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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Steuerschaltungen zur Steuerung von Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2009 000 168 A1 ein Drehratensensor bekannt, welcher eine seismische Masse aufweist, die mit Hilfe von kapazitiv arbeitenden Antriebsmitteln zu einer Coriolisschwingung angeregt wird. Beim Vorliegen einer Drehrate wirkt auf die seismische Masse eine Corioliskraft, welche die seismische Masse im Wesentlichen senkrecht sowohl zur Coriolisschwingung, als auch zur Drehrate auslenkt. Die Auslenkung ist dabei proportional zur Drehrate, so dass eine Messung der Auslenkung mittels Detektionsmitteln als Maß für die anliegende Drehrate zu verwenden ist. Zur Quadraturregelung der Coriolisschwingung wird üblicherweise eine Gleichspannungs-Steuerspannung angelegt, deren Spannungsniveau mit Hilfe einer Ladungspumpe (engl. Charge Pump) über das elektrische Potential der Versorgungsspannung hinaus erhöht wird. Die Steuerspannung wird dabei üblicherweise von einem Digital-Analog-Konverter auf einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) erzeugt und mit einem ebenfalls auf dem ASIC befindlichen Verstärker entsprechend verstärkt. Der Anschluss für die Versorgungsspannung des Verstärkers wird dabei mit der Ladungspumpe verbunden, um eine entsprechende Anhebung des Spannungsniveaus zu erzielen. Eine solche Ladungspumpe ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 6 300 820 B1 bekannt. Die erhöhte Steuerspannung wird ausgehend vom Verstärker an ein Ausgangspad des ASIC's angelegt. Das Steuersignal-Eingangspad (auch als Quadratur-Frequenz-Regelungspad bezeichnet) des eigentlichen Drehratensensors wird, beispielsweise über einen Bonddraht, mit dem Ausgangspad des ASIC's verbunden.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass durch die Runterregelung der Ladungspumpe durch den Verstärker, der Verstärker einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch aufweist. Dies ist erforderlich, da einerseits ein großer Spannungsbereich am Ausgang des Verstärkers verfügbar sein muss und andererseits der Spannungsbereich am Ausgang des Verstärkers sehr präzise einstellbar sein muss, d. h. es wird eine hohe Auflösung benötigt. Zum Erzielen dieser hohen Auflösung muss ferner der Digital-Analog-Konverter vergleichsweise hochauflösend ausgebildet sein, wodurch zusätzlich ein vergleichsweise großer Flächen- und Strombedarf auf dem ASIC entsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Steuerschaltung, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Steuerschaltung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Strombedarf erheblich reduziert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ladungspumpe direkt mit der Sensor-Schnittstelle verbunden ist und nicht über einen zusätzlichen Verstärker mit der Sensor-Schnittstelle verbunden bzw. durch den Verstärker runtergeregelt ist. Das Steuersignal wird direkt an der Ladungspumpe angelegt und nicht an einem Eingang des zwischen der Ladungspumpe und der Sensor-Schnittstelle angeordneten zusätzlichen Verstärkers, so dass die Spannungsregelung an der Sensor-Schnittstelle durch die Versorgungs- und/oder der Eingangsspannung an der Ladungspumpe erfolgt. Die aus dem Stand der Technik bekannte Verwendung des zusätzlichen Verstärkers wird somit vollständig eingespart. Es hat sich gezeigt, dass der Strombedarf hierdurch um ein Vielfaches gesenkt wird, da der Ausgang der Ladungspumpe nicht, wie im Stand der Technik, durch den Verstärker runtergeregelt wird. Insbesondere arbeitet die Ladungspumpe lediglich im benötigten Spannungsbereich des Steuersignals, so dass am Ausgang der Ladungspumpe lediglich ein kleiner Spannungsbereich und eine geringere Genauigkeit notwendig sind und nicht wie beim Stand der Technik permanent der gesamte potentiell mögliche Spannungsbereich mit hoher Präzision zur Verfügung gestellt werden muss. Bevorzugt ist die Steuerschaltung auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere Silizium, und besonders bevorzugt auf einem ASIC angeordnet. Der ASIC weist vorzugsweise eine Sensor-Schnittstelle in Form eines Pad's (Kontaktfläche) auf, welches besonders bevorzugt eine ESD-(eletro-static discharge)Struktur umfasst. Die Ladungspumpe umfasst vorzugsweise eine mehrstufige Ladungspumpe, d. h. insbesondere eine Kaskadenschaltung mehrerer Ladungspumpen-Verstärkungsstufen. