DE102011085081A1

DE102011085081A1 - Sensor system for generating sensor signal based on deflection velocity, has amplifier provided for generating sensor signal and comprising input connected with detection unit and output coupled opposite to input over resistor element

Info

Publication number: DE102011085081A1
Application number: DE201110085081
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-04-25

Abstract

The system (1) has a sensor (2) e.g. Coriolis-sensor, comprising a seismic mass that is deflected opposite to a substrate of the sensor. The sensor has a Coriolis-detection unit for generating time-dependant capacitance change based on the deflection. An amplifier (3) is provided for generating a sensor signal, where an inverting input (4) of the amplifier is connected with the detection unit. An output (7) of the amplifier is coupled opposite to the input over a resistor element (8). The amplifier has an operational amplifier, and a switch is connected parallel to a capacitor. An independent claim is also included for an evaluation method for generating a sensor signal.

Description

Stand der Technik State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention is based on a sensor system according to the preamble of claim 1.

Solche Sensorsysteme sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 101 08 196 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehrate bekannt, wobei ein erstes und ein zweites Coriolis-Element über eine Feder miteinander verbunden sind und zu gegenphasigen Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt werden und wobei beim Vorliegen einer Drehrate ein erstes und ein zweites kapazitives Detektionsmittel eine gegensinnige Auslenkungsbewegung des ersten und zweites Coriolis-Elements aufgrund auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskräfte kapazitiv detektieren. Die Auswertung der Auslenkungsbewegung erfolgt üblicherweise mittels einer Auswertung einer elektrischen Kapazität zwischen substratfesten Festelektroden und korrespondierenden mit den Coriolis-Elementen verbundenen Gegenelektroden, da die elektrische Kapazität je nach Art der Elektrodenstruktur vom Abstand zwischen den Fest- und Gegenelektroden (bei gegenüberliegenden Plattenkondensatorstrukturen) oder von der Größe der Überlappungsfläche zwischen den Fest- und Gegenelektroden (bei ineinandergreifenden Kammelektrodenstrukturen) abhängt. Such sensor systems are well known. For example, from the document DE 101 08 196 A1 a rotation rate sensor with Coriolis elements for measuring a rate of rotation known, wherein a first and a second Coriolis element are connected to each other via a spring and are excited in opposite phase parallel to a first axis and wherein in the presence of a rotation rate, a first and a second capacitive Detection means capacitively detect an opposing deflection movement of the first and second Coriolis element due to acting on the Coriolis elements Coriolis forces. The evaluation of the deflection movement is usually carried out by means of an evaluation of an electrical capacitance between substrate-fixed electrodes and corresponding counter electrodes connected to the Coriolis elements, since the electrical capacitance depending on the type of electrode structure of the distance between the fixed and counter electrodes (opposite plate capacitor structures) or of the Size of the overlap area between the fixed and counter electrodes (for intermeshing comb electrode structures) depends.

