Betriebsmodus des Ausführungsbeispiels des Sensors 100 anzeigen. Ferner können die Funktionen f₁, ..., f₆ im Prinzip identisch oder unterschiedlich zueinander sein.
Das Ausführungsbeispiel des Sensors 100, das in 1 gezeigt ist, weist ferner eine erste Verarbeitungsschaltung 210 und eine zweite Verarbeitungsschaltung 220 auf. Die erste Verarbeitungsschaltung 210 ist über einen Eingang mit dem Differential-Mode-Erzeuger 200 und seinem Differential-Mode-Signalausgang gekoppelt, um in der Lage zu sein, das Differential-Mode-Signal D zu empfangen, das durch den Differential-Mode-Signalerzeuger 200 bereitgestellt wird. Die Verarbeitungsschaltung 210 weist einen Ausgang 230 auf, an dem die erste Verarbeitungsschaltung 210 in der Lage ist, ein verarbeitetes Differenzsignal PD basierend auf dem Differential-Mode-Signal D, das die eine der Linearbeschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors 100 anzeigt, bereitzustellen.
Die zweite Verarbeitungsschaltung 220 ist über einen Eingang mit dem Gemeinsame-Mode-Signalausgang des Gemeinsame-Mode-Signalerzeugers 190 verbunden, um in der Lage zu sein, das Gemeinsame-Mode-Signal C zu empfangen. Die zweite Verarbeitungsschaltung 220 ist mit einem Ausgang 240 ausgestattet, an dem die zweite Verarbeitungsschaltung 220 in der Lage ist, ein verarbeitetes Gemeinsame-Mode-Signal PC basierend auf dem Gemeinsame-Mode-Signal C, das die andere der Linearbeschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit des Sensors 100 anzeigt, bereitzustellen.
Die erste und die zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle 170, 180 sind in der Lage, mit dem ersten 120 und dem zweiten Bereich 130 des aufgehängten mechanischen Resonators 110 in einer breiten Vielzahl von Verfahren abhängig von der konkreten Implementierung und den konkreten Anforderungen der Anwendung, in der das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 implementiert werden soll, in Wechselwirkung zu stehen. Genauer gesagt kann eine mechanisch-elektrische Schnittstelle z. B. mit dem entsprechenden Bereich des mechanischen Resonators 110 durch eine buchstäblich mechanische Wechselwirkung in der Form einer elastischen Kopplung, wie einer elastischen Feder, einer elastischen Membran oder eines elastischen Balkens, in Wechselwirkung stehen. In diesem Fall könnte die mechanische Verformung zu einer Veränderung eines Widerstandswerts, der Erzeugung einer elektrischen Spannung oder einer anderen messbaren Veränderung einer elektrischen Menge aufgrund der Veränderung der geometrischen Form, einer piezoelektrischen Wirkung oder einer anderen mechanisch-elektrischen Wirkung führen. In einem derartigen Fall ist es ratsam, den vollständigen mechanischen Resonator oder den entsprechenden Bereich oder eine geeignete Struktur in Bezug auf die mechanisch-elektrische Schnittstelle in eine elektrische Schaltung zu koppeln.
Durch ein Anlegen eines Stroms oder einer Spannung an das mechanische Element ist es außerdem möglich, abhängig von der konkreten Implementierung der mechanischen Verbindung zwischen der mechanisch-elektrischen Schnittstelle und dem Bereich des mechanischen Resonators 110 eine Kraft auf den mechanischen Resonator auszuüben.
Ferner kann die mechanisch-elektrische Schnittstelle auch durch das Anlegen elektrischer Felder implementiert sein, die zwischen Kondensatorplatten in Wechselwirkung stehen, die z. B. unterhalb des mechanischen Resonators 110 angeordnet sind, und die mit einer Elektrode in Wechselwirkung stehen, die in dem Bereich des mechanischen Resonators angeordnet ist, oder direkt mit dem jeweiligen Bereich des mechanischen Resonators 110 in Wechselwirkung stehen, für den Fall, dass der mechanische Resonator aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Wenn z. B. der mechanische Resonator aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist, das eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt (z. B. Silizium, Si), könnte es ausreichend sein, einen elektrischen Kontakt des mechanischen Resonators 110 bereitzustellen, um in der Lage zu sein, die Veränderung eines Kapazitätswerts einer Elektrode einer jeweiligen mechanisch-elektrischen Schnittstelle in Bezug auf den mechanischen Resonator 110 oder einer aufgebrachten Elektrode in Bezug auf den jeweiligen Bereich auf dem mechanischen Resonator 110 zu messen, in dem Fall, dass der mechanische Resonator 110 aus einem isolierenden oder nicht ausreichend leitendem Material hergestellt ist (z. B. Saphir). In diesem Fall kann das Elongationssignal durch ein Messen der Veränderung des Kapazitätswerts dieser Anordnung bereitgestellt werden. Ferner ist die mechanisch-elektrische Schnittstelle durch Anlegen einer Spannung auch in der Lage, eine Kraft auf den jeweiligen Bereich des mechanischen Resonators 110 oder den mechanischen Resonator 110 selbst auszuüben. Dadurch bietet eine elektrostatische oder elektrische Wechselwirkung in dem Rahmen einer mechanisch-elektrischen Schnittstelle die Gelegenheit, nicht nur die Elongation zu messen, sondern auch eine Kraft auf den Bereich des mechanischen Resonators oder den vollständigen mechanischen Resonator auszuüben.
Eine weitere Alternative ist eine magnetisch in Wechselwirkung stehende mechanisch-elektrische Schnittstelle, die z. B. eine Spule, eine Wicklung oder eine andere Anordnung einer elektrischen Schaltung aufweisen kann, so dass durch Anlegen eines Stroms an die jeweilige Spule oder Schaltung ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugt wird, das z. B. mit einem Magnet oder einem Stück eines magnetischen Materials, das auf oder unterhalb des mechanischen Resonators 110 in dem Bereich, mit dem die mechanisch-elektrische Schnittstelle in Wechselwirkung steht, aufgebracht ist, in Wechselwirkung stehen kann. Dadurch kann die mechanisch-elektrische Schnittstelle in dem Fall einer magnetischen Wechselwirkung eine Kraft auf den mechanischen Resonator 110 oder den entsprechenden Bereich ausüben. Ferner spricht der mechanische Resonator 110 auf eine Linearbeschleunigung oder eine Winkelgeschwindigkeit in einer derartigen Weise an, dass, wenn der entsprechende Bereich mit dem aufgebrachten mechanischen Material sich bewegt, eine Induktionsspannung an der Spule, Wicklung oder anderen Anordnung einer elektrischen Schaltung der elektrischen Schaltung der mechanisch-elektrischen Schnittstelle gemessen werden kann. Dadurch stellt diese Induktionsspannung das Elongationssignal oder die entsprechende mechanisch-elektrische Schnittstelle dar.
Eine vierte Alternative für eine derartige mechanisch-elektrische Schnittstelle ist ein optisch in Wechselwirkung stehendes System, in dem z. B. eine Laserdiode in die mechanisch-elektrische Schnittstelle integriert ist, um in der Lage zu sein, eine Kraft auf den mechanischen Resonator 110 auszuüben, indem der entsprechende Bereich des mechanischen Resonators 110 beleuchtet wird. Ferner kann die Elongation des jeweiligen Bereichs gemessen werden, in diesem Fall durch ein Erfassen der Intensität des Laserstrahls, der an der Oberfläche des Bereichs auf dem mechanischen Resonator 110 reflektiert wird. In diesem Fall bietet aufgrund von Interferenzwirkungen die gemessene Intensität eine Gelegenheit, das Elongationssignal herzuleiten.
Ferner soll herausgestellt werden, dass die erste und die zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle 170, 180, der Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190, der Differential-Mode-Signalerzeuger 200 sowie die erste Verarbeitungsschaltung 210 und die zweite Verarbeitungsschaltung 220 im Prinzip analoge oder digitale Schaltungen oder eine Kombination aus beidem sein können. Ferner können Teile der zuvor erwähnten Komponenten als analoge Schaltungen oder Komponenten implementiert sein, während andere Teile als digitale Komponenten implementiert sein können. Ferner soll herausgestellt werden, dass alle oder zumindest einige der Komponenten, die erwähnt wurden, im Prinzip in der Form eines Prozessors implementiert sein können, wahlweise begleitet durch Speicherschaltungen, derart, dass Teile der oben beschriebenen Funktionalität des Sensors 100 oder alle Funktionalitäten, die oben beschrieben sind, in der Form einer Software ausgeführt werden, die auf einem Prozessor oder Computer ausgeführt wird.
In diesem Zusammenhang sollte angemerkt werden, dass Schaltungen, Komponenten und andere Objekte, die miteinander gekoppelt sind, nicht nur eine direkte Kopplung oder eine direkte Verbindung über einen Draht oder eine andere elektrisch leitende Struktur aufweisen, sondern auch die Möglichkeit, dass die jeweiligen Komponenten und Schaltungen über weitere Strukturen, Objekte oder Schaltungen, wie z. B. Widerstände, Verstärker, Filter oder andere Schaltungen, gekoppelt sind, aufweisen.
Ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100, wie in 1 gezeigt, bietet den Hauptvorteil eines Reduzierens der Anzahl von Sensorelementen in einer Messanordnung, die in der Lage ist, die Linearbeschleunigung eines Objekts, z. B. eines Autos, in Bezug auf drei Richtungen im Raum zu erfassen, und gleichzeitig in der Lage ist, die Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate in Bezug auf drei unterschiedliche Achsen im Raum zu messen, die mit den drei Richtungen, für die eine Sensoranordnung von mehr als einem Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 in Bezug auf die Linearbeschleunigung empfindlich ist, übereinstimmen könnten oder auch nicht. Anders ausgedrückt bietet ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 die Möglichkeit, die Anzahl von Sensorelementen wesentlich zu reduzieren, indem das Erfassen von sowohl einer Lineargeschwindigkeit als auch einer Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate mit dem gleichen aufgehängten mechanischen Resonator geboten wird.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Ausführungsbeispiele von Sensoren 100 unter Verwendung der Techniken von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) hergestellt werden können, die eine sehr kompakte und sehr energie-effiziente Erfassung von Linearbeschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten bieten. Anders ausgedrückt bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, zumindest eine Linearbeschleunigung in Bezug auf zumindest eine Richtung im Raum zu messen oder zu erfassen und gleichzeitig zumindest eine Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate in Bezug auf eine unterschiedliche oder die gleiche Richtung im Raum mit dem gleichen mikromechanischen Sensorelement in der Form eines aufgehängten mechanischen Resonators zu messen oder zu erfassen.
Bevor weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben werden, soll angemerkt werden, dass Objekte, Strukturen und Komponenten mit den gleichen oder ähnlichen Funktionseigenschaften mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es sei denn, dies ist explizit anderweitig angemerkt, ist die Beschreibung in Bezug auf Objekte, Strukturen oder Komponenten mit ähnlichen oder gleichen Funktionsmerkmalen oder -eigenschaften austauschbar. Ferner werden im Folgenden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen oder Komponenten, die bei einem Ausführungsbeispiel identisch oder ähnlich sind, oder die in mehreren Ausführungsbeispielen oder in mehreren Figuren erscheinen, verwendet, es sei denn, Eigenschaften oder Merkmale eines spezifischen Objekts, einer spezifischen Struktur oder Komponente werden angesprochen. Ein Verwenden zusammenfassender Bezugszeichen ermöglicht dadurch eine kompaktere und klarere Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Wie bereits im Zusammenhang des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels dargelegt und erläutert wurde, bietet ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 die Gelegenheit, sowohl eine Linearbeschleunigung des Sensors 100 als auch eine Winkelrate oder -geschwindigkeit des Sensors 100 dadurch zu messen, dass ein aufgehängter mechanischer Resonator 110, der empfindlich für unterschiedliche Moden einer Elongation in Bezug auf einen ersten Bereich 120 und einen zweiten Bereich 130 abhängig von dem Einfluss (Linearbeschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit) ist, an dem Sensor 100 hinzugefügt wird. Durch ein Messen oder Erfassen von Elongationen des ersten Bereichs 120 und des zweiten Bereichs 130 über die beiden mechanisch-elektrischen Schnittstellen 170, 180 können ein Gemeinsame-Mode-Signal C und ein Differential-Mode-Signal D aus den Elongationssignalen extrahiert werden, die zu Signalen verarbeitet werden können, die den jeweiligen Einfluss auf den Sensor 100 anzeigen.
Ausführungsbeispiele eines Sensors 100, die als mikromechanische Sensoren implementiert sind, können den Einfluss der Coriolis-Kräfte ausnutzen, um die Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate des Sensors zu erfassen. Die Sensoren werden sehr oft als mikromechanische Gyroskope oder Winkelratensensoren bezeichnet und sie sind in der Lage, eine Winkelgeschwindigkeit zu messen. Um dies zu erzielen, wird der mikromechanische Resonator 110 in eine gesteuerte Schwingung getrieben, die als Anregungsschwingungen oder Anregungsmode bezeichnet wird.
Um diese Schwingung in einer gesteuerten Weise zu erzielen, kann eine geschlossene Rückkopplungsschleife eingesetzt werden, um die Amplitude und Frequenz der Schwingung zu steuern. Die Schwingungsstruktur oder der mechanische Resonator weist zumindest eine zusätzliche Resonanzmode auf, die proportional zu der Coriolis-Kraft und so zu der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate des Sensors 100 ist, da diese Resonanzmode direkt oder indirekt mit der Anregungsmode oder einer Zwischenmode koppelt, die wiederum mit der Anregungsmode gekoppelt ist. Dies führt zu einer Schwingung in der zweiten oder weiteren Resonanzmode, was als Erfassungsschwingung bzw. -Oszillation oder Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit bezeichnet wird, was zum Messen der Winkelrate eingesetzt werden kann. Die Erfassungsschwingung weist die gleiche Frequenz auf wie die Anregungsschwingung, da die Energie der Erfassungsschwingung über die Kopplung proportional zu der Winkelgeschwindigkeit von der Anregungsschwingung bereitgestellt wird. Außer der direkten Messung der Erfassungsschwingung kann die Bewertung der Erfassungsbewegung des mechanischen Resonators z. B. durch ein Implementieren einer zusätzlichen Rückkopplungsschleife implementiert werden, die in der Lage ist, die Erfassungsschwingung über eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs- bzw. Force-Feedback-Schleife zu kompensieren.
In diesem Zusammenhang soll angemerkt werden, dass die Kompensation einer Erfassungsschwingung es nicht erforderlich macht, dass die Erfassungsschwingung vollständig kompensiert wird. Anders ausgedrückt kompensiert die Kraft-Rückkopplung, die implementiert ist, um die Kraft-Rückkopplungs-Schleife zu schließen, die Erfassungsschwingung in dem Sinn, dass verglichen mit einer Operation ohne eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife die Amplitude der Erfassungsschwingung wesentlich reduziert ist, typischerweise um 50%, vorzugsweise um 90% oder mehr.
Ferner stellt die Anregungsmode abhängig von der konkreten Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 nicht notwendigerweise eine direkte Kopplung zu der Erfassungsmode her, sondern nur über eine zusätzliche Zwischenmode. Abhängig von dem konkreten Layout, der Implementierung und dem Entwurf eines Ausführungsbeispiels des Sensors 100 kann die Anregungsmode über Aufbaumaßnahmen zu dem Zwischenmode koppeln, wie in dem Zusammenhang des mechanischen Resonators, der in den 5–11 beschrieben ist, erläutert wird. In diesem Fall koppelt die Zwischenmode über die winkelgeschwindigkeitsabhängigen Coriolis-Kräfte zu der Erfassungsmode. Im Prinzip jedoch könnte auch die Anregungsmode über die winkelgeschwindigkeitsabhängige Kopplung in der Form der Coriolis-Kräfte zu der Zwischenmode koppeln, während die Zwischenmode mehr oder weniger unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit über den Aufbauentwurf des mechanischen Resonators zu der Erfassungsmode koppelt.