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist insbesondere zur Steuerung eines Drehratensensors und vorzugsweise zur Quadraturregelung eines Drehratensensors vorgesehen, wobei das Steuersignal hier insbesondere in Form eines DC-Steuersignals an der Sensor-Schnittstelle angelegt wird. Alternativ ist jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße Steuerschaltung für die Ansteuerung jedweder Aktoren und/oder Sensoren, insbesondere aktiver Sensoren, zu verwenden. Der Sensor und/oder Aktor umfasst insbesondere einen in ein Halbleitersubstrat, bevorzugt Silizium und besonders bevorzugt mittels Oberflächenmikromechanik integrierten Sensor und/oder Aktor.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung einen mit der Ladungspumpe unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Spannungsregler aufweist, wobei die Ladungspumpe zwischen dem Spannungsregler und der Sensor-Schnittstelle angeordnet ist. Der Spannungsregler ist insbesondere an die Spannungsversorgung der Ladungspumpe angeschlossen, so dass die Ausgangsspannung der Ladungspumpe vorteilhafterweise direkt über das Steuersignal steuerbar ist. Der Spannungsregler umfasst beispielsweise einen einfachen Sourcefolger.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung einen mit der Ladungspumpe unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Digital-Analog-Konverter zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein analoges Steuersignal aufweist, wobei die Ladungspumpe zwischen dem Digital-Analog-Konverter und der Sensor-Schnittstelle angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit das Ausgangssignal des Digital-Analog-Konverters zur Steuerung der Versorgungsspannung zumindest einer ersten Stufe der Ladungspumpe verwendet. Der Digital-Analog-Konverter kann im Vergleich zum Stand der Technik vorzugsweise wesentlich bauraumkompakter ausgebildet werden, da die Auflösung des Digital-Analog-Konverters 1 zu 1 vom Eingang zum Ausgang der Steuerschaltung übertragen wird und nicht – wie im Stand der Technik – die Auflösung durch einen Verstärker zwischen Eingang und Ausgang multipliziert wird (wodurch sich auch Abweichungen/Fehler multiplizieren).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladungspumpe eine mehrstufige Ladungspumpe umfasst, wobei eine erste Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe mit dem Spannungsregler und vorzugsweise mit dem Digital-Analog-Konverter elektrisch leitfähig verbunden ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine Erhöhung des Spannungsniveaus des Steuersignals um ein Vielfaches der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung möglich. Beispielsweise wird somit eine effiziente Ansteuerung des Drehratensensors oder anderer aktiver Sensoren ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mehrstufige Ladungspumpe wenigstens eine weitere Stufe umfasst, welche mit wenigstens einem weiteren Spannungsregler elektrisch leitfähig verbunden ist. In vorteilhafter Weise sind die Ausgangsspannungsbereiche der weiteren Stufen der Ladungspumpe über die weiteren Spannungsregler einstellbar, so dass eine effiziente Anpassung der Steuerschaltung an die Erfordernisse des Sensors und/oder Aktors erzielt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung aufweisend eine erfindungsgemäße Steuerschaltung, wobei die Ladungspumpe über die Sensor-Schnittstelle unmittelbar mit einer Steuerschnittstelle des Sensors verbunden ist. In vorteilhafter Weise ist die Ladungspumpe somit unmittelbar mit dem Sensor verbunden. Das Steuersignal, dessen Spannungsniveau durch die Ladungspumpe in besonders stromsparender Weise erhöht wurde, wird insbesondere zur Quadraturfrequenzregelung eines Drehratensensors verwendet. Die Steuerschnittstelle umfasst daher insbesondere ein Quadratur- oder Frequenzregelungspads mit einer ESD-Struktur. Die hierbei auftretenden Verlustströme basierend hauptsächlich auf Verlustströmen in der ESD-Struktur, welche im Vergleich zu den im aus dem Stand der Technik bekannten Verstärker auftretenden Verlustströmen vergleichsweise niedrig sind. Das Quadratur- oder Frequenzregelungspad stellt im Wesentlichen lediglich eine elektrische Kapazität dar, so dass bei den üblicherweise verwendeten niedrigen Frequenzen keine wesentlichen Ströme auftreten.