Es gibt jedoch Anwendungen, bei welchem nicht die Auslenkung der seismischen Masse, sondern die Geschwindigkeit, mit der die seismische Masse ausgelenkt wird, detektiert werden soll. Eine Detektion der Coriolis-Geschwindigkeit wird beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2005 034 703 A1 thematisiert. However, there are applications in which it is not the deflection of the seismic mass that is to be detected, but the speed at which the seismic mass is deflected. A detection of the Coriolis speed is described for example in the document DE 10 2005 034 703 A1 addressed.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Sensorsystem und das erfindungsgemäße Auswerteverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass auf eine vergleichsweise einfach, kompakt und kostengünstig zu implementierenden Art und Weise ein zur Auslenkungsgeschwindigkeit proportionales Sensorsignal erzeugt wird. Mit anderen Worten: Es wird mit vergleichsweise einfachen und kostengünstig zu implementierenden Mitteln ein Sensorsignal erzeugt, welches einer Geschwindigkeit proportional ist, mit der sich die seismische Masse aufgrund einer auf die seismischen Masse wirkenden Kraft auslenkt. In vorteilhafter Weise werden hierzu insbesondere keine kostenintensiven separaten Mikrocontroller oder Auswerteprozessoren benötigt, welche einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch und Bauraumbedarf haben. Die den Verstärker umfassende Auswerteschaltung des erfindungsgemäßen Sensorsystems lässt sich stattdessen vorzugsweise direkt in Antriebskreise des Sensors zur Anregung der seismischen Masse zu einer Schwingung und/oder in Detektionskreise des Sensors zur Detektion der Auslenkung der seismischen Masse integrieren. Insbesondere ist die Auswerteschaltung auf einem ASIC (Application Specified Integrated Circuit) realisiert, wodurch ein besonders bauraumkompaktes, stromsparendes und kostengünstiges Sensorsystem ermöglicht wird. Alternativ ist auch denkbar, dass die Auswerteschaltung unmittelbar auf den Wafer des Sensors implementiert wird. Der Sensor umfasst insbesondere einen Drehratensensor und/oder einen Beschleunigungssensor. Besonders bevorzugt umfasst der Sensor einen Beschleunigungssensor, Drehratensensor, vorzugsweise ein Coriolis-Sensor, in Form eines MEMS-Bauelements (Micro Electro Mechanic System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Die seismische Masse umfasst dann im Falle des Drehratensensors insbesondere ein Coriolis-Detektionselement, welches mittels Antriebsmitteln in Schwingungen versetzbar ist und welches beim Vorliegen einer Drehrate zu einer Auslenkung senkrecht zur Schwingungsrichtung und senkrecht zur Drehrate infolge einer auf das Coriolis-Detektionselement wirkenden Coriolis-Kraft auslenkbar ist, wobei die Auslenkung mittels des Detektionsmittels kapazitiv detektierbar ist. Das Detektionsmittel umfasst hierfür vorzugsweise eine Kammelektrodenstruktur und/oder eine Plattenkondensatorstruktur. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der ersten und zweiten seismischen Masse, sowie der ersten und zweiten Detektionsmittel entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eines Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens. The sensor system according to the invention and the evaluation method according to the independent claims have the advantage over the prior art that a sensor signal proportional to the deflection speed is generated in a comparatively simple, compact and cost-effective manner. In other words, a sensor signal which is proportional to a speed with which the seismic mass deflects due to a force acting on the seismic mass is generated with comparatively simple and inexpensive means to be implemented. Advantageously, no costly separate microcontroller or evaluation processors are required for this purpose, which have a comparatively high power consumption and space requirements. Instead, the evaluation circuit of the sensor system according to the invention comprising the amplifier can preferably be integrated directly into drive circuits of the sensor for exciting the seismic mass into a vibration and / or into detection circuits of the sensor for detecting the deflection of the seismic mass. In particular, the evaluation circuit is implemented on an ASIC (Application Specified Integrated Circuit), whereby a space-compact, energy-saving and cost-effective sensor system is made possible. Alternatively, it is also conceivable that the evaluation circuit is implemented directly on the wafer of the sensor. In particular, the sensor comprises a yaw rate sensor and / or an acceleration sensor. Particularly preferably, the sensor comprises an acceleration sensor, rotation rate sensor, preferably a Coriolis sensor, in the form of a MEMS device (Micro Electro Mechanic System), which is manufactured in a semiconductor manufacturing process. In the case of the yaw rate sensor, the seismic mass then comprises, in particular, a Coriolis detection element which can be set into oscillation by means of drive means and which deflects in the presence of a yaw rate to a deflection perpendicular to the direction of oscillation and perpendicular to the yaw rate as a result of a Coriolis force acting on the Coriolis detection element is, wherein the deflection by means of the detection means is capacitively detectable. For this purpose, the detection means preferably comprises a comb electrode structure and / or a plate capacitor structure. The substrate preferably comprises a semiconductor material, in particular silicon, which is structured accordingly to form the first and second seismic mass, as well as the first and second detection means. The structuring is preferably carried out in the context of a lithography, etching, deposition and / or bonding process.