Wie bereits angedeutet wurde, weist ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen (Winkelraten-)Sensors oft komplexe Strukturen auf, die außer den bereits erwähnten Schwingungsmodi zusätzliche Resonanzmoden zeigen. Bei vielen Ausführungsbeispielen können der Sensor 100, die Anregungsmode und die Erfassungsmode, die zum Messen der Winkelgeschwindigkeit verwendet werden, vorzugsweise ausgewählt und entworfen sein, um Push-Pull- bzw. Gegentaktschwingungen (Differential-Mode) zu sein, so dass diese Resonanzmoden so unempfindlich wie möglich in Bezug auf Gleichtstörungen oder Gemeinsame-Mode-Störungen sind, die z. B. durch Linearbeschleunigungen bewirkt werden, die auf den Sensor wirken. Als eine Folge müssen Ausführungsbeispiele der Sensoren nicht derart entworfen sein, dass sie keine zusätzlichen Schwingungsmoden bereitstellen.
Als eine Folge weist ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 einen mechanischen Resonator 110 auf, der derart entworfen ist, dass er eine Empfindlichkeit für eine Gegentaktschwingungsmode (Differential-Mode) für eine Winkelrate und eine Empfindlichkeit für eine Push-Push- bzw. Gleichtaktschwingungsmode (gemeinsame Mode) für zumindest eine Linearbeschleunigung in Bezug auf zumindest eine Richtung oder umgekehrt aufweist. Wie später erklärt wird, bleibt die Messung der Winkelgeschwindigkeit aufgrund einer Linearbeschleunigung, der der Sensor unterzogen wird, im Wesentlichen unverändert. Eine Winkelrate kann jedoch auch durch ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 erfassbar sein, indem dieser mit einer Gemeinsame-Mode-Schwingung oder einer Gleichtaktschwingung gekoppelt wird, während eine Linearbeschleunigung mit einer entsprechenden Gegentaktschwingung des mechanischen Resonators 110 gekoppelt ist.
Im Prinzip kann die Messung der Linearbeschleunigung durch ein Bewerten der Gemeinsame-Mode-Komponente der Elongationssignale in dem Fall, dass die Linearbeschleunigung einer Gleichtakt- oder Gemeinsame-Mode-Schwingung entspricht, erzielt werden. Wahlweise kann, wie zuvor erwähnt wurde, auch in dem Rahmen eines Bewertens der Gleichtaktschwingung oder der Gemeinsame-Mode-Komponente der Elongationssignale eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife verwendet werden, um die Gemeinsame-Mode-Komponente der Elongationssignale zu messen. Diese Option bietet den weiteren Vorteil, dass aufgrund einer Implementierung der geschlossenen Kraft-Rückkopplungs-Schleife der Einfluss der Linearbeschleunigung in Bezug auf den mechanischen Resonator oder allgemeiner ausgedrückt, die Position des aktiven Sensorelements gesteuert wird, was zu einer verbesserten Unterdrückung oder Kompensation der Gemeinsame-Mode-Elongation (Gleichtaktschwingung) während der Messung der Differential-Mode-Komponenten der Elongationssignale für die Winkelrate führt.
Um den Unterschied zwischen einem Ausführungsbeispiel eines Sensors, der eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife einsetzt, und einem Ausführungsbeispiel, das keine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife einsetzt, darzustellen, werden die Unterschiede zwischen den beiden Messkonzepten in Bezug auf die 2 und 3 herausgestellt und erklärt. Die 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele eines Sensors 100 in einer abstrakten Weise, wobei der Sensor 100 in der Lage ist, die Linearbeschleunigungen in Bezug auf drei Raumausrichtungen zu messen, und in der Lage ist, Winkelgeschwindigkeiten ebenso in Bezug auf drei unterschiedliche Raumrichtungen oder -achsen zu messen. Um dies zu erzielen, weist der Sensor 100 in 2 einen MEMS-Sensorblock 250 auf, mit dem ein Messblock 260 gekoppelt ist. Ferner ist der Messblock mit einem Signalverarbeitungsblock 270 gekoppelt.
Die durch ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 zu messenden Umgebungsgrößen weisen die Linearbeschleunigung und die Winkelrate, die auf (zumindest eine) MEMS-Struktur wirken, die in dem Sensorblock 250 beinhaltet ist, auf. Jede der zwei erwähnten Umgebungsgrößen weist drei Raumkomponenten auf, die in den 2 und 3 als ax, ay, az, ωx, ωy und ωz bezeichnet sind. Wie in 2 angezeigt ist, wandelt der Sensorblock 250 die Umgebungsgrößen, die auf den Sensor 100 wirken, in einen Satz von Werten S1, ..., Sn um, die über eine geeignete Anzahl elektrischer Verbinder als elektrische Signale E1, ..., En an den Messblock 260 übertragen werden, wobei n eine positive Ganzzahl ist. So weist der Sensorblock 250 oder die MEMS-Struktur 250 eine Anzahl elektrischer Verbinder auf, über die die elektrischen Signale E (E1, ..., En) zu dem Messblock 260 transportiert werden. Anders ausgedrückt weist der Messblock 250, der in 2 auch als MEMS-Sensor bezeichnet ist, den mechanischen Resonator 110 zusammen mit den beiden Bereichen 120, 130 und den mechanisch-elektrischen Schnittstellen 170, 180 auf, die in dem Zusammenhang von 1 eingeführt und gezeigt wurden.
Das elektrische Signal, das durch den Sensorblock 250 an den Messblock 260 geliefert wird, kann Spannungen, Ströme, Kapazitätswerte oder Widerstandswerte aufweisen. Es ist wichtig anzumerken, dass die in den 2 und 3 und den anderen Figuren der vorliegenden Anmeldung gezeigten Pfeile, die die Richtung des Signalflusses anzeigen, sich nur auf die Richtung beziehen, in der die tatsächlichen Informationen von einer Komponente oder einem Block zu der/den anderen übertragen werden. Anders ausgedrückt zeigen die Pfeile in Bezug auf die elektrischen Signale E1, ..., En einfach an, dass die Signale E durch den Messblock 260 erfasst und gemessen werden. Um jedoch in der Lage zu sein, das zuvor erwähnte Erfassen und die zuvor erwähnte Messung auszuführen, könnte es ratsam oder sogar notwendig sein, dass der Messblock 260 elektrische Signale auch in der entgegengesetzten Richtung überträgt.
Anders ausgedrückt könnte es ratsam oder notwendig sein, dass der Messblock 260 z. B. eine Spannung an den Sensorblock 250 liefert, und zwar über die gleichen elektrischen Verbindungen, die zur Messung des Stroms verwendet werden, der in der Richtung des Messblocks 260 fließt, der die konkrete Information anzeigt, die in das jeweilige elektrische Signal codiert ist. Der Messblock 260 liefert die gemessenen Größen in einer geeigneten Form an den Signalverarbeitungsblock 270. Obwohl eine vollständig analoge Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 eine Option ist, weist bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen der Messblock 260 eine Abtast- und Haltestufe auf, die einen Analog-Digital-Wandler aufweist, so dass die Informationen, die durch den Messblock 260 gemessen werden, als digitale Signale D1, Dn an den Signalverarbeitungsblock 270 geliefert werden können.
Der Signalverarbeitungsblock 270 ist in der Lage, aus den Signalen, die als die digitalen Signale D1, ..., Dn an den Signalverarbeitungsblock 270 geliefert werden, die zumindest zwei der zu messenden Größen zu berechnen, die zumindest eine Linearbeschleunigung und zumindest eine Winkelrate aufweisen, um es allgemein auszudrücken.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Sensors 100 muss nicht alle Ausgangssignale a1, a2, a3, ω1, ω2 und ω3, die in 2 gezeigt sind, die Signale, die die Linearbeschleunigungen a2 und a3 anzeigen und die Winkelraten ω2 und ω3 anzeigen, dargestellt als gepunktete Linien, f, bereitstellen, dies sind optionale Signale, die durch den Signalverarbeitungsblock 270 bereitgestellt werden.
Der Signalverarbeitungsblock 270 kann z. B. die Abbildung der digitalen Signale D1, ..., Dn, die an den Signalverarbeitungsblock 270 geliefert werden, zu den Signalen, die die zu messenden Größen a1, a2, a3, ω1, ω2 und ω3 anzeigen, basierend auf einem Satz von Gleichungen berechnen. Typischerweise weist der Satz von Gleichungen zumindest die Gleichungen auf, die nötig sind, um die Winkelrate oder die Ableitung der Winkelrate in Bezug auf eine Zeit basierend auf dem Differential-Mode-Signal, das in den digitalen Signalen D1, ..., Dn beinhaltet ist, zu berechnen oder zu bestimmen.
Ferner weist der Satz von Gleichungen üblicherweise auch zumindest die Gleichungen auf, die nötig sind, um die Linearbeschleunigung aus dem Gemeinsame-Mode-Signal zu bestimmen und zu berechnen, das auch in den digitalen Signalen D1, ..., Dn beinhaltet ist. Weitere Gleichungen jedoch, die zur Berechnung weiterer Größen basierend auf den Signalen nötig sind, die an den Signalverarbeitungsblock 270 geliefert werden, können in dem entsprechenden Satz von Gleichungen beinhaltet sein. Ferner können in dem Fall, dass das Gemeinsame-Mode-Signal einer Winkelrate entspricht und das Differential-Mode-Signal einer Linearbeschleunigung entspricht, die zuvor genannten Beziehungen ausgetauscht werden.
Anders ausgedrückt weist der Messblock 260 den Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger 190 und den Differential-Mode-Signalerzeuger 200 auf, während der Signalverarbeitungsblock 270 die erste und die zweite Verarbeitungsschaltung 210, 220 aus dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aufweist. Wie unten detaillierter erklärt ist, kann der Signalverarbeitungsblock 270 gemeinsam mit der ersten und der zweiten Verarbeitungsschaltung z. B. in der Lage sein, den Einfluss anderer physischer Einflüsse auf das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 zu kompensieren. Unter den durch den Signalverarbeitungsblock 270 zu kompensierenden Einflüssen sind die Temperatur des Sensors 100, mechanische Belastung und Druck unter anderen physischen Einflüssen, die Einflüsse darstellen, die in der Lage sind, die Messsignale zu verzerren.
Wie zuvor erwähnt wurde, zeigt 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 in einer Weise, die dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ziemlich ähnlich ist. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel jedoch ist ein Ausführungsbeispiel, das eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife aufweist, wie zuvor herausgestellt wurde. Als eine Folge unterscheidet sich die Struktur des Ausführungsbeispiels des in 3 gezeigten Sensors 100 leicht von der Struktur des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels. Aufgrund der Ähnlichkeiten der beiden in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiele jedoch wird hier Bezug auf die Beschreibung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels genommen.
Außerdem weist das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einen Sensorblock 250 auf, auf den der Umgebungseinfluss, der die drei Linearbeschleunigungskomponenten ax, ay und az und die drei Komponenten der Winkelrate ωx, ωy und ωz aufweist, wirkt. Wie zuvor in dem Zusammenhang des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels erklärt, ist der Sensorblock 250 auch in der Lage, elektrische Signale E1, ..., En basierend auf Signalwerten S1, ..., Sn, die durch den Sensorblock 250 (MEMS-Sensor) gemessen werden, an den Messblock 260 zu liefern.
Der Messblock 260 bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die zusätzliche Funktionalität auf, dass er in der Lage ist, ein elektrisches Signal auch in Richtung des Sensorblocks 250 bereitzustellen, so dass die mechanisch-elektrischen Schnittstellen, die in dem Sensorblock 250 beinhaltet sind, wiederum in der Lage sind, mit dem mechanischen Resonator 110 in Wechselwirkung zu stehen, um die vorstehend genannte geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife einzurichten. Entsprechend unterscheidet sich der Sensorblock 250 auch von dem in 2 gezeigten Sensorblock 250 dahingehend, dass die mechanisch-elektrischen Schnittstellen in der Lage sind, nicht nur die Elongationssignale bereitzustellen, sondern auch eine Kraft auf den mechanischen Resonator auszuüben, wie durch geeignete Rückkopplungssignale (F1, ..., Fn) angezeigt ist. Entsprechend ist der Messblock 260 in 3 als Messen und Rückkopplung bezeichnet.
Aufgrund der zusätzlichen Funktionalität in der Form einer geschlossenen Kraft-Rückkopplungs-Schleife ist der Signalverarbeitungsblock 270 außerdem nicht nur in der Lage, die digitalen Signale D1, ..., Dn zu empfangen und weiter in die Messsignale a1, ω1 und wahlweise a2, a3, ω2 und ω3 zu verarbeiten, wie in dem Zusammenhang des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels angezeigt ist, sondern ist auch in der Lage, Kraft-Rückkopplungs-Signale F1, ..., Fn zu erzeugen.
Die Kraft-Rückkopplungs-Signale F1, ..., Fn werden durch den Signalverarbeitungsblock 270 an den Messblock 260 geliefert, in dem nötige Anpassungen und Abänderungen der Signale ausgeführt werden, bevor die geeigneten elektrischen Signale E1, ..., En zurück zu dem Sensorblock 250 geliefert werden. Abhängig von der konkreten Implementierung können auch die Kraft-Rückkopplungs-Signale F1, ..., Fn z. B. digitale Signale sein, die innerhalb des Messblocks 260 durch den geeigneten Digital-Analog-Wandler in analoge Signale gewandelt werden. Ferner könnte es notwendig sein, die Signale durch Treiberschaltungen zu verstärken, die in dem Messblock 260 beinhaltet sind, bevor die geeigneten Signale an die Signalleitungen geliefert werden, die den Sensorblock 250 und den Messblock 260 verbinden.
Als eine Folge ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Signalfluss zwischen dem MEMS-Sensor 250 und dem Messblock 260, der auch als elektrische Eingangsvorrichtung bzw. Front-End bezeichnet wird, eine bidirektionale Kommunikation. Verglichen mit dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel soll die vorstehend genannte bidirektionale Kommunikation in dem Sinn verstanden werden, dass die durch die elektrische Eingangsvorrichtung 260 bereitgestellten Signale (z. B. Spannungen) eine beabsichtigte Rückkopplungskraft auf den Sensor 250 ausüben, die verwendet wird, um den Bewegungen und Elongationen des mechanischen Resonators des Sensorblocks 250 entgegenzuwirken, die durch die Winkelrate und/oder Linearbeschleunigung bewirkt werden. Anders ausgedrückt ist die Rückkopplungskraft, die auf den mechanischen Resonator ausgeübt wird, in der Lage, die Elongationen der MEMS-Struktur des Sensors 100, die durch die Linearbeschleunigung und/oder die Winkelrate bewirkt werden, zu kompensieren. In diesem Fall empfängt der Messblock nicht nur die elektrischen Messgrößen E (E1, ..., En), sondern stellt auch elektrische Signale E bereit, die gemäß den Kraft-Rückkopplungs-Signalen F (d. h. F1, ..., Fn) eingestellt sind, was auch die Steuersignale oder Betätigungssignale der geschlossenen Rückkopplungsschleife darstellt.
Wie zuvor erklärt wurde, sind die Signale D (d. h. D1, ..., Dn) vorzugsweise als digitale Signale implementiert. Entsprechend können auch die Kraft-Rückkopplungs-Signale F als digitale Signale implementiert sein. Ferner soll angemerkt werden, dass im Prinzip auch die elektrischen Signale E als digitale Signale implementiert sein können, unter der Voraussetzung, dass der entsprechende Analog-Digital-Wandler und die optionalen Digital-Analog-Wandler gemeinsam mit nötigen Treiberschaltungen von dem Messblock 260 in den Sensorblock 250 bewegt werden, was in beiden in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen implementiert werden kann.
Durch ein Implementieren von zumindest den Signalen D1, ..., Dn und F1, ..., Fn als digitale Signale kann der Signalverarbeitungsblock 270 einen Satz von Gleichungen aufweisen, basierend auf denen die Ausgangssignale, die die gemessenen Größen a1, a2, a3, ω1, ω2 und ω3 anzeigen, aus dem Satz von Gleichungen, die in den Signalverarbeitungsblock 270 implementiert sind, basierend auf den Signalen E1, ..., En oder basierend auf den Betätigungssignalen (Kraft-Rückkopplungs-Signalen) F1, ..., Fn berechnet werden können. Die Signale z. B., die die gemessenen Größen anzeigen, basieren auf zumindest einem Gemeinsame-Mode-Signal und zumindest einem Differential-Mode-Signal, wie durch die durchgezogenen Linien für die Ausgangssignale a1 und ω1, verglichen mit den gestrichelten Linien für die optionalen Ausgangssignale a2, a3, ω2 und ω3, angezeigt ist.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100. Während 4 insbesondere für die Erfassung und Verarbeitung elektrischer Signale gedacht ist, werden im Rahmen der 5a–11 mögliche mechanische Resonatorstrukturen 110, die in einem Ausführungsbeispiel des Sensors 100 implementiert sein können, detaillierter erläutert. Es ist wichtig anzumerken, dass die Struktur des mechanischen Resonators 110 in Bezug auf das Verständnis der Ausführungsbeispiele des Sensors 100 und des Verfahrens zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit wichtig ist, da die Struktur des mechanischen Resonators darstellt, dass die Winkelgeschwindigkeit (oder Winkelrate) und Linearbeschleunigung zu unterschiedlichen Typen von Elongationen der jeweiligen Bereiche des mechanischen Resonators 110 führen.