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Steuerschaltung, wobei die elektrische Spannung eines Steuersignals mittels einer Ladungspumpe erhöht wird und wobei das Steuersignal von der Ladungspumpe unmittelbar an eine Sensor-Schnittstelle geleitet wird, welche zum Anschluss an einen Sensor konfiguriert ist. Vorteilhafterweise wird somit kein zusätzlicher Verstärker zwischen der Ladungspumpe und der Sensor-Schnittstelle benötigt, so dass der Stromverbrauch im Vergleich zum Stand der Technik erheblich gesenkt wird. Die Sensor-Schnittstelle umfasst vorzugsweise ein Quadratur- und/oder Frequenzregelungspad des Sensors und/oder Aktors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elektrische Steuersignal über einen Spannungsreglers an die Ladungspumpe gekoppelt wird, so dass die Ausgangsspannung der Ladungspumpe unmittelbar über das Steuersignal regelbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuersignal mittels eines Spannungsreglers in Form eines Digital-Analog-Konverters von einem digitalen Steuersignal in ein analoges Steuersignal gewandelt wird. Vorteilhafterweise ist somit ein digitales Steuersignal zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens und zur Steuerung des Sensors und/oder Aktors zu verwenden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das die elektrische Spannung des Steuersignal mittels einer mehrstufigen Ladungspumpe erhöht wird, wobei das Steuersignal über den Spannungsregler an eine erste Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe geleitet wird und wobei vorzugsweise wenigstens eine weitere Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe über einen weiteren Ladungsregler geregelt wird. In vorteilhafter Weise ist somit die Ausgangsspannung der Ladungspumpe auf ein Vielfaches der Versorgungsspannung zu steigern, wobei die Ausgangsspannung der Ladungspumpe mittels der weiteren Ladungsregler oder dem Digital-Analog-Konverter vorzugsweise präzise justierbar ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung mit einer Steuerschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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2 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung mit einer Steuerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 10 mit einer Steuerschaltung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung weist die Steuerschaltung 1, sowie einen beispielhaft als mikromechanischen Drehratensensor ausgebildeten Sensor 2 auf. Die Steuerschaltung 1 ist auf einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 1' realisiert, während der Sensor 2 auf einem separaten mittels Oberflächenmikromechanik bearbeiteten Substrat 2' realisiert ist. Der Drehratensensor 1 umfasst eine gegenüber dem Substrat 2' beweglich aufgehängte seismische Masse 13 (häufig auch als Coriolis- oder Sensor-Element bezeichnet). Die seismische Masse 13 wird mittels kapazitiver Antriebseinheiten 14 zu einer Arbeitsschwingung 15 angeregt, welche im vorliegenden Beispiel parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2' ausgerichtet ist. Die Antriebseinheiten 14' umfassen dazu substratfeste Fingerelektrodenstrukturen 14', zwischen welche als Fingerelektroden ausgebildete Gegenelektroden 14'' der seismischen Masse 13 eingreifen. Eine auf jeder Seite der seismischen Masse 13 jeweils zwischen den Fingerelektrodenstrukturen 14' und den Gegenelektroden 14'' angelegte Wechselspannung erzeugt aufgrund von elektrostatischer Wechselwirkung zwischen den Fingerelektrodenstrukturen 14' und den Gegenelektroden 14'' eine Antriebskraft auf die seismische Masse 13, wodurch die Arbeitsschwingung 