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims, as well as the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Verstärker einen Operationsverstärker umfasst, wobei der Eingang einen invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und wobei der Operationsverstärker einen nicht-invertierenden weiteren Eingang umfasst, der mit einer Referenzspannungsquelle verbunden ist. Eine Ausbildung des Verstärkers als Operationsverstärker ermöglicht vorteilhafterweise die Realisierung einer vergleichsweise hohen Verstärke (A_OP >> 1), so dass eine vergleichsweise schnelle und präzise Einstellung der Referenzspannung am Eingang erfolgt und somit ein zeitabhängige Spannungssignal als Sensorsignal erzeugt wird, welches von der zeitabhängigen Kapazitätsänderung und somit von der Geschwindigkeit der seismischen Masse abhängig ist. In vorteilhafter Weise dient die Referenzspannungsquelle als Referenzwert, welchen der gegengekoppelte Verstärker auch am Eingang, welcher mit dem Detektionsmittel elektrisch leitfähig verbunden ist, einzustellen versucht. Anhand des Sensorsignals, welches als Ausgangssignal des Verstärkers am Ausgang des Verstärkers anliegt, ist somit ein Rückschluss auf die sich ändernde elektrische Kapazität am Detektionsmittel infolge der Auslenkungsgeschwindigkeit möglich. According to a preferred embodiment, it is provided that the amplifier comprises an operational amplifier, wherein the input comprises an inverting input of the operational amplifier and wherein the operational amplifier comprises a non-inverting further input which is connected to a reference voltage source. An embodiment of the amplifier as an operational amplifier advantageously allows the realization of a comparatively high amplification (A _OP >> 1), so that a comparatively fast and precise setting of the reference voltage at the input and thus a time-dependent voltage signal is generated as a sensor signal, which of the time-dependent capacitance change and thus of the velocity of the seismic mass is dependent. Advantageously, the reference voltage source serves as a reference value, which the negative-feedback amplifier also attempts to set at the input, which is electrically conductively connected to the detection means. Based on the sensor signal, which is present as an output signal of the amplifier at the output of the amplifier, thus a conclusion on the changing electrical capacitance at the detection means due to the deflection speed is possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Widerstandselement einen ohmschen Widerstand umfasst. Die Verwendung eines ohmschen Widerstands hat den Vorteil, dass das erfindungsgemäße Sensorsystem ein zeitkontinuierliches Sensorsignal bereitstellt. Der ohmsche Widerstand weist umfasst vorzugsweise einen hochohmschen Widerstand, besonders bevorzugt ist der elektrische Widerstand größer als 1 MΩ (Megaohm). According to a preferred embodiment, it is provided that the resistance element comprises an ohmic resistance. The use of an ohmic resistor has the advantage that the sensor system according to the invention provides a time-continuous sensor signal. The ohmic resistor preferably comprises a high resistance, more preferably the electrical resistance is greater than 1 MΩ (megohm).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Widerstandselement einen Kondensator umfasst, wobei dem Kondensator bevorzugt ein Schalter parallel geschaltet ist und wobei der Schalter besonders bevorzugt mit einem Taktgeber verbunden ist. Auf diese Weise wird kein hochohmiger ohmscher Widerstand benötigt. Vorteilhafterweise sind Kondensatoren in den in Rede stehenden Halbleiterherstellungsprozessen im Vergleich genauer und stabiler realisierbar. Das Sensorsystem stellt insbesondere ein zeitdiskretes Sensorsignal bereit, welches die Auslenkungsgeschwindigkeit zu äquidistanten Zeitpunkten beschreibt. According to a preferred embodiment, it is provided that the resistance element comprises a capacitor, wherein the capacitor is preferably connected in parallel with a switch, and wherein the switch is particularly preferably connected to a clock generator. In this way, no high-ohmic resistance is needed. Advantageously, capacitors in the semiconductor manufacturing processes in question can be implemented more accurately and more stably in comparison. In particular, the sensor system provides a time-discrete sensor signal which describes the deflection speed at equidistant times.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Auswerteverfahren zur Erzeugung eines von einer Auslenkungsgeschwindigkeit abhängigen Sensorsignals, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem, wobei mittels eines Detektionsmittels eine Auslenkungsbewegung einer seismischen Masse in ein zeitabhängiges Kapazitätssignal gewandelt wird und wobei mittels eines Verstärkers ein Spannungssignal als Sensorsignal in Abhängigkeit einer Änderung des Kapazitätssignals erzeugt wird, wobei ferner das Spannungssignal über ein Widerstandselement auf das Kapazitätssignal gegengekoppelt wird. Es wird somit in einfacher Art und Weise und mit einer vergleichsweise kostengünstig zu implementierenden Schaltung ein Sensorsignal bereitgestellt, welches nicht nur von der absoluten Auslenkung der seismischen Masse relativ zu einer Ruhelage infolge einer auf die seismischen Masse wirkenden Kraft, beispielsweise eine Trägheitskraft, Beschleunigungskraft, Coriolis-Kraft und/oder Zentrifugalkraft abhängt, sondern welches von der Auslenkungsgeschwindigkeit der seismischen Masse während einer Auslenkungsbewegung aus dessen Ruhelage infolge der Kraft abhängig ist. A further subject of the present invention is an evaluation method for generating a sensor signal dependent on a deflection speed, in particular with the sensor system according to the invention, wherein a deflection movement of a seismic mass is converted into a time-dependent capacitance signal by means of a detection means and wherein by means of an amplifier a voltage signal as a sensor signal in dependence a change of the capacitance signal is generated, wherein further the voltage signal is fed back via a resistive element to the capacitance signal. It is thus provided in a simple manner and with a relatively inexpensive circuit to implement a sensor signal which not only of the absolute deflection of the seismic mass relative to a rest position due to a force acting on the seismic mass force, such as an inertial force, acceleration force, Coriolis Force and / or centrifugal force depends, but which is dependent on the deflection speed of the seismic mass during a deflection movement from its rest position due to the force.