In dem Fall einer elektrostatischen/kapazitiven Kopplung, die bei den mechanisch-elektrischen Schnittstellen eingesetzt wird, führen die Winkelgeschwindigkeit und die Linearbeschleunigung zu unterschiedlichen Elongationen der gleichen Elektroden, was so zu unterschiedlichen Signalen in Bezug auf die Kapazitätswerte der entsprechenden Elektroden in Bezug auf ihre jeweiligen Gegenelektroden, die den Kondensator bilden, führt. Anders ausgedrückt ist es wichtig anzumerken, dass in dem Fall einer elektrostatisch/kapazitiv wirkenden mechanisch-elektrischen Schnittstelle der erste und der zweite Bereich des mechanischen Resonators zwei unterschiedlichen Kondensatoren entsprechen, deren Kapazitätswerte oder deren Ableitungen in Bezug auf eine Zeit bestimmt werden, um die Winkelgeschwindigkeit und die Linearbeschleunigung zu messen.
Details in Bezug auf Parameter, die in dem Rahmen von Ausführungsbeispielen eines Sensors 100 verwendet werden, die mit dem mechanischen Resonator 110 und seiner bestimmten Struktur verbunden sind, werden in dem Zusammenhang der Beschreibung Bezug nehmend auf die 5–11 erläutert und detailliert beschrieben.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Sensors 100, in dem der Schwerpunkt auf dem elektrischen Schaltungsaufbau liegt und nicht einer Beschreibung der Struktur des mechanischen Resonators. Als eine Folge zeigt 4 den mechanischen Resonator 110 nur hinsichtlich seiner elektrischen Verdrahtung, die sich innerhalb eines Gehäuses 300 des MEMS-Gyroskops befindet. Der mechanische Resonator 110 weist eine Siliziumstruktur auf, die ausreichend elektrisch leitend ist, um die Gegenelektrode einer Kapazität oder eines Kondensators zu bilden. Genauer gesagt bildet die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 zumindest vier Kondensatoren in Bezug auf zumindest vier Elektroden, die unterhalb des mechanischen Resonators 110 positioniert sind. In dieser Konfiguration entsprechen, wie im Zusammenhang der 5–11 detaillierter erläutert wird, die Bereiche, die mit den mechanisch-elektrischen Schnittstellen in Wechselwirkung stehen, im Wesentlichen den Bereichen auf dem mechanischen Resonator selbst direkt gegenüber von den entsprechenden Elektroden der mechanisch-elektrischen Schnittstellen.
Das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 in 4 weist insgesamt drei geschlossene Rückkopplungsschleifen auf, die in der Lage sind, die vorstehend genannte Anregungsmode zu steuern, sowie in der Lage sind, die Bewegungen des mechanischen Resonators 110 aufgrund des Einflusses der Winkelgeschwindigkeit und Linearbeschleunigung des Sensors 100 zu kompensieren.
Wie in 4 gezeigt ist, weist der mechanische Resonator vier Kondensatoren 310-1, 310-2, 310-3 und 310-4 auf, die unter Verwendung zusammenfassender Bezugszeichen als Kondensatoren 310 bezeichnet sind. Von jedem der vier Kondensatoren 310 ist eine Elektrode durch die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 gebildet. Die anderen Elektroden der vier Kondensatoren 310 sind, wie zuvor erläutert wurde, durch ein Aufbringen von Gegenelektroden auf ein Substrat hergestellt, das sich unterhalb der Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 befindet und das ausreichend elektrisch isolierend ist, um Kurzschlüsse zwischen den auf dem Substrat aufgebrachten Elektroden zu vermeiden.
Wie später erläutert wird, kann das Substrat unterhalb der Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 z. B. ein Glassubstrat sein. Die Gegenelektroden des ersten und des zweiten Kondensators 310-1 und 310-2 sind Teil der mechanisch-elektrischen Schnittstellen eines Anregers 320 oder einer Anregerschaltung 320, der/die in der Lage ist, die Anregungsmode des mechanischen Resonators 110 einzuleiten und beizubehalten. Entsprechend sind die beiden Gegenelektroden des ersten und des zweiten Kondensators 310-1 und 310-2 mit einem Multiplexer (MUX) 330 gekoppelt, der wiederum über jeweils zwei separate Signalleitungen mit einer Treiberschaltung 340 und einer Abtast- und Haltestufe 350 gekoppelt ist. Als eine Folge ist der Multiplexer 330 in der Lage, entweder die Gegenelektroden der beiden Kondensatoren 310-1 und 310-2 mit der Treiberschaltung 340 oder mit der Abtast- und Haltestufe 350 zu koppeln. Die Treiberschaltung 340 kann z. B. für eine Impedanzanpassung und/oder eine Synchronisation der Signale verwendet werden. Wahlweise könnte die Abtast- und Haltestufe 350 einen optionalen rauscharmen Verstärker (LNA; LNA = low noise amplifier) aufweisen, so dass die elektrischen Signale, die durch die beiden Kondensatoren 310-1 und 310-2 bereitgestellt werden, verstärkt werden, bevor sie durch die Abtast- und Haltestufe 350 verarbeitet werden. Vorzugsweise ist ein derartiger optionaler rauscharmer Verstärker als eine analoge Komponente implementiert.
Die Abtast- und Haltestufe 350 ist ferner mit einem Analog-Digital-Wandler 360 (ADC) gekoppelt, der zum Wandeln des analogen Signals, das durch die Abtast- und Haltestufe 350 bereitgestellt wird, in ein digitales Signal gedacht ist. Die Abtastfrequenz, die in dem Analog-Digital-Wandler 360 eingesetzt wird, liegt üblicherweise abhängig von dem eingesetzten Analog-Digital-Wandler in dem Frequenzbereich von mehreren zehn Kilohertz (kHz) bis zu mehreren hundert Megahertz (MHz). In dem Fall eines Analog-Digital-Wandlers 360 z. B., der als ein Sigma-Delta-Modulator arbeitet, sind die Abtastfrequenzen allgemein in einem höheren Frequenzbereich, um die erforderliche Auflösung sicherzustellen. Anders ausgedrückt ist in dem Fall eines Sigma-Delta-Modulators die Abtastfrequenz typischerweise in dem Bereich von mehreren hundert Kilohertz bis zu einigen Megahertz (100 kHz < f (Abtastung) < 10 MHz). Der Analog-Digital-Wandler 360 ist in der Lage, die beiden Signale, die durch die Abtast- und Haltestufe 350 bereitgestellt werden, entsprechend den Signalen, die von den Kondensatoren 310-1, 310-2 empfangen werden, separat zu wandeln.
Der Analog-Digital-Wandler 360 ist ferner über zwei Signalpfade, die die entsprechenden digitalisierten Signale befördern, die die Signale anzeigen, die von den beiden Kondensatoren 310-1, 310-2 gewonnen werden und mit dem Anreger 320 gekoppelt sind, mit dem Filterelement 370 gekoppelt. Abhängig von der konkreten Implementierung des mechanischen Resonators 110 gemeinsam mit seinen mechanischen Eigenschaften und der Anordnung der Elektroden in Bezug auf den mechanischen Resonator 110 der Kondensatoren 310-1, 310-2 liefert das Filter 370 ein gefiltertes Signal basierend auf den Signalen, die durch den Analog-Digital-Wandler 360 bereitgestellt werden, die die Anregungsmode des mechanischen Resonators 110 anzeigen. Anders ausgedrückt könnte das Filterelement 370 eine beliebige Kombination einzelner Filterkomponenten aufweisen, könnte z. B. Bandpassfilter, Hochpassfilter, Tiefpassfilter, Bandsperrfilter und Kerbfilter aufweisen. Ferner könnten auch komplexere Filter, die die beiden Signale, die an das Filterelement 370 geliefert werden, kombinieren, in das Filter 370 implementiert sein. Wie zuvor erwähnt wurde, könnte abhängig von der konkreten Implementierung des mechanischen Resonators 110 das Filter 370 z. B. ein Bandpassfilter zusammen mit einem Filter zum Berechnen eines Differential-Mode-Signals basierend auf einer Gleichung, die der Gleichung (2) ähnelt, aufweisen, wenn z. B. die Anregungsmode des mechanischen Resonators über ein Differential-Mode-Signal angeregt werden kann, das an die beiden Kondensatoren 310-1, 310-2 geliefert wird.
Das Filterelement 370 jedoch liefert ein Signal an eine Anregungssteuerung 380 des Anregers 320, das eine Größe in Bezug auf die Anregungsmode des mechanischen Resonators 110 anzeigt. Ein Beispiel einer derartigen Größe könnte z. B. die Amplitude der Anregungsmode sein. Abhängig von dem von dem Filterelement 370 empfangenen Signal liefert die Anregungssteuerung 380 die Rückkopplungssignale an einen Digital-Analog-Wandler 390 (DAC), der die Rückkopplungssignale als analoge Signale an den Treiber 340 liefert, der wiederum die Signale verstärkt und dieselben über den Multiplexer 330 an die Kondensatoren 310-1, 310-2 liefert, wodurch die Rückkopplungsschleife geschlossen wird.
Zusammenfassend erzeugt die obere Rückkopplungsschleife die Anregungsschwingung für die Messung der Winkelgeschwindigkeit, die durch die Eigenresonanz des mechanischen Resonators 110 des Sensors 100 in Bezug auf die Anregungsmode bestimmt ist. Die Rückkopplungsschleife des Anregers 320 ist in der Lage, die Amplitude der Anregungsmode und so der Anregungsspannung, die an den Kondensator 310-1, 310-2 geliefert wird, zu stabilisieren.
Die Anregerrückkopplungsschleife, die in dem Anreger 320 beinhaltet ist, wirkt auf ein erstes Paar von Elektroden, das in den Kondensatoren 310-1, 310-2 auf der mechanischen Struktur des mechanischen Resonators 110 beinhaltet ist, und erzeugt „elektrostatische” Kräfte. Wie in den nächsten Abschnitten erklärt wird, wird die Rückkopplungsgröße über Messungen der Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren 310-1, 310-2 bewertet. Aufgrund des Vorliegens des Multiplexers 330 ist es möglich, zwischen der Bestimmung/Messung und der elektrostatischen Kopplung für die Kraft-Rückkopplungs-Schleife umzuschalten oder zu multiplexen, wenn das Messprinzip für die Bestimmung des Kapazitätswerts einen derartigen Schritt erfordert. Dies kann z. B. basierend auf der Zeit in einer Zeit-Multiplex-Weise durchgeführt werden.
Als ein Beispiel kann die Messung der Kapazität der Kondensatoren 310-1, 310-2 durch Anlegen einer Spannung an die Kondensatoren 310-1, 310-2 und durch Messen des resultierenden Stroms durchgeführt werden, woraus Informationen in Bezug auf die Elongation und/oder die Ableitung der Elongation in Bezug auf eine Zeit gewonnen werden können. Anders ausgedrückt kann die Elongation der Anregungskondensatoren 310-1, 310-2 durch ein Messen des Stroms bewertet werden, wenn eine Spannung oder ein Spannungsmuster (z. B. eine Schwingung) an die Anregungskondensatoren 310-1, 310-2 geliefert wird.
Da jedoch der mechanische Resonator 110 in vielen Fällen derart entworfen sein kann, dass die Anregungskapazitäten 310-1, 310-2 nur Differential-Signale oder Differential-Steuerung der entsprechenden Elektroden erfordern, ist es in vielen Fällen ausreichend, die Kapazitätswerte der Anregerkapazitäten 310-1, 310-2 differentiell zu bewerten. Als eine Folge kann die gemeinsame Mode des Betätigungssignals oder des Steuersignals, das durch die Anregungssteuerung 380 bereitgestellt wird, frei definiert sein oder kann verwendet werden, um weitere schaltungsaufbau-bezogene Funktionen zu implementieren.
Bei vielen Ausführungsbeispielen eines Sensors 100 liefert der Anreger 320 Wechselstromsignale an die mechanisch-elektrischen Schnittstellen, mit einer charakteristischen Frequenz, die durch die unterschiedlichen Moden des mechanischen Resonators 110 bestimmt ist. Wichtige Frequenzen z. B. können die Eigenfrequenzen der Anregungsmode, der unterschiedlichen Erfassungsmoden und/oder, der Zwischenmode, falls vorhanden, sein.
Abhängig von dem konkreten Layout des mechanischen Resonators 110 könnte es möglich sein, dass der Anreger oder die Anregerschaltung 320 eine Anregungsfrequenz verwendet, die nicht der Frequenz der Anregungsmode entspricht, sondern der Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz einer Zwischenmode, mit der die Anregungsmode gekoppelt ist, um die Energie der Anregungsmode in die Zwischenmode zu übertragen, die die tatsächliche Mode ist, mit der die Erfassungsmode auf eine Winkelgeschwindigkeit oder eine Winkelrate hin aufgrund der Coriolis-Kräfte, wie bereits erwähnt wurde, eine Kopplung herstellt.
Wie im Folgenden erläutert ist, weist das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 in 4 ferner zwei zusätzliche Rückkopplungsschleifen auf, die bei der Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit (Gierrate) und der Linearbeschleunigung eingesetzt werden. Außer den beiden Anregungskondensatoren 310-1, 310-2 weist der mechanische Resonator 110 die beiden Kondensatoren 310-3 und 310-4 auf, die auch als die Erfassungskondensatoren bezeichnet werden. Die beiden Erfassungskondensatoren oder genauer gesagt die Elektroden, die auf dem isolierenden Substrat unterhalb der Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 310 gebildet sind, sind mit einem Multiplexer 400 (MUX) gekoppelt, der in der Lage ist, die beiden Signalleitungen, die die Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 verbinden, zu einer Abtast- und Haltestufe 410 oder einer Treiberschaltung 420 umzuschalten, z. B. basierend auf der Zeit in einer Zeit-Multiplex-Weise. Wie in dem Zusammenhang der Abtast- und Haltestufe 350 beschrieben ist, könnte die Abtast- und Haltestufe 410 z. B. einen rauscharmen Verstärker (LNA) zum Verstärken der Signale, die von den Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 wiedergewonnen werden, aufweisen. Ein Analog-Digital-Wandler 430 (ADC) ist mit der Abtast- und Haltestufe 410 gekoppelt und ist in der Lage, die analogen Signale, die durch die Abtast- und Haltestufe 410 bereitgestellt werden, in digitale Signale zu wandeln. Ferner könnte der Analog-Digital-Wandler 430 ferner Komponenten aufweisen und könnte in einer derartigen Weise aufgebaut sein, wie in dem Zusammenhang des Analog-Digital-Wandlers 360 beschrieben ist.
Der Analog-Digital-Wandler 430 ist über zwei Ausgänge mit einem Filterelement 440 und einem Filterelement 450 in einer Parallelkonfiguration gekoppelt. Anders ausgedrückt weisen beide Filterelemente 440, 450 jeweils zwei Eingänge auf, mit denen der Analog-Digital-Wandler 430 über seine beiden Ausgänge gekoppelt ist, unter Bereitstellung der Signale, die von den Erfassungskapazitäten 310-3, 310-4 wiedergewonnen werden, in modifizierten Versionen. Während das Filterelement 440 zur Trennung einer Differential-Mode-Komponente von den Signalen, die aus den Erfassungskapazitäten gewonnen werden, beabsichtigt ist, ist das Filterelement 450 in der Lage, eine Gemeinsame-Mode-Komponente der beiden erwähnten Signale zu trennen. Entsprechend stellt das Filterelement 440 außer weiteren Filterkomponenten, wie z. B. den Filterkomponenten, die im Zusammenhang des Filterelements 370 beschrieben sind, einen Differential-Mode-Ausgang, ein Differential-Mode-Signal basierend auf den Signalen, die an das Filterelement 440 geliefert werden, basierend auf einer Gleichung, die der oben gezeigten Gleichung (2) ähnelt, bereit. Entsprechend stellt das Filterelement 450 an einem Gemeinsame-Mode-Ausgang ein Gemeinsame-Mode-Signal basierend auf den Signalen, die an das Filterelement 450 geliefert werden, basierend auf einer Gleichung, die der oben erwähnten Gleichung (1) ähnelt, bereit. Beide Filterelemente 440, 450 jedoch können zusätzliche Filterkomponenten aufweisen, wie z. B. die im Zusammenhang des Filterelements 370 erwähnten Filterkomponenten.