15 induziert wird. Liegt nun eine Drehrate 16 an, welche beispielsweise senkrecht zur Arbeitsschwingung 15 und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgerichtet ist, wirkt auf die seismische Masse 13 eine Corioliskraft senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100, wodurch eine Coriolisauslenkung 17 der seismischen Masse 3 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 verursacht wird. Die Coriolisauslenkung 6 ist ein Maß für die zu messende Drehrate 16 und wird mittels Flächenelektrodenelementen 18, welche beispielsweise zwischen der seismischen Masse 13 und dem Substrat 2' angeordnet sind, kapazitiv vermessen. Die Quadratur-Frequenz-Regelung des Drehratensensors erfolgt durch die Steuerschaltung 1, welche über eine Steuerschnittstelle 9, insbesondere ein Quadratur-Frequenz-Regelungspad, des Sensors 2 beispielsweise mit den Antriebseinheiten 14 gekoppelt ist. Die Steuerschaltung 1 weist eine Ladungspumpe 5 auf, welche über eine Sensor-Schnittstelle 3 unmittelbar und direkt mit der Steuerschnittstelle 9 elektrisch leitfähig verbunden ist. Die Spannungsregelung an der Sensor-Schnittstelle 3 erfolgt somit unmittelbar durch die Ladungspumpe 5. Die Sensor-Schnittstelle 3 und die Steuerschnittstelle 9 umfassen beispielsweise Kontaktpads und/oder Kontaktpins, welche über Bonddrähte und/oder über eine Leiterplatte miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind. Zum Schutz vor elektrostatischen Überspannungen sind die Pads vorzugsweise jeweils mit ESD-Strukturen ausgestattet (nicht abgebildet). Ein digitales Steuersignal 4, 4' wird auf dem ASIC 1' mittels eines in Form eines Digital-Analog-Wandlers 6' ausgebildeten Spannungsreglers 6 in ein analoges Steuersignal 4, 4'' umgewandelt. Das analoge Steuersignal 4, 4'' wird direkt an einen Spannungsversorgungsanschluss der Ladungspumpe 5 angelegt. Die Ladungspumpe 5 dient zur Erhöhung des Spannungsniveaus über die auf dem ASIC 1' zur Verfügung stehende Versorgungsspannung hinaus, so dass insbesondere eine effiziente Quadraturkompensation steuerbar ist.
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In 2 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 10 mit einer Steuerschaltung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht. Die Steuerschaltung 1 dient wiederum zur Steuerung eines beliebigen Aktors und/oder Sensors 2, welcher eine entsprechende (Sensor-)Schnittstelle 9, insbesondere ein Pad, und ein aktives Aktor- oder Sensorelement 12 umfasst. Die Steuerschaltung 1 weist ferner die Ladungspumpe 5 auf, welcher im vorliegenden Beispiel als mehrstufige Ladungspumpe ausgebildet ist, d. h. die Ladungspumpe 5 weist eine Mehrzahl von Stufen 7, 7', 7'' auf. Die Anzahl der Stufen 7, 7', 7'' richtet sich nach den Anforderungen an das Spannungsniveau des verstärkten analogen Steuersignals 4''' an der Sensor-Schnittstelle 3. Dass die Ladungspumpe 5 je nach Bedarf mehr als die in 2 eingezeichneten drei Stufen 7, 7', 7'' aufweist, ist in 2 durch Punkte 19 schematisch angedeutet. Das digitale Steuersignal 4' wird mittels des Digital-Analog-Konverters in ein analoges Steuersignal 4'' umgewandelt, welches an den Eingang einer ersten Stufe 7 der Ladungspumpe 5 angelegt wird. Die Versorgungsspannung 20 der ersten Stufe 7 wird ferner mittels eines weiteren Spannungsreglers 8 entsprechend justiert. Auf die erste Stufe 7 folgend die weiteren Stufen 7', 7'' der Ladungspumpe 5, wobei deren Versorgungsspannungen 20 ebenfalls durch weitere Spannungsregler 8 justiert werden. Der Ausgang der letzten weiteren Stufe 7'' ist unmittelbar mit der Sensor-Schnittstelle 3 elektrisch leitfähig verbunden, so dass das verstärkte analoge Steuersignal 4''' an die Sensor-Schnittstelle 3 ausgegeben wird. Die Spannungsregelung an der Sensor-Schnittstelle 3 erfolgt somit unmittelbar durch die Versorgungs- und/oder der Eingangsspannung an der Ladungspumpe 5. Alternativ ist denkbar, dass das analoge Steuersignal 4' direkt an den Versorgungsspannungsanschluss 20 der ersten Stufe 7 angeschlossen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000168 A1 [0002]
- US 6300820 B1 [0002]