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein invertierender Eingang eines als Operationsverstärkers ausgeführten Verstärkers mit dem Kapazitätssignal und ein nicht-invertierender weiterer Eingang des Operationsverstärkers mit einer Referenzspannung beaufschlagt werden. In vorteilhafter Weise erzeugt der Operationsverstärker als Sensorsignal ein Spannungssignal, welches derart ausgebildet ist, dass am Eingang die Referenzspannung anliegt. Der Eingang ist ferner mit dem Detektionsmittel elektrisch leitfähig verbunden, so dass der zum Eingang fließende Strom von der Änderung der elektrischen Kapazität am Detektionsmittel abhängt und somit auch das als Sensorsignal fungierende Spannungssignal am Ausgang des Operationsverstärkers von der zeitabhängigen Kapazitätsänderung am Sensor und damit auch von der Auslenkungsgeschwindigkeit abhängt. According to a preferred embodiment, it is provided that an inverting input of an amplifier designed as an operational amplifier with the capacitance signal and a non-inverting further input of the operational amplifier are subjected to a reference voltage. Advantageously, the operational amplifier generates a voltage signal as a sensor signal, which is designed in such a way that the reference voltage is present at the input. The input is further electrically conductively connected to the detection means, so that the current flowing to the input depends on the change of the electrical capacitance at the detection means and thus also acting as a sensor signal voltage signal at the output of the operational amplifier of the time-dependent capacitance change at the sensor and thus also from the Deflection speed depends.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Spannungssignal über einen ohmschen Widerstand auf das Kapazitätssignal gegengekoppelt wird. In vorteilhafter Weise wird somit ein zeitkontinuierliches Sensorsignal erzeugt. According to a preferred embodiment it is provided that the voltage signal is fed back via an ohmic resistance to the capacitance signal. Advantageously, a time-continuous sensor signal is thus generated.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Spannungssignal über einen Kondensator auf das Kapazitätssignal gegengekoppelt wird, wobei er Kondensator mittels eines taktweise zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand geschalteten Schalters taktweise überbrückt wird und wobei das Sensorsignal stets in einem Takt des Taktsignals abgetastet wird, in welchem der Schalter geöffnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit kein hochohmiger ohmscher Widerstand benötigt, sondern stattdessen lediglich eine in Form des Kondensators gebildete elektrische Kapazität, welche genauer und stabiler realisierbar ist, und ein Schalter. Der Schalter dient zum Zurücksetzen der elektrischen Ladung auf dem Kondensator, da der Kondensator beim Schließen (Durchschalten) des Schalters kurzgeschlossen (überbrückt) wird. Sobald der Schalter geöffnet wird, muss der Operationsverstärker – wenn sich die elektrische Kapazität des Detektionsmittels verändert – die Ladungsmenge auf dem Kondensator entsprechend verändern, damit sich am Eingang die Referenzspannung einstellt. Das Sensorsignal am Ausgang des Operationsverstärkers hängt dann von der Änderung der elektrischen Kapazität am Detektionsmittel bzw. am Sensor und somit von der Auslenkungsgeschwindigkeit der seismischen Masse ab. According to a preferred embodiment, it is provided that the voltage signal is fed back to the capacitance signal via a capacitor, whereby the capacitor is bridged by means of a switch cyclically switched between an open and a closed state and wherein the sensor signal is always sampled in one clock of the clock signal, in which the switch is open. Advantageously, therefore, no high-ohmic resistor is needed, but instead only an electric capacitor formed in the form of the capacitor, which is more accurate and stable feasible, and a switch. The switch is used to reset the electrical charge on the capacitor, because the capacitor is shorted (bridged) when closing (switching) of the switch. As soon as the switch is opened, if the electrical capacitance of the detection means changes, the operational amplifier must change the amount of charge on the capacitor accordingly so that the reference voltage is established at the input. The sensor signal at the output of the operational amplifier then depends on the change in the electrical capacitance at the detection means or at the sensor and thus from the deflection speed of the seismic mass.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abtastrate des Sensorsignals ein Vielfaches einer Resonanzfrequenz der seismischen Masse ist. In vorteilhafter Weise wird somit insbesondere eine einfache Auswertung des Sensorsignals erzielt, beispielsweise in Form einer Mittelung über eine Mehrzahl von Werten des Sensorsignals. According to a preferred embodiment, it is provided that the sampling rate of the sensor signal is a multiple of a resonance frequency of the seismic mass. In an advantageous manner, in particular a simple evaluation of the sensor signal is achieved, for example in the form of an averaging over a plurality of values of the sensor signal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine als Coriolis-Element ausgebildete seismische Masse infolge einer Coriolis-Kraft zur Auslenkungsbewegung ausgelenkt wird. Insbesondere wird die Geschwindigkeit der als Coriolis-Element ausgebildeten und in periodische Schwingungen versetzten seismischen Masse sowohl in Antriebsrichtung als auch senkrecht dazu (entlang der Detektionsrichtung) vermessen. Vorzugsweise ist somit ein als Coriolis-Sensor ausgebildeter Drehratensensor realisierbar. According to a preferred embodiment, it is provided that a seismic mass designed as a Coriolis element is deflected due to a Coriolis force for the deflection movement. In particular, the velocity of the seismic mass formed as a Coriolis element and set in periodic oscillations is measured both in the drive direction and perpendicular thereto (along the detection direction). Preferably, thus designed as a Coriolis sensor yaw rate sensor can be realized.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen Show it