Genauer gesagt könnte ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 als eine zusätzliche Filterkomponente ein Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz bei der Frequenz der Anregungsmode oder der Zwischenmode aufweisen, abhängig von der konkreten Implementierung des mechanischen Resonators 110, und bei der Resonanzfrequenz der Erfassungsmode, die zum Erfassen von z. B. der Winkelrate eingesetzt wird. Da die Erfassungsmode für die Winkelrate (Differenzmode) und die Anregungsmode oder Zwischenmode (abhängig von der Implementierung des mechanischen Resonators) aufgrund der durch die Coriolis-Kraft bewirkten Kopplung die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, könnten sowohl das Filterelement 370 als auch das Filterelement 440 für das Differential-Mode-Signal bei einigen Ausführungsbeispielen des Sensors 100 eine Filterkomponente mit einer Bandpassfiltercharakteristik mit einer Mittenfrequenz der Resonanzfrequenz der erwähnten Moden aufweisen.
In dem Fall des Filterelements 450 könnte es für das Gemeinsame-Mode-Signal, das z. B. in Bezug auf die Linearbeschleunigung des Sensors 100 empfindlich ist, ratsam sein, ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz der Anregungsmode oder der Zwischenmode und der Erfassungsmode zu implementieren, da die Mode, die die Linearbeschleunigung anzeigt, in vielen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht in einer resonanten Weise angeregt wird. Genauer gesagt ist, da die Linearbeschleunigungskräfte auf den mechanischen Resonator 110 wirken und bei vielen Ausführungsbeispielen keine explizite Kopplung der jeweiligen Schwingungsmode (auch als Linearbeschleunigungsmode bezeichnet) erforderlich ist, die Schwingungsfrequenz oder Eigenfrequenz der Linearbeschleunigungsmode nicht resonanzmäßig mit der Anregungsmode oder der Zwischenmode gekoppelt. Abhängig von der konkreten Implementierung sollten, wenn die Linearbeschleunigungsmode einen wesentlichen Beitrag bei der Resonanzfrequenz der Anregungsmode, Zwischenmode oder Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit aufweist (z. B. während der letzten Zerfallsphasen der Schwingungen), die jeweiligen Frequenzen in der Lage sein, das Filterelement 450 zu durchlaufen, so dass es ratsam sein könnte, eine Bandsperrfilterkomponente mit Sperrfrequenzen zu implementieren, die die Frequenzen der Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit aufweisen. Es soll jedoch angemerkt werden, dass diese zusätzlichen Filterkomponenten, die in die Filterelemente 370, 440, 450 integriert sein könnten, optionale Komponenten sind und nicht implementiert sein müssen.
Ferner könnten die Filterelemente 370, 440, 450 auch Komponenten zum Modulieren oder Demodulieren des Signals basierend auf einem internen Referenzsignal oder einem extern angelegten Referenzsignal aufweisen. Eine Implementierung eines Modulators oder Demodulators kann z. B. eingesetzt werden, um die Mittenfrequenz des Signals, das durch die Filterstufen ausgegeben wird, zu reduzieren oder zu verschieben.
Die Filterstufe 440 ist über einen Differential-Mode-Ausgang mit einer Erfassungssteuerung 460 verbunden, die mit einer Signalverarbeitungsstufe 470 gekoppelt ist, mit der auch die Anregungssteuerung 380 gekoppelt ist. Die Signalverarbeitungsstufe 470 wiederum könnte einen Demodulator und weitere Signalverarbeitungsfähigkeiten aufweisen, wie in dem Zusammenhang der in den 2–3 gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert und erklärt ist, die die Funktionalität eines Kompensierens von Temperatureinfluss, Druckeinfluss und anderen Umgebungseinflüssen aufweisen könnten. Als eine Folge ist die Signalverarbeitungsstufe 470 in 4 als „IQ-Demodulation & Signalverarbeitung” (IQ = in-phase and quadrature-phase = in Phase und Quadraturphase) bezeichnet. Genauer gesagt wird die Demodulation des Signals in Bezug auf die Eigenfrequenz der Anregungsmode oder der Zwischenmode abhängig von der Implementierung des mechanischen Resonators 110 ausgeführt, die gleich der Resonanzfrequenz der Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit ist. Als eine Folge ist die Signalverarbeitungsstufe 470 in der Lage, ein Ausgangssignal bereitzustellen, das die Winkelgeschwindigkeit oder Gierrate anzeigt.
Die Erfassungssteuerung 460 jedoch ist auch mit einem Digital-Analog-Wandler 480 gekoppelt, an den ein Differential-Mode-Rückkopplungssignal durch die Erfassungssteuerung 460 geliefert wird, die auch die Funktionalität einer Differential-Mode-Rückkopplungssteuerung übernimmt. Das Filterelement 450 für das Gemeinsame-Mode-Signal ist mit einer Beschleunigungssteuerung gekoppelt, die wiederum mit einer Signalverarbeitungsstufe 500 gekoppelt ist, die in der Lage ist, ein Ausgangssignal bereitzustellen, das die Beschleunigung anzeigt, der das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 unterzogen wird. In diesem Zusammenhang kann die Signalverarbeitungsstufe 500 derart aufgebaut sein, dass es auch möglich ist, die vorstehend genannten Umgebungseinflüsse zu kompensieren.
Ferner liefert die Beschleunigungssteuerung 490 ein Gemeinsame-Mode-Rückkopplungssignal an den Digital-Analog-Wandler 480, mit dem auch die Beschleunigungssteuerung 490 gekoppelt ist. Als eine Folge weist auch die Beschleunigungssteuerung 490 die Funktionalität einer Gemeinsame-Mode-Rückkopplungssteuerung auf.
Der vorstehend genannte Digital-Analog-Wandler 480 ist nicht nur in der Lage, die digitalen Eingangssignale in analoge Signale umzuwandeln, sondern ist auch in der Lage, einzelne Rückkopplungssignale basierend auf dem Differential-Mode-Rückkopplungssignal und dem Gemeinsame-Mode-Rückkopplungssignal zu erzeugen, die durch die Beschleunigungssteuerung 490 und die Erfassungssteuerung 460 bereitgestellt werden. Anders ausgedrückt ist der Digital-Analog-Wandler 480 nicht nur in der Lage, die Signale umzuwandeln, sondern ist auch in der Lage, zumindest grundlegende algorithmische Manipulationen basierend auf folgenden Gleichungen durchzuführen: FB1 = 1/2·(CMFB + DMFB (3) und FB2 = 1/2·(CMFB – DMFB) (4) wobei FB1 und FB2 das erste und das zweite Rückkopplungssignal oder die Werte des ersten und des zweiten Rückkopplungssignals sind, CMFB der Wert des Gemeinsame-Mode-Rückkopplungssignals ist und DMFB der Wert des Differential-Mode-Rückkopplungssignals ist. Zusätzliche Versätze, Faktoren oder komplexere Funktionen jedoch können in dem Fall einer konkreten Implementierung eines Digital-Analog-Wandlers 480 implementiert sein. Ferner sollte angemerkt werden, dass, obwohl die Berechnung basierend auf den Berechnungen (3) und (4) einfacher als digitale Signale ausgeführt werden könnte, auch eine analoge Implementierung der Gleichungen (3) und (4) implementiert sein kann.
Unter Schließung der Rückkopplungsschleife für die Differential-Mode-Erfassung und die Gemeinsame-Mode-Erfassung ist der Digital-Analog-Wandler 480 mit der Treiberschaltung 420 gekoppelt, die z. B. die Signalpegel einstellen und/oder die Signale, die durch den Digital-Analog-Wandler bereitgestellt werden, verstärken kann. Ferner könnte die Treiberschaltung 420 Schaltungen zur Impedanzanpassung und/oder Schaltungen zum Synchronisieren der Signale, die durch die Erfassungssteuerung 460 und die Beschleunigungssteuerung 490 über den Digital-Analog-Wandler 480 bereitgestellt werden, aufweisen. So könnten die Treiberschaltung 420 und die Treiberschaltung 340 im Prinzip die gleiche Funktionalität bieten.
Das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 weist ferner eine Gemeinsame-Treiber-Schaltung 510 auf, an die eine Gemeinsame-Elektrode-Spannung geliefert werden kann. Die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 ist mit dem mechanischen Resonator 110 gekoppelt und stellt eine wahlweise stabilisierte oder verstärkte Gemeinsame-Elektrode-Spannung an den mechanischen Resonator 110 bereit, derart, dass die leitende Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 auf ein gut definiertes Potential in Bezug auf die Bereiche oder Elektroden der zwei Anregerkondensatoren 310-1, 310-2 und der beiden Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 gesetzt wird.
Die gemeinsame Elektrode, die durch die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators selbst gebildet ist, kann durch die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 mit einem festen Potential versehen sein, jedoch auch einem komplexeren Signalmuster. Komplexere Signalmuster (z. B. eine Schwingung mit einer vordefinierten Frequenz) können z. B. auf dem Gebiet der Messung der Kapazitätswerte der Kondensatoren 310 eingesetzt werden. Ferner kann über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 und die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 eine elektrostatische Gemeinsame-Mode-Kraft auf den mechanischen Resonator 110 ausgeübt werden, die z. B. eingesetzt werden kann, um die Resonanzfrequenz der Erfassungsschwingung in Bezug auf die Anregungsfrequenz der Anregungsschwingung oder in Bezug auf die Frequenz der Zwischenschwingung, abhängig von der konkreten Implementierung und dem Layout des mechanischen Resonators 110, einzustellen. Allgemeiner können durch ein Anlegen einer Gemeinsame-Elektrode-Spannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 an die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 die Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden, die eine Bewegung senkrecht zu der Ebene des mechanischen Resonators 110 aufweisen, durch Anlegen einer mechanischen Vorspannung, die durch den mechanischen Resonator selbst erzeugt wird, aufgrund der Kräfte, die durch die Kondensatoren 310 auf den mechanischen Resonator ausgeübt werden, verändert werden. Als eine Folge nehmen durch ein Erhöhen der Gemeinsame-Elektrode-Spannung die Kräfte, die durch den mechanischen Resonator 110 auf sich selbst ausgeübt werden, zu, was z. B. zu einer erhöhten Resonanzfrequenz der beinhalteten Schwingungen führen kann.
Typischerweise können die Resonanzfrequenzen in dem Bereich von +/–50% eingestellt werden. Durch ein Eingrenzen der Gemeinsame-Elektrode-Spannung auf einen Bereich von mehreren Volt (z. B. 1–2 V) jedoch können die Herstellungstoleranzen des mechanischen Resonators 110, die typischerweise in dem Bereich von etwa +/–10% bis zu +/–20% in Bezug auf die Resonanzfrequenzen der Anregungsmode und der Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit betragen, kompensiert werden. Ferner soll angemerkt werden, dass durch das Anlegen einer Vorspannkraft aufgrund des Entwurfs des mechanischen Resonators 110 ebenso durch Anlegen einer Gemeinsame-Elektrode-Spannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 die Resonanzfrequenzen der beinhalteten Schwingungsmoden reduziert werden können. Weitere Details jedoch werden im Zusammenhang der 6–11 erläutert. So sind die Anregungsmode und/oder die Erfassungsmode über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 veränderbare Moden, da charakteristische Merkmale dieser Moden durch ein Anlegen einer Gemeinsame-Mode-Treiberspannung verändert werden können.
Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 wird aufgrund der Anregungsschwingung oder aufgrund der Zwischenschwingung, die mit der Anregungsschwingung gekoppelt ist (falls vorhanden, aufgrund des Entwurfs des mechanischen Resonators 110), die Erfassungsschwingung, die proportional zu der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelrate ist, erzeugt. So wird eine Schwingung des mechanischen Resonators 110 (Sensorelement) in einer weiteren Schwingungsmode mit der Frequenz der Anregung erzeugt. Diese Schwingung wird durch die Erfassungs-Rückkopplungsschleife durch Anlegen elektrostatischer Kräfte, die entgegenwirkende Kräfte auf den mechanischen Resonator 110 ausüben, kompensiert, so dass der Schwingung entgegengewirkt wird. Außer den Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4, dem Multiplexer 400, der Treiberschaltung 420 und dem Digital-Analog-Wandler 480 weist die entsprechende Erfassungsrückkopplungsschleife eine Abtast- und Haltestufe 410, den Analog-Digital-Wandler 430, das Filterelement 440 und die Erfassungssteuerung 460 auf. Das Betätigungssignal, das durch die Erfassungssteuerung 460 bereitgestellt wird, kann so verwendete werden, um ein Maß für die Winkelrate herzuleiten. Als eine Folge kann in dem Fall einer Implementierung einer Rückkopplungsschleife, wie in 4 gezeigt ist, das Betätigungssignal an die Signalverarbeitungsstufe 470 geliefert werden, um eine Basis für die Gierrate oder Winkelratensignal als das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsstufe 470 bereitzustellen.
Es wird angemerkt, dass, wie in 4 durch die zwei entgegengesetzten Pfeile 520 angezeigt ist, eine Winkelgeschwindigkeit, Winkelrate oder Gierrate in dem Fall der Kapazitätswertmessung ein Differenzsignal in Bezug auf die beiden Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 erzeugt. Entsprechend erzeugt, wie durch die parallelen Pfeile 530 in 4 angezeigt ist, eine Linearbeschleunigung ein Gemeinsame-Mode-Signal in dem Rahmen einer Kapazitätswertmessung.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann in Bezug auf die Erfassungsrückkopplungsschleife für sowohl das Differential-Mode-Signal, das die Gierrate anzeigt, als auch das Gemeinsame-Mode-Signal, das die Linearbeschleunigung anzeigt, das Schalten oder Multiplexen zwischen dem Kraft-Rückkopplungs-Modus und einer Kapazitätswertmessphase durch den Multiplexer 400 realisiert werden, wie in dem Zusammenhang der Anregungs-Rückkopplungsschleife des Anregers 320 beschrieben wurde, wenn der Kontext der Messung und Bewertung der Veränderung der Kapazitätswerte der Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 dies erforderlich macht, z. B. in einer Zeit-Multiplex-Weise.
Wie zuvor herausgestellt wurde, kann der mechanische Resonator 110 oder die mikromechanische Struktur des mechanischen Resonators 110 ferner in eine weitere Schwingungs- oder Bewegungsmode angeregt oder getrieben werden, was keine wesentliche Bedeutung oder Einfluss auf die Winkelgeschwindigkeitsbestimmung und -messung besitzt. Weitere Moden können z. B. durch eine Linearbeschleunigung des Sensors 100 angeregt werden. Im Gegensatz zu der Erfassungsbewegung, die beim Bestimmen der Winkelrate eingesetzt wird, werden die Kapazitätswerte der Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 nicht in entgegengesetzten Richtungen verändert, sondern in einer gemeinsamen Richtung. So kann die Dynamik dieser Mode durch ein Erfassen der Gemeinsame-Mode-Komponente der Veränderung der Kapazitätswerte der Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 erfasst werden. Ferner kann diese Mode auch durch eine Gemeinsame-Mode-Komponente der Kraft-Rückkopplungs-Spannung, die während der Kraft-Rückkopplungs-Phase an die Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 angelegt wird, kompensiert werden. So kann das Betätigungssignal der Beschleunigungssteuerung 490 nicht nur verwendet werden, um die Bewegung des mechanischen Resonators 110 in diesem Fall zu kompensieren, sondern kann auch als ein Maß für die Linearbeschleunigung verwendet werden.
Hier bietet ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 die Gelegenheit für eine kombinierte Messung einer Gierrate, Winkelrate oder Winkelgeschwindigkeit und einer (Linear-)Beschleunigung mit dem gleichen Sensorelement oder mechanischen Resonator 110. Anders ausgedrückt ist ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 in der Lage, Signale auszugeben, die eine Winkelrate und eine (Linear-)Beschleunigung, basierend auf einer einzelnen MEMS-Struktur als einem mechanischen Resonator ausgeben. Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Sensors 100 kann z. B. auf dem Gebiet von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, um z. B. auf dem Gebiet von ESP-bezogenen Anwendungen (ESP = electronic stability program = elektronisches Stabilitätsprogramm) für Autos angewendet zu werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100, das in 4 gezeigt ist, bietet die Möglichkeit, die Winkelrate aus dem Differential-Mode-Signal zu bestimmen, das durch die beiden Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 bereitgestellt wird, indem die Erfassungs-Rückkopplungsschaltung verwendet wird, die den Multiplexer 400, die Abtast- und Haltestufe 410, den Analog-Digital-Wandler 430, das Sensorelement 440, 450, die Erfassungssteuerung 460, die Beschleunigungssteuerung 490, den Digital-Analog-Wandler 480 und die Treiberschaltung 420 aufweist. Das Ausgangssignal, das die Linearbeschleunigung anzeigt, wird jedoch aus der Gemeinsame-Mode-Komponente des Gleiche-Elektrode-Pfads der Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 hergeleitet. Als eine Folge können beide Größen gleichzeitig aus den gleichen gemessenen Signalen extrahiert werden, indem die Differential-Mode-Komponente und die Gemeinsame-Mode-Komponente der beiden Erfassungskondensatoren 310-3, 310-4 getrennt werden. Ferner ist es aufgrund der Trennung einer Gemeinsame-Mode-Komponente und der Differential-Mode-Komponente möglich, beide Größen zu verwenden, um eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife einzurichten, indem die Differential-Mode-Komponente und die Gemeinsame-Mode-Komponente der beiden resultierenden Rückkopplungssignale kombiniert werden. Anders ausgedrückt können beide Messgrößen rückgekoppelt werden, um im Prinzip zwei geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleifen einzurichten. Ferner ist es durch ein Einsetzen des Multiplexers 400 möglich, die gleichen Elektroden der gleichen Kondensatoren 310-3, 310-4 zum Messen der entsprechenden Signale, die zu den Ausgangssignalen verarbeitet werden sollen, und gleichzeitig zum Liefern der Rückkopplungssignale zum Kompensieren von Elongationen, die durch die Bewegung des Sensors 100 bewirkt werden, zu verwenden.
Es wird jedoch auch angemerkt, dass die Gemeinsame-Mode-Rückkopplungsschleife zum Kompensieren der durch die (Linear-)Beschleunigung angeregten Mode die Resonanzfrequenz der Erfassungsmode, die zum Messen der Winkelrate eingesetzt wird, beeinflusst. Dieser Einfluss ist mit einer Einstellung der Resonanzfrequenz der Erfassungsmode für die Winkelrate durch Anlegen einer Gemeinsame-Elektrode-Spannung an die gemeinsame Elektrode, die durch die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 100 gebildet ist, wie zuvor beschrieben wurde, vergleichbar. Dies stellt jedoch verglichen mit einem Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 ohne eine geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife für die gemeinsame Mode keinen Nachteil dar, da die Elongation der Gemeinsame-Mode-Schwingung, die nicht durch die geschlossene Kraft-Rückkopplungs-Schleife kompensiert wird, die Resonanzfrequenz des mechanischen Resonators 110 und seine unterschiedlichen Moden etwas beeinflusst. Genauer gesagt ist der Einfluss, der durch die geschlossene Kraft-Rückkopplung für die Gemeinsame-Mode-Komponente bewirkt wird, vergleichbar mit einer nicht kompensierten Bewegung, die unter Betrachtung eines Plattenkondensators mit einer Entfernung d und mit einer an denselben angelegten Spannung U verständlich wird. In diesem Fall sind die elektrischen Felder E durch die angelegte Spannung U geteilt durch die Entfernung d der beiden Elektroden des Plattenkondensators gegeben: E = U/d (5)
Ohne eine geschlossene Kraft-Rückkopplung führt eine Gemeinsame-Mode-Veränderung der Entfernung d der Platte des Kondensators in Bezug auf eine konstante Spannung U zu einer vergleichbaren Veränderung des elektrischen Feldes E gemäß der Gleichung (5), wie in dem gesteuerten Fall. In dem gesteuerten Fall wird eine Gemeinsame-Mode-Veränderung der Entfernung der Kondensatorplatten d konstant gehalten, während die Spannung U über den Kondensator verändert wird.
Es wird angemerkt, dass ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 auch anders aufgebaut sein kann, insbesondere in Bezug auf den mechanischen Resonator 110, was noch detaillierter beschrieben wird. Alternativ kann die Erfassung der Linearbeschleunigung im Prinzip über eine Differenzmode der entsprechenden Schwingung erzielt werden. Entsprechend kann die Winkelrate über eine gemeinsame Mode des mechanischen Resonators 110 erfasst werden. Wie zuvor erwähnt wurde, hängt dies von der konkreten Form der Schwingungsmoden der mechanischen Struktur oder des mechanischen Resonators 110 und von der Konfiguration der Elektroden ab.
Ferner wird darauf verwiesen, dass die Abtast- und Haltestufen 350, 410 sowie die Analog-Digital-Wandler 360, 430 und die Digital-Analog-Wandler 390, 480 optionale Komponenten sind, die nicht implementiert sein müssen. In dem Fall, dass alle optionalen Komponenten fehlen, entsprechen die Filterstufen 440, 450 den Signalerzeugern 190, 200, die in 1 gezeigt sind. In diesem Fall könnten die Filterstufen 440, 450 ferner zusätzliche Filterkomponenten aufweisen, die eine Tiefpassfiltercharakteristik, eine Hochpassfiltercharakteristik, Bandpassfiltercharakteristika, eine Bandsperrfiltercharakteristik oder Kerbfiltercharakteristika aufweisen. Ferner können zusätzliche Demodulatorkomponenten und/oder Modulatorkomponenten wahlweise in die Filterstufen 440, 450 integriert sein. Natürlich können sie in diesem Fall als analoge Komponenten implementiert sein. Verglichen mit einer digitalen Implementierung, wie in dem Rahmen des Ausführungsbeispiels des Sensors 100 in 4 gezeigt ist, könnte dies eine zusätzliche Herausforderung darstellen, da es ratsam sein könnte, eine Einstellung der charakteristischen Frequenzen der analogen Filterkomponenten (z. B. Schwellenfrequenzen, Mittenfrequenzen, usw.) gemäß den Resonanzfrequenzen zu ermöglichen, da die Resonanzfrequenzen und die charakteristischen Frequenzen der analogen Komponenten Variationen, die durch Herstellungstoleranzen in Bezug auf die beinhaltete Mechanik und Elektronik bewirkt werden, unterzogen werden könnten.
Typischerweise weist ein Ausführungsbeispiel des Sensors 100 einen mechanischen Resonator 110 auf, der zu Schwingungsmoden in der Lage ist, der empfindlich für zumindest eine Winkelrate in Bezug auf eine Richtung und empfindlich für zumindest eine Linearbeschleunigung in Bezug auf zumindest eine Raumrichtung ist. Ferner kann der mechanische Resonator 110 als eine MEMS-Struktur (MEMS = micro-electro-mechanical system = mikroelektromechanisches System) implementiert sein, die unterschiedliche Schwingungsmoden aufweist. Unter diesen Schwingungsmoden ist zumindest eine gemeinsame Mode und eine Differential-Mode, die empfindlich für die Winkelrate bzw. Linearbeschleunigung sind.
Zusammenfassend ist die Anregungsschleife, die in dem Anreger 320 beinhaltet ist, verantwortlich für ein Aufbauen der Bewegung mit konstanter Amplitude für die Anregungsmode oder über die Anregungsmode für die Zwischenmode. Kritische gesteuerte Punkte sind Hochfahrzeit, Rauschen und Modenselektivität. Die Erfassungsschleife ist verantwortlich für ein Gewinnen des Winkelratensignals proportional zu der Coriolis-Kraft. Dies wird durch das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel durch ein Verwenden einer Funktionsweise einer geschlossenen Kraft-Rückkopplungs-Schleife erzielt.
Die geschaltete Zeit-Multiplex-Schnittstelle mit den beiden Multiplexern 330, 400 zwischen dem Gyro-Element oder mechanischen Resonator 110 und dem Rest des Ausführungsbeispiels des Sensors 100 macht es möglich, die Symmetrie unter Verwendung der gleichen Elektroden für die Treiberphase (Kraft-Rückkopplungs-Phase) und die Erfassungsphase (Messphase) zu verbessern. Ein Schalter-Demodulator, der z. B. in einer Abtast- und Haltestufe 410 beinhaltet sein kann, wird verwendet, um das gemessene AM-Signal (AM = Amplituden-Modulation) zu demodulieren. Das Demodulationssignal wird dann einer A/D-Wandlung durch den Analog-Digital-Wandler 430 unterzogen.
Der Vorteil eines Verwendens einer linearen Demodulation ist eine gute Selektivität oder entspannte Filteranforderungen und ein vernachlässigbares Rauschfalten.
Anders ausgedrückt wird eine Feinabstimmung einer Erfassungsschwingungsmode für die Winkelgeschwindigkeit und wahlweise für die Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung während letzter Tests für jeden Sensor durch Anlegen und Programmieren einer Gleichstromvorspannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 500 unter Verwendung der Nicht-Linearität der elektrostatischen Kraft, um die mechanische Steifigkeit zu reduzieren, durchgeführt.
In den letzten Stufen eines Herstellungsverfahrens eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 können Kalibrierungskoeffizienten während letzter Tests für jeden Sensor bestimmt werden, die dann z. B. in OTPROM-Mehrsicherungszellen (OTPROM = One-time programmable read-only memory = einmalig programmierbarer Nur-Lese-Speicher) gespeichert werden können. Feste Algorithmen, die z. B. in die Signalverarbeitungsstufen 470, 500 implementiert sind, werden zur genauen Winkelratendefinition und Linearbeschleunigungsdefinition sowie zur Temperaturkompensation unter Verwendung dieser Koeffizienten und Ablesewerte von dem internen Temperatursensor (in 4 nicht gezeigt) verwendet. Ferner kann, da der Signalpfad für sowohl das Winkelratenals auch das Linearbeschleunigungssignal (digitale) Hochpass- sowie Tiefpassfilter aufweisen, die z. B. in den Filterstufen 440, 450 beinhaltet sein können, die Messqualität wesentlich verbessert werden. Außerdem können die Signalverarbeitungsstufen 470, 500 ferner einen Eigentest des Ausführungsbeispiels des Sensors 100 durch z. B. Modifizieren der Anregung in Bezug auf Amplitude, Frequenz oder Phase und durch Erfassen des gemessenen Ergebnisses mit den vorhersehbaren Wirkungen, die derartige Modifizierungen für das Verhalten des Sensors 100 auferlegen sollten, implementieren.
Die 5a und 5b zeigen ein erstes Beispiel eines mechanischen Resonators 110. Der mechanische Resonator 110 weist zwei Schwingungsplatten 600-1, 600-2 auf, die durch einen asymmetrischen Balken 610 miteinander verbunden sind. Die beiden Schwingungsplatten 600-1, 600-2 sind mechanisch elastisch über zwei mechanisch elastische Federn 630-1, 630-2 mit einem Gestell 620 verbunden.
Wie bereits erläutert wurde, kann der mechanische Resonator 110 z. B. aus einem Silizium-Wafer oder einer Membran hergestellt sein, der/die über einem im Wesentlichen isolierenden Substrat positioniert ist, wobei eine Elektrodenanordnung darauf aufgebracht ist. In den schematischen in den 5a und 5b gezeigten Zeichnungen ist das Substrat unterhalb des mechanischen Resonators 110 nicht explizit gezeigt. Die 5a und 5b zeigen jedoch die Elektrodenanordnung in einer Ebene unterhalb des mechanischen Resonators 110, wobei die Aufwärtsrichtung als die positive z-Richtung definiert ist, wie durch ein Koordinatensystem 640 dargestellt ist, das unterhalb von 5b gezeigt ist.
Genauer gesagt weist die Elektrodenstruktur auf dem isolierenden Substrat vier Erfassungselektroden 650-1, 650-2, 650-3 und 650-4 sowie vier Stimulationselektroden oder Anregungselektroden 660-1, 660-2, 660-3 und 660-4 auf. Aufgrund der symmetrischen Schicht des mechanischen Resonators 110, der die beiden separaten Schwingungsplatten 600-1, 600-2 aufweist, umfasst jeder der vier Kondensatoren 310, die in 4 gezeigt sind, eine Elektrode unterhalb der ersten Schwingungsplatte 600-1 und eine entsprechende Elektrode unterhalb der zweiten Schwingungsplatte 600-2. Als ein Beispiel stellen die Anregungselektroden 660-2 und 660-3, die den beiden Schwingungsplatten 600-1 bzw. 600-2 entsprechen, die Elektroden auf dem Substrat des ersten Kondensators 310-1 dar. Entsprechend stellen die Anregungselektroden 660-1 und 660-4 die unteren Elektroden des zweiten Kondensators 310-2 dar. Anders ausgedrückt stellen die Elektroden 660 die unteren Elektroden der Anregerkondensatoren 310-1, 310-2 dar.
Entsprechend entsprechen die Elektroden oder Erfassungselektroden 650-1 und 650-4 der ersten Schwingungsplatte 600-1 bzw. der zweiten Schwingungsplatte 600-2 und stellen als ein Beispiel die unteren Elektroden des Erfassungskondensators 310-1 dar. Ferner stellen die Erfassungselektroden 650-2 und 650-3 die unteren Elektroden des zweiten Erfassungskondensators oder vierten Kondensators 310-4 dar.
Durch Anlegen eines Schwingungsspannungssignals als ein Anregungssignal an die Anregerkondensatoren 310-1, 310-2 beginnt aufgrund der beschriebenen Konfiguration der Anregerelektrode 660 der mechanische Resonator 110 in der Form einer vertikalen Biegung derart zu schwingen, dass der asymmetrische Balken 610 in der z-Richtung zu schwingen beginnt. Aufgrund der Tatsache, dass der asymmetrische Balken 610 einen asymmetrischen Querschnitt aufweist, was im Zusammenhang von 8 detaillierter erläutert wird, führt eine Anregung dieser Anregungsmode zu der leicht seitlichen Komponente der Bewegung. Als eine Folge beginnen die beiden Schwingungsplatten 600-1, 600-2, eine Schwingung in Bezug aufeinander in der Ebene der Schwingungsplatten 600-1, 600-2 in entgegengesetzten Richtungen zu zeigen.
Anders ausgedrückt bewirkt der asymmetrische Balken 610 aufgrund der Asymmetrie des Querschnitts des asymmetrischen Balkens 610 eine Bewegung entlang der y-Richtung. Diese Bewegung innerhalb der Ebene ist mit der Anregungsmode, die zuvor beschrieben wurde, gekoppelt und stellt die Zwischenmode dar, mit der die Coriolis-Kräfte ein Kopplung herstellen können, um die durch die Erfassungselektroden 650 zu erfassende Erfassungsschwingung zu erzeugen. Um jedoch die Amplitude der Anregungsmode in Bezug auf die Zwischenmode einzuschränken, könnte es ratsam sein, den mechanischen Resonator 110 derart zu entwerfen, dass die Resonanzfrequenzen der Anregungsmode und der Zwischenmode sich voneinander unterscheiden. Wenn die Frequenz des Anregungssignals, das an die Anregungselektroden 660 geliefert wird, in etwa mit der Resonanzfrequenz der Zwischenmode übereinstimmt, zeigt die Anregungsmode nur eine kleine Amplitude verglichen mit der sich noch aufbauenden Amplitude der Zwischenmode, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Das Gleichgewicht ist durch das Dämpfen des mechanischen Resonators 110 und andere Dämpfungsverluste verglichen mit der Energie, die an den mechanischen Resonator geliefert wird, definiert.
Anders ausgedrückt sammelt sich, wenn die Anregungsmode mit der Resonanzfrequenz der Zwischenmode angeregt wird, die Energie dieser gleichmäßigen Bewegung in der erwünschten Zwischenmode, mit der die Coriolis-Kräfte eine Kopplung herstellt, um die Erfassungsmode für die Winkelrate zu stimulieren.
Ferner nimmt die Amplitude der Zwischenmode mit jeder Stimulation zu.
Anders ausgedrückt drehen sich die Schwingungsplatten 600-1, 600-2 in Bezug aufeinander als gekoppelte Platten in Bezug auf ihren Mittelpunkt, wobei die Schwingung der zwei separaten Schwingungsplatten 600-1, 600-2 eine entgegengesetzte Richtung zeigt.