1 eine schematische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 1 a schematic view of a sensor system according to a first embodiment of the present invention and

2 eine schematische Ansicht eines Sensorsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 a schematic view of a sensor system according to a second embodiment of the present invention and

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

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. In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.

In 1 ist eine schematische Ansicht eines Sensorsystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Sensorsystem 1 umfasst beispielhaft einen Sensor 2 in Form eines als Coriolis-Sensor 2’ ausgebildeten Drehratensensor, wobei der Coriolis-Sensor 2’ lediglich schematisch dargestellt ist. In 1 is a schematic view of a sensor system 1 according to a first embodiment of the present invention. The sensor system 1 includes a sensor by way of example 2 in the form of a Coriolis sensor 2 ' trained yaw rate sensor, with the Coriolis sensor 2 ' is shown only schematically.

Der Coriolis-Sensor 2’ umfasst insbesondere wenigstens eine als Coriolis-Detektionselement ausgebildete seismische Masse, welches beweglich gegenüber einem Substrat des Coriolis-Sensors 2‘ aufgehängt ist. Das Coriolis-Detektionselement ist mittels Antriebsmitteln, insbesondere ein kapazitiver Kammantrieb, zu einer Schwingung parallel zu einer ersten Achse anregbar. Wenn nun am Coriolis-Sensor 2‘ eine Drehrate um eine Drehrate anliegt, welche sich parallel zu einer zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse erstreckt, wirkt auf das Coriolis-Detektionselement eine Coriolis-Kraft. Die Coriolis-Kraft wirkt dabei entlang einer sowohl zur ersten Achse, als auch zur zweiten Achse senkrechten dritten Achse. Der Coriolis-Sensor 2‘ weist ferner ein Detektionsmittel auf, welches zur Detektion einer Auslenkung des Coriolis-Detektionselements entlang der dritten Achse vorgesehen ist. Das Detektionsmittel umfasst vorzugsweise eine substratfeste Festelektrode, welche mit einer Gegenelektrode, welche insbesondere Teil des Coriolis-Detektionselements ist, nach Art einer Plattenkondensatorstruktur zusammenwirkt. Eine Auslenkung des Coriolis-Detektionselements erzeugt somit eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen der Festelektrode und der Gegenelektrode. Die Auslenkung des Coriolis-Detektionselements und die Auslenkungsgeschwindigkeit des Coriolis-Detektionselements werden von dem Detektionsmittel somit in ein zeitabhängiges Kapazitätssignal gewandelt. The Coriolis sensor 2 ' In particular, it comprises at least one seismic mass designed as a Coriolis detection element which is movable relative to a substrate of the Coriolis sensor 2 ' is suspended. By means of drive means, in particular a capacitive comb drive, the Coriolis detection element can be excited to oscillate parallel to a first axis. If now on the Coriolis sensor 2 ' a rate of rotation is applied at a rate of rotation, which extends parallel to a second axis perpendicular to the first axis, acts on the Coriolis detection element, a Coriolis force. The Coriolis force acts along a third axis that is perpendicular to both the first axis and the second axis. The Coriolis sensor 2 ' further comprises a detection means, which is provided for detecting a deflection of the Coriolis detection element along the third axis. The detection means preferably comprises a substrate-fixed solid electrode, which cooperates with a counter electrode, which is in particular part of the Coriolis detection element, in the manner of a plate capacitor structure. A deflection of the Coriolis detection element thus produces a change in the electrical capacitance between the fixed electrode and the counter electrode. The deflection of the Coriolis detection element and the deflection speed of the Coriolis detection element are thus converted by the detection means into a time-dependent capacitance signal.

Die elektrische Kapazität eines Plattenkondensators berechnet sich allgemein zu C = ε₀·ε_r· A / d wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante, ε_r die Materialkonstante, A die Fläche der Kondensatorplatten und d der Abstand der Kondensatorplatten ist. Ist der Coriolis-Sensor 2‘ nun derart ausgelegt, dass sich durch die Coriolis-Kraft der Abstand zwischen der Festelektrode und der Gegenelektrode d = x₀ + x (x₀ ist der Abstand zwischen der Fest- und Gegenelektroden in der Ruhelage des Coriolis-Detektionselements, während x den Abstand bei einer Auslenkung des Coriolis-Detektionselements aus der Ruhelage beschreibt) verändert, so gilt:

The electrical capacity of a plate capacitor is generally calculated to

C = ε ₀ · ε _r · A / d

where ε _{0 is} the dielectric constant, ε _{r is} the material constant, A is the area of the capacitor plates and d is the distance of the capacitor plates. Is the Coriolis sensor 2 ' now designed such that the distance between the fixed electrode and the counter electrode d = x ₀ + x (x ₀ is the distance between the fixed and counter electrodes in the rest position of the Coriolis detection element, while x describes the distance at a deflection of the Coriolis detection element from the rest position), the following applies:

Die Näherung ist zulässig, solange die Auslenkung x klein gegenüber dem Abstand x₀ zwischen der Gegen- und Festelektroden im Ruhezustand ist. Die elektrische Kapazität C weist somit eine lineare Abhängigkeit von der Auslenkung x auf. Wenn man nun nicht nur an der Auslenkung des Coriolis-Detektionselements gegenüber seiner Ruhelage, sondern auch an der Geschwindigkeit (auch als Coriolis-Geschwindigkeit oder Auslenkungsgeschwindigkeit bezeichnet) mit der das Coriolis-Detektionselements aufgrund der Coriolis-Kraft aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird, so ist die zeitliche Auslenkung x(t) zu betrachten. Es gilt: The approximation is permissible as long as the deflection x is small compared to the distance x ₀ between the counter and fixed electrodes in the idle state. The electrical capacitance C thus has a linear dependence on the deflection x. If now not only at the deflection of the Coriolis detection element relative to its rest position, but also at the speed (also referred to as Coriolis speed or deflection speed) is deflected with the Coriolis detection element due to the Coriolis force from its rest position, so to consider the temporal displacement x (t). The following applies:

Zur Auswertung dieses zeitabhängigen Kapazitätssignals C(t) weist das Sensorsystem 1 einen Verstärker 3 auf. Der Verstärker 3 umfasst einen Operationsverstärker mit einer hohen Verstärkung A_OP:A_OP >> 1. Der Verstärker 3 weist einen invertierenden Eingang 4 und einen nicht-invertierenden weiteren Eingang 5 auf. Der invertierende Eingang 4 ist elektrisch leitfähig mit dem Detektionsmittel des Coriolis-Sensors 2’ und insbesondere mit der Fest- oder Gegenelektrode verbunden, so dass am invertierenden Eingang 4 die Änderung der elektrischen Kapazität C am Coriolis-Sensor 2’ infolge der durch eine Coriolis-Kraft hervorgerufenen Auslenkungsbewegung des Coriolis-Detektionselements vorliegt. Somit liegt am invertierenden Eingang 4 das zeitabhängige Kapazitätssignal C(t) vor. Der nicht-invertierende weitere Eingang 5 des Verstärkers 5 ist mit einer Referenzspannungsquelle 9 verbunden, so dass am nicht-invertierenden weiteren Eingang 5 eine konstante Referenzspannung U₀ anliegt. Ein Ausgang 7 des Verstärkers 3 ist über ein Widerstandselement 8 auf den invertierenden Eingang 4 gegengekoppelt. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Widerstandselement 8 einen hochohmigen ohmschen Widerstand 11. Der elektrische Widerstand R des ohmschen Widerstands 11 beträgt vorzugsweise mindestens ein Megaohm (R ≥ 1MΩ). Der Verstärker 3 sorgt durch die Gegenkopplung und seine hohe Verstärkung A_OP dafür, dass an seinem nicht-invertierenden Eingang 4 ebenfalls eine zur Referenzspannung U_O vergleichbare Spannung U₀ anliegt. Hierfür wird am Ausgang 7 vom Verstärker 3 das zeitabhängige Spannungssignal U_a(t) als Sensorsignal 10 erzeugt. Dabei fließt ein Strom i(t) (in 1 schematisch dargestellt als Pfeil 13) über den ohmschen Widerstand 11 Coriolis-Sensor 2’. Für den Strom i(t) gilt:

To evaluate this time-dependent capacitance signal C (t), the sensor system 1 an amplifier 3 on. The amplifier 3 includes an operational amplifier with a high gain A _OP : A _OP >> 1. The amplifier 3 has an inverting input 4 and a non-inverting further input 5 on. The inverting input 4 is electrically conductive with the detection means of the Coriolis sensor 2 ' and in particular connected to the fixed or counter electrode, so that at the inverting input 4 the change in the electrical capacitance C at the Coriolis sensor 2 ' due to the caused by a Coriolis force deflection movement of the Coriolis detection element is present. Thus lies at the inverting input 4 the time-dependent capacitance signal C (t). The non-inverting further input 5 of the amplifier 5 is with a reference voltage source 9 connected so that at the non-inverting further input 5 a constant reference voltage U ₀ is present. An exit 7 of the amplifier 3 is about a resistance element 8th on the inverting input 4 negative feedback. In the present example, the resistor element comprises 8th a high-ohmic resistance 11 , The electrical resistance R of the ohmic resistance 11 is preferably at least one megohm (R ≥ 1MΩ). The amplifier 3 due to the negative feedback and its high gain A _OP ensures that at its non-inverting input 4 likewise a voltage U ₀ comparable to the reference voltage U _O is applied. This will be at the exit 7 from the amplifier 3 the time-dependent voltage signal U _a (t) as a sensor signal 10 generated. A current i (t) (in 1 shown schematically as an arrow 13 ) over the ohmic resistance 11 Coriolis sensor 2 ' , For the current i (t) applies:

Die Ladung Q(t) zwischen der Fest- und Gegenelektrode im Coriolis-Sensor 2’ berechnet sich zu Q(t) = C(t)·U₀ The charge Q (t) between the solid and counter electrodes in the Coriolis sensor 2 ' calculates too Q (t) = C (t) * U ₀

Der Strom i(t) sorgt nun für eine Ladungsänderung dQ(t) am Coriolis-Sensor 2’: i(t) = dQ(t) / dt = dC(t) / dt·U₀ The current i (t) now ensures a charge change dQ (t) at the Coriolis sensor 2 ' : i (t) = dQ (t) / dt = dC (t) / dt * U ₀

Damit ergibt sich für das zeitabhängige Spannungssignal U_a(t) und als Sensorsignal 10 des Sensorsystems 1: U_a(t) = U₀ + dC(t) / dt·U₀·R This results in the time-dependent voltage signal U _a (t) and as a sensor signal 10 of the sensor system 1 : U _a (t) = U ₀ + dC (t) / dt × U ₀ × R

Das Sensorsignal 10 ist somit (bis auf einen Offset U₀) von der Geschwindigkeit ν(t) = dx(t) / dt des Coriolis-Detektionselement abhängig. Das Sensorsystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt somit ein von der Geschwindigkeit des Coriolis-Detektionselement abhängiges kontinuierliches Sensorsignal 10. The sensor signal 10 is thus (except for an offset U ₀ ) of the speed ν (t) = dx (t) / dt of the Coriolis detection element. The sensor system 1 According to the first embodiment thus generates a dependent on the speed of the Coriolis detection element continuous sensor signal 10 ,