Aufgrund der beschriebenen Zwischenmode, die im Wesentlichen eine Schwingung in der Ebene der Schwingungsplatten 600-1, 600-2 darstellt, wird die Erfassungsmode für die Winkelrate durch Coriolis-Kräfte angeregt, wenn der mechanische Resonator 110 um eine Achse senkrecht zu dem asymmetrischen Balken 610 in der Ebene der Schwingungsplatten 600-1, 600-2 gedreht wird. Die entsprechende Schwingung ist in 5a durch die Pfeile 670-1, 670-2 angezeigt. Die Schwingungsplatte 600-1 und die Schwingungsplatte 600-2 jedoch schwingen in entgegengesetzten Richtungen zueinander, so dass die resultierende Erfassungsmode in Bezug auf die Erfassungselektrode 650 eine asymmetrische oder Differenzmode ist. Wiederum anders ausgedrückt wird die Schwingung, die durch die Pfeile 670-1, 670-2 angezeigt ist, durch eine Winkelratenkopplung bewirkt, so dass die Schwingungsplatten 600-1, 600-2 um eine Achse 675 zu schwingen beginnen, die die Federn 630-1, 630-2 und den asymmetrischen Balken 610 miteinander verbindet.
5b zeigt die gleiche Anordnung des mechanischen Resonators 110, die sich von der in 5a gezeigten Zeichnung durch die Tatsache unterscheidet, dass die Schwingungsplatten 600-1, 600-2 durch eine Linearbeschleunigung in der z-Richtung angeregt wurden, um eine Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung zu zeigen, bei der die äußeren Abschnitte der beiden Schwingungsplatten 600-1, 600-2 synchron nach oben und unten gebogen werden, wie in 5b durch die Pfeile 680 angezeigt ist. Als eine Folge zeigen beide Schwingungsplatten 600-1, 600-2 eine gemeinsame Mode einer Schwingung in Bezug auf die Erfassungselektroden 650.
Anders ausgedrückt würden die Schwingungsplatten 600-1, 600-2 aufgrund einer z-Beschleunigungsbewegung des Sensors 100 eine Biegebewegung beginnen.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Resonators 110 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors 100. Genauer gesagt unterscheidet sich der in 6 gezeigte mechanische Resonator 110 von dem in 5 gezeigten mechanischen Resonator 110 in Bezug auf die Form der Schwingungsplatten 600-1, 600-2, in Bezug auf die Federn 630-1, 630-2 und in Bezug auf die Anordnung der Elektroden in der Ebene unterhalb der Ebene des mechanischen Resonators 110 selbst. Ferner zeigt der in 6 gezeigte mechanische Resonator 110 zusätzliche Federelemente 690-1, 690-2 in dem Mittelbereich des mechanischen Resonators, der den asymmetrischen Balken 610 aufweist. In Bezug auf Entwurf und Merkmale jedoch unterscheidet sich der mechanische Resonator 110 nicht wesentlich von dem in 5 gezeigten mechanischen Resonator 110.
Zur Darstellung der Position der Elektroden in der Ebene unterhalb der Ebene der Schwingungsplatten 600-1, 600-2 ist ein Schatten 700 des mechanischen Resonators 110 in 6 gezeigt. Aufgrund des speziellen Entwurfs der Federn 630-1, 630-2 und der zusätzlichen Federelemente 690-1, 690-2, die später detaillierter erläutert werden, sind die Anregungselektroden 660-1–660-4 des in 5 gezeigten mechanischen Resonators 110 symmetrisch in Bezug auf die Achse 675 verteilt. Genauer gesagt ist die Anregungselektrode 660-4, die sich in der Umgebung der zweiten Feder 630-2 der zweiten Schwingungsplatte 600-2 befindet, bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel z. B. durch zwei Elektroden 660-4a und 660-4b ersetzt, die elektrisch parallel zu dem jeweiligen Multiplexer geschaltet sind, so dass die beiden Anregungselektroden 660-4a und 660-4b zusammen die Anregungselektrode 660-4 bilden. Entsprechend sind auch alle anderen Anregungselektroden 660-1–660-3 des in 5 gezeigten mechanischen Resonators 110 in zwei Unterelektroden aufgeteilt, die parallel geschaltet sind.
Der in 6 gezeigte mechanische Resonator ist ein mechanischer MEMS-Resonator eines Typs SAR 10, der aus einem Einkristall-Siliziumsubstrat hergestellt ist. Die Struktur ist unter Verwendung eines unteren Glas-Chips oder Substrats mit einer metallisierten Struktur, die Anregungselektroden 660 und Erfassungselektroden 650 definiert, sowie Verbindungsanschlussflächen, eines Mittel-Mikrobearbeitungs-Siliziumchips mit den Massen, die auch die gegenüberliegende Elektrode darstellen, und einem oberen Abdeck-Glas-Chips aufgebaut. Die drei Chips sind unter Verwendung anodischen Verbindens miteinander verbunden und die parasitärarmen elektrischen Kreuzungen in den Hohlraum bzw. Resonator sind unter Verwendung vergrabener Leitertechniken eingerichtet. Die Doppelmassen oder Schwingungsplatten 600-1, 600-2 sind unter Verwendung eines asymmetrischen Balkens mit einem asymmetrischen Querschnitt aufgehängt, was im Zusammenhang mit 8 detaillierter erläutert ist.
Bevor das Funktionsprinzip in Bezug auf die unterschiedlichen Moden, die in dem Fall des mechanischen SAR10-Resonators 110 beinhaltet sind, detaillierter erläutert werden, werden zuerst die Federelemente 690-1, 690-2 betrachtet. Wie zuvor erwähnt wurde, umfasst der mechanische Resonator 110 einen mikrobearbeiteten schmetterlingsförmigen mechanischen Doppelmaskenresonator. Der mikrobearbeitete Silizium-Wafer mit den Resonatormassen oder Schwingungsplatten 600-1, 600-2 und ihren Verbindungsbalken, den Federn 630-1, 630-2 und dem asymmetrischen Balken 610 ist zwischen zwei Glas-Wafer in einem hermetisch abgedichteten Hohlraum gebunden. Die Federn 630-1, 630-2 verbinden die Schwingungsplatten 600-1, 600-2 in Bezug auf die Halterung 620 (in 6 nicht gezeigt).
Die Elektroden 650, 660 zur elektrostatischen Stimulation des mechanischen Resonators 110 und der Kapazitivablesung befinden sich auf dem unteren Wafer. Die Elektroden 650 und 660 sind elektrisch über vergrabene elektrische Volumendurchführungen verbunden. Druckkontakte zwischen dem Glas des isolierenden Substrats und Silizium des mechanischen Resonators 110 ermöglichen die vergrabenen Durchführungskontakte, die Elektroden sind durch einen Metallisierungsschritt auf dem Glassubstrat definiert.
Selbst wenn jedoch das Glassubstrat einen gut angepassten Temperaturkoeffizienten aufweist, der für den oberen und den unteren Chip verwendet wird, liegt immer eine kleine temperaturabhängige Belastung in der Struktur des mechanischen Resonators vor. Das Kunststoffgehäuse und die Lötung an die Schaltungsplatine können auch eine Belastung in Bezug auf den mechanischen Resonator bewirken. Da die drei Balken, die Federn 630-1, 630-2 und der asymmetrische Balken 610 in einer geraden Linie entlang der Achse 675 platziert sind, besitzt die Struktur eine gewisse Empfindlichkeit für Kompressionskräften, was eine Frequenzfehlanpassung erzeugen kann. Um den Einfluss derartiger Kompressionskräfte zu vermeiden oder zumindest zu minimieren, sind die Federelemente 690-1, 690-2 als Entspannungsfedern an beiden Seiten des Mittelbalkens oder asymmetrischen Balkens 610 platziert. Diese Entspannungsfedern 690-1, 690-2 sind in der Richtung der Balken schwach und absorbieren die Belastung in dieser Richtung. In anderen Richtungen sind die Entlastungsfedern 690-1, 690-2 steifer und beeinflussen die Schwingungsmoden oder die Funktion des Sensors nicht.
Das Funktionsprinzip ist ebenso in 6 angezeigt. Es basiert auf der elektrostatischen Anregung einer Referenzbewegung oder Zwischenmode, die eine Momenterhaltung ermöglicht. Diese Anregungsbewegung ist auf die seitliche Biegung der Balken, die die beiden Massen 601-1, 601-2 verbinden, bezogen. Wie in 6 angezeigt ist, wird eine phasenverschobene Schwingung der beiden Massen 601-1, 601-2 in Bezug auf die beiden Achsen 710-1, 710-2 bewirkt.
Eine Winkeldrehung (Winkelrateneingang) um eine Achse 720 senkrecht zu dem asymmetrischen Balken 610 in der Ebene des mechanischen Resonators 110 erzeugt Coriolis-Kräfte, deren Frequenz gleich der der Referenzbewegung oder Zwischenmode ist. Als eine Folge erzeugt eine Winkeldrehung der Vorrichtung, die die Referenzbewegung aufweist, Trägheitskräfte aufgrund des Momenterhaltungsgesetzes (Coriolis-Kräfte). Diese Kräfte bewirken ein Ergebnis einer Erfassungsbewegung für die Winkelrate, die proportional zu der Winkelrate der Vorrichtung ist. Die Erfassungsbewegung ist, wie bereits erwähnt wurde, eine phasenverschobene Schwingung in Bezug auf die Achse 675. Sowohl die Anregungs- als auch die Erfassungsbewegung sind phasenverschoben, was dieselben unempfindlich für externe Schwingungen macht, den Q-Faktor verbessert und Effekte, die Versätze bewirken, einschränkt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines SEM-Bildes (SEM = scanning electron microscope = Rasterelektronenmikroskop) der „Schmetterlingsmassen” 600-1, 600-2 des mechanischen Resonators 110. Wie aus 7 zu sehen ist, sind die Federn 630-1, 630-2 mit dem Gehäuse 620 gekoppelt. Ferner zeigt 7, dass eine konkrete Implementierung des mechanischen Resonators 110 zusätzliche Strukturen aufweisen kann. Als ein Beispiel weist der in 7 gezeigte mechanische SAR10-Resonator zusätzliche Löcher 730 mit einer regelmäßigen Verteilung auf. Durch ein Implementieren einer derartigen Lochstruktur können die Masse des mechanischen Resonators sowie dessen elastische Eigenschaften verändert werden. Die Elektrodenanordnung eines IFX-SensoNor ist in 7 nicht gezeigt.
Um die weitere Erläuterung in Bezug auf die Moden weiter zu vereinfachen, wird Bezug auf die vier flügelartig geformten äußeren Strukturen 740-1, 740-2, 740-3 und 740-4 genommen, die auch als „Flügel” bezeichnet werden. Diese Flügel 740 unterscheiden die Struktur eines mechanischen Resonators, der in 6 und in 7 gezeigt ist, außer dem zusätzlichen Federelement 690-1, 690-2 und den unterschiedlichen Federn 630-1, 630-2, von der stärker vereinfachten Struktur des in 5 gezeigten mechanischen Resonators 110.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines SEM-Bildes eines asymmetrischen Balkens 610. Die Doppelmassen 600-1, 600-2 sind unter Verwendung des asymmetrischen Balkens 610 aufgehängt, der einen asymmetrischen Querschnitt aufweist, so dass transversal wirkende (normal zu dem Chip) elektrostatische Kräfte, die durch die Anregungselektroden erzeugt werden, in 8 nicht gezeigt, den Balken 610 sowohl transversal als auch lateral (in der Ebene des Chips) biegen. Dies erzeugt eine Drehanregungsschwingung, bei der typischerweise 10% der Bewegung vertikal und 90% horizontal sind. Die konkreten Zahlen in Bezug auf die Verteilung der horizontalen und vertikalen Bewegung jedoch können von weiteren Parametern, wie z. B. der Frequenz der Anregung, usw., abhängen.
Die Asymmetrie wird durch eine Ecke des asymmetrischen Balkens 610 mit einer Ausnehmungskante 750 erzielt, die in dem SEM-Bild in 8 zu sehen ist. Die Schwingungsmassen sind so geformt, dass die Geschwindigkeitsvektoren im Wesentlichen seitlich sind, was transversale Coriolis-Kräfte und deshalb transversale Erfassungsschwingungen ergibt, die kapazitiv erfasst werden. Auf diese Weise werden die Einfachheit und Reife einer Volumenmikrobearbeitung durch den Vorteil einer hohen gyroskopischen Empfindlichkeit kombiniert. Ferner zeigt 8 drei Löcher 730, die bereits in dem SEM-Bild in 7 gezeigt wurden.
Die asymmetrische Struktur des asymmetrischen Balkens 610 bewirkt eine Komponente mit leicht seitlicher Bewegung, wenn der asymmetrische Balken 610 vertikal in Bezug auf die Ebene des mikromechanischen Resonators 110 bewegt wird. So wird aufgrund der Struktur des asymmetrischen Balkens 610 kinetische Energie von der vertikalen Bewegung des mechanischen Resonators 110 in eine horizontale Bewegung in Bezug auf die Ebene des mechanischen Resonators 110 übertragen.
9 zeigt ein Ergebnis einer Computersimulation der Referenzbewegung oder Zwischenmode des mechanischen Resonators 110. Diese Mode, die indirekt durch die Anregerelektroden angeregt wird, wird auch die zweite Mode genannt und weist lediglich eine horizontale Biegung der Balken 630-1, 630-2, 610 auf, was die Massen phasenverschoben um eine normale vertikale Achse schwingen lässt. Typischerweise ist die Frequenz dieser Zwischenmode in der Größenordnung von 10 kHz oder, noch genauer gesagt, in dem Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz. Die in 9 gezeigte Simulation jedoch basiert auf einer Resonanzfrequenz von 9 kHz. Es wird angemerkt, dass die zweite Mode oder Zwischenmode, die in 9 gezeigt ist, in Bezug auf ihre Resonanzfrequenz auf keine sehr gute Annäherung verändert werden kann, da die Schwingungsbewegung hauptsächlich in der Ebene des mechanischen Resonators 110 stattfindet. Als eine Folge verändert ein Anlegen einer Versatzspannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 an den mechanischen Resonator 110 die elastischen Eigenschaften des mechanischen Resonators in Bezug auf Bewegungen in seiner Ebene nicht wesentlich. So ist die Resonanzfrequenz dieser Mode bis auf eine gute Annäherung unabhängig von einer Gleichstrom-Vorspannung, die an die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators angelegt ist.
9 zeigt ferner einen Satz von Umrisslinien 760, die das Ergebnis einer numerischen Simulation des mechanischen Resonators 110 sind. Die Umrisslinien 760 weisen Informationen bezüglich der Elongation des mechanischen Resonators 110 auf.
Wie bereits erläutert wurde, kann die in 9 gezeigte zweite Mode nicht direkt durch die Anregerelektroden unterhalb des mechanischen Resonators 110 angeregt werden. Als eine Folge wird die Zwischenmode über die Anregungsmode und den asymmetrischen Balken 610 stimuliert. Da die in 9 gezeigte zweite Mode hauptsächlich auf die Ebene des mechanischen Resonators eingeschränkt ist, kann diese Mode nicht durch die Elektroden unterhalb des mechanischen Resonators oder des Chips stimuliert werden.
10 zeigt die Anregungsmode (vierte Mode), die durch die Anregungselektroden unterhalb des mechanischen Resonators 110 eingeleitet werden kann. Während 9 darstellte, dass in der Zwischenmode die beiden Schwingungsplatten 600-1, 600-2 hauptsächlich phasenverschoben in der Ebene des mechanischen Resonators schwingen, stellt 10 dar, dass die Anregungsmode oder vierte Mode eine vertikale Biegung der Balken 630-1, 630-2 und 610 um eine horizontale Achse aufweist. Typischerweise ist die Resonanzfrequenz dieser Mode wesentlich höher oder wesentlich niedriger verglichen mit der Resonanzfrequenz der in 9 gezeigten Zwischenmode und der Erfassungsmode für die Winkelrate, wie im Rahmen von 11 erläutert werden wird. Typischerweise ist die Resonanzfrequenz der Anregungsmode (vierte Mode) in der Größenordnung von 20 kHz bis 200 kHz. Die in 10 gezeigte Simulation basiert auf einer Resonanzfrequenz von 30 kHz.
Durch Anlegen einer konstanten Gleichstrom-Vorspannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 an die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 z. B. kann die Resonanzfrequenz dieser Mode eingestellt werden und so können die Elektroden in diesem Fall die Mode durch ein Beeinflussen der elastischen Eigenschaften der Membran in Bezug auf die Normale des mechanischen Resonators beeinflussen. Anders ausgedrückt kann verglichen mit der in 9 gezeigten Zwischenmode die in 10 gezeigte Anregungsmode durch Anlegen einer konstanten Gleichstrom-Vorspannung abgestimmt werden.
Die Frequenz des Anregungssignals jedoch, das an die Anregungskondensatoren angelegt wird, entspricht der Resonanzfrequenz der Zwischenmode (zweiten Mode), die in 9 gezeigt ist. Da sich die Resonanzfrequenz der Anregungsmode, die in 10 gezeigt ist (vierte Mode), wesentlich von der Resonanzmode der Zwischenmode unterscheidet, wird fast keine Energie in der Anregungsmode angesammelt. Im Gegensatz dazu wird aufgrund des asymmetrischen Balkens 610 in der Mitte oder zwischen den beiden Schmetterlingsmassen 600-1, 600-2 die durch die Anregungskondensatoren in die Anregungsmode übertragene Energie in die Zwischenmode (zweite Mode) übertragen, da eine Resonanzschwingung in der Anregungsmode nicht erwünscht ist.
Die Anregungselektroden sind unterhalb der Mitte des mechanischen Resonators angeordnet, die vierte Mode oder Anregungsmode wird bei der Resonanzfrequenz der Zwischenmode angeregt. Die Dynamik der Zwischenmode wird dann aufgrund der Asymmetrie des asymmetrischen Balkens 610 erzeugt, so dass zumindest ein Teil der Bewegung der Anregungsmode in die Zwischenmode übertragen wird. Entsprechend wird die Energie der Anregungsmode dann in der Zwischenmode gespeichert.
11 zeigt ein Ergebnis einer MEMS-Simulation eines mechanischen Resonators SAR 10, der zum Erfassen einer Winkelrate eingesetzt wird. Die Erfassungsmode des IFX-SensoNor (Differenzmode oder phasenverschobene Mode) stellt eine Torsion der Balken 630-1, 630-2 und 610 dar, die die Massen 601-1, 601-2 phasenverschoben um eine horizontale Achse schwingen lässt. Als eine Folge bewegen sich die Flügel 740-1 und 740-4 gleichzeitig nach oben, während sich die Flügel 740-2 und 740-3 gleichzeitig in Bezug auf die Achse, die durch die drei Balken 630-1, 630-2 und 610 definiert ist, nach unten bewegen. Diese Erfassungsmode, die auch als die dritte Mode bezeichnet wird, besitzt üblicherweise eine Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 10 kHz. Ähnlich wie die in 9 gezeigte Zwischenmode liegt die Resonanzfrequenz genauer gesagt in dem Bereich zwischen 1 kHz und 20 kHz. Das Ergebnis einer Simulation, das in 11 gezeigt ist, basiert auf einer Frequenz von 9 kHz. Als eine Folge unterscheiden sich die Resonanzfrequenzen von sowohl der Zwischenmode als auch der Erfassungsmode für die Winkelrate wesentlich von der Resonanzfrequenz der Anregungsmode (vierte Mode), die zur Erzeugung der Zwischenmode verwendet wird. Als eine Folge stört die Anregungsmode die Erfassungsmode für die Winkelratenmessung nicht wesentlich.
Der Frequenzbereich einer Erfassungsmode variiert üblicherweise aufgrund von Herstellungstoleranzen in dem Bereich von etwa +/–10% der durchschnittlichen oder idealen Resonanzfrequenz dieser Mode. Durch Anlegen einer konstanten Gleichstrom-Vorspannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 z. B. kann die Erfassungsmode für die Winkelgeschwindigkeit abgestimmt oder verändert werden. So sind die Erfassungsmode wie auch die Anregungsmode veränderbare Moden in dem Sinn, dass ihre Resonanzfrequenzen durch Anlegen des Spannungssignals oder eines anderen Signals in dem Fall eines unterschiedlichen mechanischen Resonators 110 über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 eingestellt werden können.
In dem Fall des in den 6 bis 11 gezeigten mechanischen Resonators 110 kann die Frequenz der Erfassungsmode durch Verändern der „elektrostatischen Federn” durch Einstellen des Gemeinsame-Mode-Abschnitts der Elektrodenspannungen oder durch Anlegen einer Gemeinsame-Elektrode-Spannung über die Gemeinsamer-Treiber-Schaltung 510 abgestimmt werden. So ist es möglich, die Erfassungsmode für die Winkelrate in Bezug auf die Zwischenmode einzustellen, die, wie erläutert wurde, durch Anlegen einer Gemeinsame-Elektrode-Spannung nicht veränderbar ist.
Die herstellungsbezogenen Variationen in Bezug auf die Eigenfrequenz der Erfassungsmode können durch Anlegen einer Spannung deutlich unter 5 V kompensiert werden. Genauer gesagt ist zur Veränderung der zweiten Frequenz der Erfassungsmode für die Winkelrate der Bereich von +/–10 unter Anlegung einer Spannung in der Region von 1 bis 2 V typischerweise ausreichend. Durch Anlegen einer Spannung an die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 in dem Bereich zwischen 10 und 20 V wäre die Wirkung in Bezug auf eine Verschiebung der Eigenfrequenz entsprechend größer.
Die vorherige Erläuterung hat gezeigt, dass durch den richtigen symmetrischen mechanischen Entwurf und durch ein kreuzweises symmetrisches Verbinden der Elektroden die Schmetterlingsmassen 740-1 bis 740-4 in einer Antiphasenbewegung unter Verwendung von Paaren von Differenzkondensatoren betrieben werden. Die symmetrische Anti-Phasenschwingungen von sowohl der Zwischenmode (zweite Mode) als auch der Erfassungsmode für die Winkelrate (dritte Mode) machen den speziellen Entwurf des mechanischen Resonators 110 unempfindlich gegenüber Umgebungsschwingungen, was Wirkungen, die einen Versatz bewirken, einschränkt sowie die Q-Faktoren verbessert.
Ein mechanischer Resonator wie derjenige, der in den 6 bis 11 gezeigt ist, kann derart entworfen sein, dass er zumindest eine weitere Erfassungsmode aufweist, die empfindlich für eine Linearbeschleunigung ist. Bei dieser Erfassungsmode bewegen sich die vier Flügel 740 gleichzeitig nach oben oder unten. Verglichen mit der in 10 gezeigten Anregungsmode jedoch, bei der die vier Flügel 740 mehr oder weniger um eine Achse in der Ebene der Schmetterlingsmassen 600-1, 600-2 und senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen den Federn 630-1, 630-2 und dem asymmetrischen Balken 610 durch die Mitte der Flügel 740-3 und 740-4 oder 740-1 und 740-2 schwingen, ist die Elongation der vier Flügel 740 nicht durch eine Schwingung in der Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung dominiert, sondern durch eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung der gesamten Flügel 740. Ferner weist die Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung eine Resonanzfrequenz auf, die in dem Bereich von 30 kHz bis 80 kHz liegt. Ein typischer Wert für die Eigenfrequenz dieser Erfassungsmode liegt in dem Bereich zwischen 40 kHz und 60 kHz. Anders ausgedrückt ist die Eigenfrequenz in der Größenordnung von 50 kHz. Als eine Folge ist die Resonanzfrequenz dieser Erfassungsmode wesentlich größer verglichen mit der Frequenz der in 10 gezeigten Anregungsmode, d. h. 30 kHz.
Der Grund für diese deutliche Differenz in Bezug auf die Eigenfrequenz ist die Tatsache, dass die elastischen Konstanten für diese Bewegung durch den Entwurf der Flügel 740 dominiert werden, was verglichen mit der Steifigkeit der Feder 630 und dem asymmetrischen Balken 610 wesentlich größer ist. Anders ausgedrückt ist, da in dieser Erfassungsmode die Flügel 740, die viel steifer sind als die vergleichsweise dünne Feder 630 und der Balken 640, gebogen werden, die elastische Konstante für eine Schwingung der Flügel wesentlich größer, was zu höheren Resonanzfrequenzen führt.
Ferner kann diese Mode auch durch Anlegen von z. B. einer konstanten Gleichstromvorspannung an die Siliziumstruktur des mechanischen Resonators 110 abgestimmt werden. In diesem Fall resultiert eine höhere elektrische Spannung auch in einer höheren elastischen Konstante der „elektrostatischen Federn”, so dass die Frequenz der Erfassungsmode auch mit zunehmenden Spannungen größer wird. Der Einfluss jedoch ist verglichen mit dem Einfluss einer Erfassungsmode für die Winkelrate kleiner, da die gleiche elektrostatische Kraft eine kleinere relative Veränderung der elastischen Konstante der steiferen Struktur, die durch die Flügel 740 gebildet ist, erzeugt.
MEMS-Simulationen haben eine wesentliche Empfindlichkeit in Bezug auf die Erfassungsmode für Linearbeschleunigungen in Bezug auf vertikale Linearbeschleunigungen senkrecht zu der Ebene des mechanischen Resonators 110 (z-Richtung des Koordinatensystems 640 in 5) gezeigt. Aufgrund dieser Empfindlichkeit kann diese Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung als eine parasitäre Mode des IFX-SensoNor für Messungen der Winkelrate betrachtet werden. Diese Erfassungsmode kann jedoch außerordentlich gut zum Erfassen von Linearbeschleunigungen in Bezug auf die Normale der Ebene des mechanischen Resonators 110 eingesetzt werden.
Ferner erzeugt aufgrund der Anordnung der Elektroden, die in 6 gezeigt ist, und der dargestellten Erfassungsmode für eine Winkelrate, die in 11 dargestellt ist, die zum Messen der Winkelrate eingesetzte Erfassungsmode hauptsächlich eine Differenzveränderung der Kapazitätswerte der Erfassungskondensatoren, da die Gegenelektroden oder Messelektroden unterhalb der Flügel 740 positioniert sind. Die Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung, die durch eine Linearbeschleunigung senkrecht zu der Ebene des mechanischen Resonators 110 angeregt werden kann, erzeugt eine Gemeinsame-Mode-Veränderung der Kapazitätswerte der Erfassungskondensatoren in Bezug auf die gleichen Elektroden. Als eine Folge können die beiden Signale durch ein Berechnen der Summe und der Differenz der jeweiligen Elongationssignale, wie zuvor erläutert wurde, getrennt werden.
Obwohl bei dem im Zusammenhang der 4 und 6 bis 11 beschriebenen Ausführungsbeispiel die Erfassungsmode für die Winkelrate (führt zu dem Differential-Mode-Signal) und die Erfassungsmode für die Linearbeschleunigung (führt zu dem Gemeinsame-Mode-Signal) eine wesentliche Differenz von Eigenfrequenzen oder Resonanzfrequenzen aufweisen, ist dies nicht erforderlich. Im Prinzip können die Frequenzen der jeweiligen Erfassungsmode als identisch oder zumindest nahe ausgewählt werden, da die Berechnung des Gemeinsame-Mode-Signals und des Differential-Mode-Signals eine Möglichkeit schafft, die Signale, die die beiden Erfassungsmoden anzeigen, unabhängig von den betroffenen Frequenzen zu trennen. Ein Verwenden unterschiedlicher Resonanzfrequenzen für die beiden Erfassungsmoden jedoch könnte eine ratsame Option sein, da zusätzlich Bandpassfilter oder andere Filter zum weiteren Trennen der Signale eingesetzt werden können.
12 ist eine mögliche Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 in der Form eines SOIC-16-MEMS-Gehäuses (SOIC = Small Outline Integrated Circuit = integrierte Schaltung mit kleinem Umriss). Genauer gesagt zeigt 12 eine Innenansicht eines spritzgepressten SOIC-Gehäuses. Die Implementierung weist einen MEMS-Chip 800 auf, der den mechanischen Resonator 110 (in 12 nicht gezeigt) und eine Signalverarbeitungs-ASIC (ASIC = Application specific Integrated Circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) 810, die gemeinsam in dem SOIC-Gehäuse gehäust sind, aufweist. Der MEMS-Chip 800 und die ASIC 810 sind über Bonddrähte 820 verbunden. Ferner werden Bonddrähte 830 verwendet, um die ASIC 810 mit Bondanschlussflächen 840 des SOIC-Gehäuses zu kontaktieren.
Der MEMS-Chip 800 weist die schmetterlingsförmige Doppelmassenstruktur auf, die, wie zuvor erläutert wurde, die einfache einseitige Elektrostatische-Anregung-Kapazitiv-Erfassung verwendet. Der mikrobearbeitete mechanische Resonator oder das Gyro-Element 110 (in 12 nicht gezeigt) ist mit einem hochentwickelten vollständig kundenspezifischen Mischmode-ASIC-Chip 810 in das spritzgepresste Epoxid-16-Anschlussstift-SOIC-Miniatur-Gehäuse gebaut. Der ASIC-Chip 810 kann z. B. in der 0,5 μm-BiCMOS-Technologie hergestellt sein. Technologien mit höheren Auflösungen oder unterschiedlichen technischen Merkmalen können jedoch ebenso eingesetzt werden. Ferner sollte angemerkt werden, dass im Prinzip sowohl der MEMS-Chip 800 als auch der ASIC-Chip 810 auf einen einzelnen Chip integriert werden können. Anders ausgedrückt können der mechanische Resonator 110 wie auch die nötigen Auswertungsschaltungen in eine einzelne Form integriert sein.
Die in 12 gezeigte SOIC kann z. B. als ein kombinierter Linearbeschleunigungs- und Winkelraten-Überwacher oder Gyro für eine Überschlagserfassung, Zusammenstoß-Erfassung oder andere Stabilitätssteueranwendungen auf dem Gebiet der Fahrzeugelektronik verwendet werden.
Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren in entweder Hardware oder Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD, auf der ein elektronisch lesbares Steuersignal gespeichert ist, das mit einem programmierbaren Prozessor derart zusammenarbeitet, dass ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird, durchgeführt sein. Allgemein ist deshalb ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, wobei der Programmcode wirksam zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verfahren ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Prozessor läuft. Anders ausgedrückt sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren deshalb ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung zumindest eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das Computerprogramm auf einem Prozessor läuft. Der Prozessor kann durch einen Computer, eine Smart-Card, eine ASIC oder eine andere integrierte Schaltung gebildet sein.
Während Vorstehendes insbesondere unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, ist für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen, dass verschiedene andere Veränderungen an der Form und Details durchgeführt werden könnten, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich derselben abzuweichen. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Veränderungen beim Anpassen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden, ohne von dem hierin offenbarten breiteren Konzept abzuweichen, und durch die folgenden Ansprüche umfasst sein können.