Alternativ wäre ebenfalls denkbar, dass die Fest- und Gegenelektrode des Coriolis-Sensors 2’ nicht als gegenüberliegende Plattenkondensatorstrukturen ausgebildet sind, sondern stattdessen als entlang der Auslenkungsbewegung ineinandergreifende Kammelektrodenstrukturen. In diesem Fall würde sich lediglich die Berechnung der zeitabhängigen elektrischen Kapazität C(t) ändern zu: C(t) = ε₀·ε_r· b / d·(x₀ – x(t)) wobei x₀ nun die Überlappung der Gegen- und Festelektroden im Ruhezustand des Coriolis-Detektionselements, x die Änderung der Überlappung bei einer Auslenkung des Coriolis-Detektionselements gegenüber der Ruhelage infolge einer Coriolis-Kraft, b die jeweilige Breite der Gegen- und Festelektroden und d der Abstand zwischen den jeweiligen Gegen- und Festelektroden sind. Alternatively, it would also be conceivable that the fixed and counter electrode of the Coriolis sensor 2 ' are not formed as opposed plate capacitor structures, but instead as along the deflection movement intermeshing comb electrode structures. In this case, only the calculation of the time-dependent electrical capacitance C (t) would change to: C (t) = ε ₀ · ε _r · b / d · (x ₀ -x (t)) where x ₀ now the overlap of the counter and fixed electrodes in the idle state of the Coriolis detection element, x the change of the overlap in a deflection of the Coriolis detection element relative to the rest position due to a Coriolis force, b the respective width of the counter and fixed electrodes and d are the distance between the respective counter and fixed electrodes.

Alternativ ist denkbar, dass das in 1 gezeigte Sensorsystem 1 einen Beschleunigungssensor als Sensor 2 aufweist. Die seismische Masse ist dann nicht als Coriolis-Detektionselement ausgeführt, sondern wird beispielsweise infolge von Trägheitskräften aus seiner Ruhelage gegenüber dem Substrat ausgelenkt. Die Auslenkungsgeschwindigkeit wird dann in analoger Weise mittels des anhand von 1 erläuterten erfindungsgemäßen Auswerteverfahren ausgewertet. Alternatively, it is conceivable that in 1 shown sensor system 1 an acceleration sensor as a sensor 2 having. The seismic mass is then not designed as a Coriolis detection element, but is deflected for example due to inertial forces from its rest position relative to the substrate. The deflection speed is then determined in an analogous manner by means of 1 evaluated evaluated evaluation method according to the invention.

In 2 ist eine schematische Ansicht eines Sensorsystems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der anhand von 1 erläuterten ersten Ausführungsform gleicht, wobei bei der zweiten Ausführungsform das Widerstandselement 8 im Unterschied zur ersten Ausführungsform keinen ohmschen Widerstand 11, sondern stattdessen einen Kondensator 12 aufweist. Ferner ist das Widerstandselement 8 mit einem Schalter 14 zeitweise überbrückbar. Der Kondensator 12 weist eine elektrische Kapazität C₀ auf. Der Schalter 14 wird von einem periodischen Taktsignal 15 periodisch zwischen einem geschlossenen Zustand, in welchem der Kondensator 12 überbrückt ist, und einem geöffneten Zustand, in welchem der Kondensator 12 nicht überbrückt ist, geschaltet. In 2 is a schematic view of a sensor system 1 according to a second embodiment of the present invention, wherein the second embodiment is substantially based on 1 explained in the first embodiment, wherein in the second embodiment, the resistance element 8th in contrast to the first embodiment no ohmic resistance 11 but instead a capacitor 12 having. Furthermore, the resistance element 8th with a switch 14 temporarily bridgeable. The capacitor 12 has an electrical capacitance C ₀ . The desk 14 is from a periodic clock signal 15 periodically between a closed state in which the capacitor 12 is bridged, and an open state in which the capacitor 12 not bridged, switched.

Zunächst sei der Schalter 14 geschlossen, zum Zeitpunkt t = n·T_a wird der Schalter 14 geöffnet, wobei n die Nummer eines Abtastzeitpunkts und T_a die Periodendauer eines Taktsignals ist. Zu Zeitpunkten t = n·T_a gilt dann für die Ausgangsspannung U_a: U_a(n·T_a) = U₀ First, be the switch 14 closed, at the time t = n · T _a becomes the switch 14 opened, where n is the number of a sampling time and T _{a is} the period of a clock signal. At times t = n · T _a then applies to the output voltage U _a : U _a (n · T _a ) = U ₀

Nach einer halben Taktperiode schließt der Schalter 14 für eine weitere halbe Taktperiode. Kurz vor dem Schließen wird als diskretes Sensorsignal 10 die Ausgangsspannung U_a gemessen. Denkbar ist auch, dass die Ausgangsspannung U_a nach dem Messen in einem Sample/Hold-Glied für eine weitere Verarbeitung gespeichert wird. After half a clock period, the switch closes 14 for another half clock period. Just before closing is called a discrete sensor signal 10 the output voltage U _a measured. It is also conceivable that the output voltage U _a after measuring in a sample / hold member is stored for further processing.