Bezugszeichenliste

100: Sensor
110: mechanischer Resonator
120: erster Bereich
130: zweiter Bereich
140: Pfeil
150: Achse
160: Pfeil
170: erste mechanisch-elektrische Schnittstelle
180: zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle
190: Gemeinsame-Mode-Signalerzeuger
200: Differential-Mode-Signalerzeuger
210: erste Verarbeitungsschaltung
220: zweite Verarbeitungsschaltung
230: Ausgang
240: Ausgang
250: Sensorblock
260: Messblock
270: Signalverarbeitungsblock
300: Gehäuse
310-1, -4: Kondensatoren
320: Anreger
330: Multiplexer
340: Treiberschaltung
350: Abtast- und Haltestufe
360: Analog-Digital-Wandler
370: Filterelement
380: Anregungssteuerung
390: Digital-Analog-Wandler
400: Multiplexer
410: Abtast- und Haltestufe
420: Treiberschaltung
430: Analog-Digital-Wandler
440: Filterelement
450: Filterelement
460: Erfassungssteuerung
470: Signalverarbeitungsstufe
480: Digital-Analog-Wandler
490: Beschleunigungssteuerung
500: Signalverarbeitungsstufe
510: Gemeinsamer-Treiber-Schaltung
520: entgegengesetzte Pfeile
530: parallele Pfeile
600-1, -2: Schwingungsplatten
610: asymmetrischer Balken
620: Halterung
630-1, -2: Federn
640: Koordinatensystem
650-1, -4: Erfassungselektroden
660-1, -4: Anregungselektroden
670-1, -2: Pfeile
675: Achse
680: Pfeil
690-1, -2: Federelemente
700: Schatten
710-1, -2: Achsen
720: Achse
730: Loch
740-1, -4: Flügel
750: Ausnehmungskante
760: Umrisslinien
800: MEMS-Chip
810: ASIC-Chip
820: Bonddrähte
830: Bonddrähte
840: Bondanschlussflächen

Claims

Sensor (100) zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelbeschleunigung, mit folgenden Merkmalen: einem mechanischen Resonator (110), der eine erste und eine zweite Schwingungsplatte aufweist, die über Federbalken so in einer Ebene aufgehängt und über einen Verbindungsbalken, der zusammen mit den Federbalken in einer geraden Linie platziert ist, so verbunden sind, dass der mechanische Resonator in zumindest einer Zwischenmode, einer ersten Erfassungsmode und einer zweiten Erfassungsmode schwingfähig ist, wobei der mechanische Resonator so ausgebildet ist, dass in der Zwischenmode die erste und zweite Schwingungsplatte in entgegengesetzten Drehungen in der Ebene schwingen, und dass eine Winkelgeschwindigkeit des Sensors um eine Achse in der Ebene und senkrecht zu der geraden Linie, während der mechanische Resonator in der Zwischenmode schwingt, bewirkt, dass die erste und die zweite Schwingungsplatte sich um die gerade Linie drehend schwingen, und eine Linearbeschleunigung des Sensors in einer Richtung senkrecht zur Ebene, während der mechanische Resonator in der Zwischenmode schwingt, bewirkt, dass die erste und die zweite Schwingungsplatte sich synchron nach oben und unten aus der Ebene biegend schwingen; einer ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle (170), die mit einem ersten Bereich (120) des mechanischen Resonators in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein erstes Elongationssignal (Y1), das eine Information über die Elongation des ersten Bereichs (120) aus der Ebene aufweist; einer zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle (180), die mit einem zweiten Bereich (130) in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein zweites Elongationssignal (Y2), das eine Information über die Elongation eines zweiten Bereichs (130) des mechanischen Resonators aus der Ebene aufweist; einem Gleichtakt-Signalerzeuger (190), der mit der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist, mit einem Gleichtakt-Signalausgang für ein Gleichtakt-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal (Y1, Y2); einem Gegentakt-Signalerzeuger (200), der mit der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist, mit einem Gegentakt-Signalausgang für ein Gegentakt-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal (Y1, Y2); einer ersten Verarbeitungsschaltung (210), die mit dem Gegentakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes verarbeitetes Signal basierend auf dem Gegentakt-Signal, das eine Information über die Winkelgeschwindigkeit des Sensors (100) aufweist; und einer zweiten Verarbeitungsschaltung (220), die mit dem Gleichtakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein zweites verarbeitetes Signal basierend auf dem Gleichtakt-Signal, das eine Information über die Linearbeschleunigung des Sensors (100) aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 1, der ferner einen ersten Analog-Digital-Wandler aufweist, der zwischen den Anschluss der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle (170), den Anschluss der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle (180) und den Gleichtakt-Signalerzeuger (190) und den Gegentakt-Signalerzeuger (200) geschaltet ist, so dass der Gleichtakt-Signalerzeuger und der Gegentakt-Signalerzeuger ausgebildet sind, um das erste und das zweite Elongationssignal digital zu verarbeiten.
Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wechselwirkung zwischen der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und dem ersten Bereich und der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle und dem zweiten Bereich eine elektrostatische/kapazitive oder eine magnetische/induktive Wechselwirkung ist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste mechanisch-elektrische Schnittstelle (170) eine erste Erfassungselektrode aufweist, die elektrostatisch/kapazitiv mit dem ersten Bereich gekoppelt ist, und bei dem die zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle (180) eine zweite Erfassungselektrode aufweist, die elektrostatisch/kapazitiv mit dem zweiten Bereich gekoppelt ist.
Sensor gemäß Anspruch 4, wobei der Sensor (100) ferner einen zusätzlichen Treiber aufweist, der mit dem aufgehängten mechanischen Resonator (110) verbunden ist und in der Lage ist, ein Massepotential an den mechanischen Resonator zu liefern.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner einen Anreger (320) mit einer mechanisch-elektrischen Anregerschnittstelle aufweist, der in der Lage ist, einen ersten Anregungsbereich und einen zweiten Anregungsbereich des mechanischen Resonators zu beeinflussen.
Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem die mechanisch-elektrische Anregungsschnittstelle eine erste Anregungselektrode, die elektrostatisch/kapazitiv mit dem ersten Anregungsbereich gekoppelt ist, und eine zweite Anregungselektrode, die elektrostatisch/kapazitiv mit dem zweiten Anregungsbereich gekoppelt ist, aufweist, und bei dem der Anreger ausgebildet ist, um ein Anregungssignal an die erste Anregungselektrode und die zweite Anregungselektrode zu liefern, das eine Differenzkomponente aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 7, bei dem der Anreger (320) ferner einen Digital-Analog-Wandler und einen Analog-Digital-Wandler aufweist, derart, dass die geschlossene Rückkopplungsschleife auf einer digitalen Signalverarbeitung basiert.
Sensor gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem der Anreger (320) ferner ausgebildet ist, um eine gemeinsame Komponente des Anregungssignals an die erste Anregungselektrode und die zweite Anregungselektrode zu liefern.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, der ferner eine Gegentakt-Rückkopplungssteuerung, die mit einem Gegentakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein Gegentakt-Rückkopplungssignal, eine Gleichtakt-Rückkopplungssteuerung, die mit dem Gleichtakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein Rückkopplungs-Gleichtaktsignal, und einen Signalerzeuger, der mit der Gleichtakt-Rückkopplungssteuerung und der Gegentakt-Rückkopplungssteuerung gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes Rückkopplungssignal und einem Ausgang für ein zweites Rückkopplungssignal aufweist, wobei das erste und das zweite Rückkopplungssignal auf dem Gleichtakt-Rückkopplungssignal und dem Gegentakt-Rückkopplungssignal basieren, und wobei der Ausgang für das erste Rückkopplungssignal mit der ersten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist und der Ausgang für das zweite Rückkopplungssignal mit der zweiten mechanisch-elektrischen Schnittstelle gekoppelt ist, so dass die Elongation des ersten Bereichs und die Elongation des zweiten Bereichs kompensierbar sind.
Sensor gemäß Anspruch 10, bei dem die erste mechanisch-elektrische Schnittstelle (170) und die zweite mechanisch-elektrische Schnittstelle (180) einen Multiplexer aufweisen, so dass das erste Elongationssignal und das zweite Elongationssignal an den Gleichtakt-Signalerzeuger und den Gegentakt-Signalerzeuger lieferbar sind, ohne durch das erste Rückkopplungssignal und das zweite Rückkopplungssignal beeinflusst zu werden.
Sensor gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem der Signalerzeuger einen Digital-Analog-Wandler aufweist, derart, dass die Gegentakt-Rückkopplungssteuerung und die Gleichtakt-Rückkopplungssteuerung zu einer digitalen Signalverarbeitung in der Lage sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der aufgehängte mechanische Resonator (110) ein mechanischer MEMS-Resonator ist.
Sensor zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit, mit folgenden Merkmalen: einem aufgehängten mechanischen Resonator (110), der ein mechanischer MEMS-Resonator ist und ausgebildet ist, um in zumindest einer Anregungsmode zu schwingen, und einen ersten Bereich (120), einen zweiten Bereich (130), einen ersten Anregungsbereich und einen zweiten Anregungsbereich aufweist, wobei auf eine Winkelgeschwindigkeit des Sensors (100) hin der erste Bereich (120) und der zweite Bereich (130) Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang einer Elongationsrichtung ausführen, und wobei auf eine Linearbeschleunigung des Sensors (100) hin der erste Bereich (120) und der zweite Bereich (130) eine Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung ausführen; einer ersten Erfassungselektrode, die mit dem ersten Bereich (120) in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein erstes Elongationssignal (Y1), das eine Information über die Elongation des ersten Bereichs (120) aufweist; einer zweiten Erfassungselektrode, die mit dem zweiten Bereich (130) in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein zweites Elongationssignal (Y2), das eine Information über die Elongation des zweiten Bereichs (130) aufweist; einer ersten Anregungselektrode, die mit dem ersten Anregungsbereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein erstes Anregungssignal; einer zweiten Anregungselektrode, die mit dem zweiten Anregungsbereich in Wechselwirkung steht, mit einem Anschluss für ein zweites Anregungssignal; einem Gleichtakt-Signalerzeuger (190), der mit der ersten Erfassungselektrode und der zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist, mit einem Gleichtakt-Signalausgang für ein Gleichtakt-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal (Y1, Y2); einem Gegentakt-Signalerzeuger (200), der mit der ersten Erfassungselektrode und der zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist, mit einem Gegentakt-Signalausgang für ein Gegentakt-Signal basierend auf dem ersten und dem zweiten Elongationssignal (Y1, Y2); einer ersten Verarbeitungsschaltung (210), die mit dem Gegentakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes Verarbeitungssignal basierend auf dem Gegentakt-Signal, das eine Information über die Winkelgeschwindigkeit des Sensors (100) aufweist; einer zweiten Verarbeitungsschaltung (220), die mit dem Gleichtakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein zweites Verarbeitungssignal basierend auf dem Gleichtakt-Signal, das eine Information über die Linearbeschleunigung des Sensors (100) aufweist; und einem Anreger, der mit der ersten Anregungselektrode und der zweiten Anregungselektrode so gekoppelt ist, dass der Anreger in der Lage ist, den aufgehängten mechanischen Resonator anzuregen, in der Anregungsmode zu schwingen.
Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem der Anreger mit der ersten Anregungselektrode und der zweiten Anregungselektrode derart gekoppelt ist, dass der aufgehängte mechanische Resonator in einer geschlossenen Rückkopplungsschleife angeregt wird, so dass die Anregungsmode eine Eigenmode des aufgehängten mechanischen Resonators ist.
Sensor gemäß Anspruch 15, bei dem der Anreger einen Analog-Digital-Wandler und einen Digital-Analog-Wandler aufweist, derart, dass die geschlossene Rückkopplungsschleife auf einer digitalen Signalverarbeitung basiert.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, der ferner einen Analog-Digital-Wandler aufweist, der zwischen die erste Erfassungselektrode, die zweite Erfassungselektrode und den Gleichtakt-Signalerzeuger und den Gegentakt-Signalerzeuger geschaltet und ausgebildet ist, so dass der Gleichtakt-Signalerzeuger und der Gegentakt-Signalerzeuger in der Lage sind, das erste und das zweite Elongationssignal digital zu verarbeiten.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, der ferner eine Gegentakt-Rückkopplungssteuerung, die mit dem Gegentakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein Gegentakt-Rückkopplungssignal basierend auf dem Gegentakt-Signal, eine Gleichtakt-Rückkopplungssteuerung, die mit dem Gleichtakt-Signalausgang gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein Gleichtakt-Rückkopplungssignal basierend auf dem Gleichtakt-Signal und einen Signalerzeuger, der mit dem Ausgang der Gegentakt-Rückkopplungssteuerung für das Gegentakt-Rückkopplungssignal und dem Ausgang der Gleichtakt-Rückkopplungssteuerung für das Gleichtakt-Rückkopplungssignal gekoppelt ist, mit einem Ausgang für ein erstes Rückkopplungssignal basierend auf dem Gleichtakt-Rückkopplungssignal und dem Gegentakt-Rückkopplungssignal und einem Ausgang für ein zweites Rückkopplungssignal basierend auf dem Gleichtakt-Rückkopplungssignal und dem Gegentakt-Rückkopplungssignal aufweist, wobei der Ausgang für das erste Rückkopplungssignal mit der ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist, und wobei der Ausgang für das zweite Rückkopplungssignal mit der zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist, so dass die Elongation des ersten und des zweiten Bereichs kompensierbar sind.
Sensor gemäß Anspruch 18, der ferner einen Multiplexer aufweist, der zwischen die erste Erfassungselektrode, die zweite Erfassungselektrode, den Gleichtakt-Signalerzeuger und den Gegentakt-Signalerzeuger geschaltet ist und mit dem Ausgang des Signalerzeugers verbunden ist, so dass das erste Rückkopplungssignal an die erste Erfassungselektrode geliefert werden kann, ohne das erste Elongationssignal (Y1) zu stören, und das zweite Rückkopplungssignal an die zweite Erfassungselektrode geliefert werden kann, ohne das zweite Elongationssignal (Y2) zu stören.
Sensor gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem der Signalerzeuger einen Digital-Analog-Wandler aufweist, derart, dass der Gleichtakt-Rückkopplungserzeuger und der Gegentakt-Rückkopplungserzeuger zur digitalen Verarbeitung von Signalen in der Lage sind.
Verfahren zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit einem mechanischen Resonator (110), der eine erste und eine zweite Schwingungsplatte aufweist, die über Federbalken so in einer Ebene aufgehängt und über einen Verbindungsbalken, der zusammen mit den Federbalken in einer geraden Linie platziert ist, so verbunden sind, dass der mechanische Resonator in zumindest einer Zwischenmode, einer ersten Erfassungsmode und einer zweiten Erfassungsmode schwingfähig ist, wobei der mechanische Resonator so ausgebildet ist, dass in der Zwischenmode die erste und zweite Schwingungsplatte in entgegengesetzten Drehungen in der Ebene schwingen, und dass eine Winkelgeschwindigkeit des Sensors um eine Achse in der Ebene und senkrecht zu der geraden Linie, während der mechanische Resonator in der Zwischenmode schwingt, bewirkt, dass die erste und die zweite Schwingungsplatte sich um die gerade Linie drehend schwingen, und eine Linearbeschleunigung des Sensors in einer Richtung senkrecht zur Ebene, während der mechanische Resonator in der Zwischenmode schwingt, bewirkt, dass die erste und die zweite Schwingungsplatte sich synchron noch oben und unten aus der Ebene biegend schwingen,, mit folgenden Schritten: Erfassen der Elongation des ersten Bereichs (120) des mechanischen Resonators; Erfassen der Elongation des zweiten Bereichs (130) des mechanischen Resonators; Erzeugen eines Gleichtakt-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs (120) und der Elongation des zweiten Bereichs (130); Erzeugen eines Gegentakt-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs (120) und der Elongation des zweiten Bereichs (130); Verarbeiten des Gegentakt-Signals zu einem ersten verarbeiteten Signal, das eine Information über die Winkelgeschwindigkeit des Sensors (100) aufweist; und Verarbeiten des Gleichtakt-Signals zu einem zweiten verarbeiteten Signal, das eine Information über die Linearbeschleunigung des Sensors (100) aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Linearbeschleunigung und einer Winkelgeschwindigkeit mit einem aufgehängten mechanischen Resonator (110), der ein mechanischer MEMS-Resonator ist und ausgebildet ist, um in zumindest einer Anregungsmode zu schwingen, und einen ersten Bereich (120), einen zweiten Bereich (130), einen ersten Anregungsbereich und einen zweiten Anregungsbereich aufweist, wobei auf die Winkelgeschwindigkeit hin der erste Bereich (120) und der zweite Bereich (130) Bewegungen mit entgegengesetzter Elongation entlang der Elongationsrichtung ausführen, und wobei auf die Linearbeschleunigung hin der erste Bereich (120) und der zweite Bereich (130) eine Bewegung mit gemeinsamer Elongation entlang der Elongationsrichtung ausführen, und wobei der mechanische Resonator (110) ausgebildet ist, um auf eine Wechselwirkung mit einem ersten Anregungsbereich und einer Wechselwirkung mit dem zweiten Anregungsbereich hin mit einem Schwingen in der Anregungsmode reagiert, mit folgenden Schritten: Wechselwirken mit dem ersten Anregungsbereich und dem zweiten Anregungsbereich, um die Anregungsmode des aufgehängten mechanischen Resonators (110) anzuregen; Erfassen der Elongation des ersten Bereichs (120); Erfassen der Elongation des zweiten Bereichs (130); Erzeugen eines Gleichtakt-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs (120) und der Elongation des zweiten Bereichs (130); Erzeugen eines Gegentakt-Signals basierend auf der Elongation des ersten Bereichs (120) und der Elongation des zweiten Bereichs (130); Verarbeiten des Gegentakt-Signals zu einem ersten verarbeiteten Signal, das eine Information über die Winkelgeschwindigkeit aufweist; und Verarbeiten des Gleichtakt-Signals zu einem zweiten verarbeiteten Signal, das eine Information über die Linearbeschleunigung aufweist.