Wenn sich während der Zeitspanne von t = n·T_a bis t = (n + ½)·T_a die elektrische Kapazität C(t) des Coriolis-Sensors 2’ aufgrund einer Einwirkung von Coriolis-Kräften verändert hat, muss der Verstärker 3 über den Kondensator 12 eine Ladung Q auf den durch den Coriolis-Sensor 2’ gebildeten Sensorkondensator um den Wert ∆Q verändern, um am Eingang 4 eine zur am weiteren Eingang 5 anliegenden Referenzspannung U₀ vergleichbare Spannung U₀‘ einzustellen. Für die vom Verstärker 2’ hervorzurufende Ladungsänderung ∆Q gilt: ∆Q = U₀·(C((n + 1 / 2)·T_a) – C(n·T_a)) When, during the period from t = n * T _a to t = (n + ½) * T _a, the electrical capacitance C (t) of the Coriolis sensor 2 ' has changed due to an action of Coriolis forces, the amplifier must 3 over the capacitor 12 a charge Q on the through the Coriolis sensor 2 ' formed sensor capacitor by the value ΔQ to the input 4 one to the further entrance 5 applied reference voltage U ₀ U ₀ comparable voltage set '. For those of the amplifier 2 ' charge change ΔQ to be caused: ΔQ = U ₀ * (C ((n + 1/2) * T _a ) -C (n * T _a ))

Dieselbe Ladung ∆Q ist auch auf dem Kondensator 12 zu finden. Für die Ausgangsspannung U_a gilt kurz vor dem Schließen des Schalters 14 deshalb:

The same charge ΔQ is also on the capacitor 12 to find. For the output voltage U _a applies shortly before the closing of the switch 14 therefore:

Dieser Ausdruck lässt sich näherungsweise wie folgt ausdrücken:

This expression can be approximately expressed as follows:

Damit liefert das Sensorsystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform analoge, zeitdiskrete Abtastwerte als Sensorsignal 10, die (bis auf den Offset U₀) der zeitlichen Änderung der Sensorkapazität C(t) und damit der Geschwindigkeit des Coriolis-Detektionselements v(t) proportional sind. This is what the sensor system delivers 1 According to the second embodiment, analog, time-discrete samples as a sensor signal 10 , which are proportional (except for the offset U ₀ ) of the change in the sensor capacitance C (t) and thus the speed of the Coriolis detection element v (t).

Alternativ ist denkbar, dass anstelle des Coriolis-Sensors 2’ beispielsweise ein Beschleunigungssensor zur Rucksensorik Verwendung findet. Alternatively, it is conceivable that instead of the Coriolis sensor 2 ' For example, an acceleration sensor for Rucksensorik is used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10108196 A1 [0002]
DE 102005034703 A1 [0003]

Claims

Sensor system ( 1 ) for generating a displacement signal dependent on a displacement ( 10 ), wherein the sensor system ( 1 ) a sensor ( 2 ) with a seismic mass, the seismic mass being deflected relative to a substrate of the sensor ( 2 ) is deflectable and wherein the sensor ( 2 ) has a detection means for generating a time-dependent capacitance change as a function of the deflection, characterized in that the sensor system ( 1 ) an amplifier ( 3 ) for generating the sensor signal ( 10 ), wherein an input ( 4 ) of the amplifier ( 3 ) is connected to the detection means and wherein an output ( 7 ) of the amplifier ( 3 ) via a resistance element ( 8th ) on the entrance ( 4 ) is counter-coupled.

Sensor system ( 1 ) according to claim 1, wherein the amplifier ( 3 ) comprises an operational amplifier, the input ( 4 ) comprises an inverting input of the operational amplifier and wherein the amplifier ( 3 ) another input ( 5 ) in the form of a non-inverting input of the operational amplifier, the further input ( 5 ) which is connected to a reference voltage source ( 9 ) connected is.

Sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the resistance element ( 8th ) an ohmic resistance ( 11 ).

Sensor system ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, wherein the resistance element ( 8th ) a capacitor ( 12 ), wherein the capacitor ( 12 ) a switch ( 14 ) is connected in parallel and wherein the switch ( 14 ) is particularly preferably connected to a clock.

Sensor system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the sensor ( 2 ) a Coriolis sensor ( 2 ' ) and wherein the seismic mass comprises a Coriolis detection element which is deflectable by a Coriolis force to a Coriolis deflection.

Evaluation method for generating a displacement signal dependent on a sensor ( 10 ), in particular with a sensor system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein by means of a detection means a deflection movement of a seismic mass is converted into a time-dependent capacitance signal, characterized in that by means of an amplifier ( 3 ) a voltage signal as a sensor signal ( 10 ) is generated in response to a change in the capacitance signal, wherein the voltage signal via a resistance element ( 8th ) is fed back to the capacitance signal.

Evaluation method according to claim 6, wherein an inverting input ( 4 ) of an amplifier designed as an operational amplifier ( 3 ) with the capacitance signal and a non-inverting further input ( 5 ) of the operational amplifier are supplied with a reference voltage.

Evaluation method according to one of claims 6 or 7, wherein the voltage signal via an ohmic resistance ( 11 ) is fed back to the capacitance signal.

Evaluation method according to one of Claims 6 or 7, the voltage signal being transmitted via a capacitor ( 12 ) is fed back to the capacitance signal, wherein the capacitor ( 12 ) by means of an intermittently switched between an open and a closed state switch ( 14 ) is intermittently bridged and wherein the sensor signal ( 10 ) always in one clock of a clock signal ( 15 ) is sampled, in which the switch ( 14 ), wherein the sampling rate of the sensor signal ( 10 ) is preferably a multiple of a resonant frequency of the seismic mass.

Evaluation method according to one of claims 6 to 9, wherein a trained as a Coriolis element seismic mass is deflected due to a Coriolis force to the deflection movement.