DE102013222316A1

DE102013222316A1 - Sensorsystem mit Selbstkalibrierung

Info

Publication number: DE102013222316A1
Application number: DE201310222316
Authority: DE
Inventors: Christian Peters; Alexander Buhmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: DE102013222316B4

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem (10) mit einem mikromechanischen Sensor (100) und einer Verarbeitungseinheit (200), welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal (150) des mikromechanischen Sensors (100) in ein kalibriertes Sensorsignal (250) zu wandeln. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Sensorsystem (10) einen Temperatursensor (300), sowie einen Speicher (400) für Temperaturwerte (350) und diesen zugeordnete Kalibrierungsdaten (450) aufweist, und dass die Verarbeitungseinheit (200) dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand einen Temperaturwert (350) des Temperatursensor (300) abzurufen, diesem Temperaturwert (350) zugeordnete Kalibrierungsdaten (450) aus dem Speicher (400) abzurufen und mit den Kalibrierungsdaten (450) das Rohsignal (150) in das kalibrierte Sensorsignal (250) zu wandeln. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems (10).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem mit einem mikromechanischen Sensor und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal des mikromechanischen Sensors in ein kalibriertes Sensorsignal zu wandeln.
Ein derartiges Sensorsystem ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 029 216 A1 bekannt
Mikromechanische Sensoren, wie z.B. Beschleunigungs-, Drehraten- oder Drucksensoren, finden mittlerweile einen breiten Einsatz. Durch die große Prozessstreuung bei der Herstellung, müssen die Sensoren auf ihr jeweiliges Einsatzgebiet erstmals abgeglichen werden. Dies wird üblicherweise am Ende des Herstellungsprozesses durch einen Abgleich mit verschiedenen Referenzwerten, also im Fall eines Beschleunigungssensors mit verschiedenen Referenzbeschleunigungen, gemacht. Hierfür wird der Sensor mechanisch in seiner sensitiven Raumachse ausgelenkt und abgeglichen, d.h. kalibriert. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung des Gravitationsvektors als Referenz für den Abgleich während des Betriebes. Dabei wird durch die Verwendung von unterschiedlichen Filtern die Beobachtbarkeit und Erkennung von Störbeschleunigung sichergestellt. Damit ist es auch möglich den Einfluss der Umgebung, z.B. Temperatur, weitgehend zu eliminieren. Die zur Berechnung verfügbare Rechenleistung steigt stetig an, so dass auch komplexe Algorithmen ausgeführt werden können. Nachteilig ist jedoch, dass sich diese Berechnungen zwar durchführen lassen, aber mit einem hohen Energieverbrauch verbunden sind. Bei mobilen Endgeräten ist dies jedoch nachteilig. Wenn das Rechenwerk sich nicht in einem Ruhemodus (Standby) befinden kann, sondern für den Abgleich eines Sensors geweckt werden muss, wirkt sich das negativ auf die Laufzeit des mobilen Endgeräts, wie z.B. einem Mobiltelefon, Smartphone oder Tablet-Computer aus.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein besonders energiesparendes Sensorsystem zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem mit einem mikromechanischen Sensor und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal des mikromechanischen Sensors in ein kalibriertes Sensorsignal zu wandeln. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das Sensorsystem einen Temperatursensor, sowie einen Speicher für Temperaturwerte und diesen zugeordnete Kalibrierungsdaten aufweist, und dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand einen Temperaturwert des Temperatursensor abzurufen, diesem Temperaturwert zugeordnete Kalibrierungsdaten aus dem Speicher abzurufen und mit den Kalibrierungsdaten das Rohsignal in das kalibrierte Sensorsignal zu wandeln. Vorteilhaft kann durch das Abrufen von bereits vorhandenen Kalibrierungsdaten Rechenleistung für eine aufwendige erneute Erstellung dieser Daten gespart werden. Dies ist möglich, weil das Verhalten mikromechanischer Sensoren in erster Linie von deren Temperatur beeinflusst wird. Besonders vorteilhaft wird durch das erfindungsgemäße Abrufen von bereits vorhandenen Kalibrierungsdaten die Betriebsdauer von batteriebetriebenen mobilen Endgeräten verlängert, weil deren Energiebedarf, der stark von der abgerufenen Rechenleistung abhängt, hierdurch gesenkt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die im ersten Betriebszustand erzeugten Kalibrierungsdaten und den Temperaturwert für diesen ersten Betriebszustand als Temperaturwert und zugeordnete Kalibrierungsdaten im Speicher abzulegen. Vorteilhaft kann hierdurch im Betrieb des Sensorsystems eine Nachschlagetabelle mit Temperaturwerten und zugeordneten Kalibrierungsdaten geschaffen, ergänzt und auch erneuert werden. Vorteilhaft kann insbesondere auf Anforderung oder in wählbaren Zeitabständen die Nachschlagetabelle erneuert werden um beispielsweise Alterungseffekte des Sensors durch eine regelmäßige Neukalibration auszugleichen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Temperaturwert und den Kalibrierungsdaten ein Zeitstempel zugeordnet ist, welcher ebenfalls aus dem Speicher abrufbar ist. Vorteilhaft kann dieser Zeitstempel ein Erstellungsdatum oder ein Ablaufdatum der Kalibrierungsdaten beinhalten. Besonders vorteilhaft kann anhand dieses Datums bestimmt werden, ob oder wann eine erneute Kalibrierung im ersten Betriebszustand durchgeführt werden sollte, um diese für die weitere Verwendung als Nachschlagetabelle im Speicher abzulegen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems. mit einem mikromechanischen Sensor und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal des mikromechanischen Sensors in ein kalibriertes Sensorsignal zu wandeln. Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß die Schritte in einem in einem zweiten Betriebszustand (A) einen Temperaturwert von einem Temperatursensor abzurufen, (B) diesem Temperaturwert zugeordnete Kalibrierungsdaten aus einem Speicher abzurufen und (C) mit den Kalibrierungsdaten das Rohsignal in das kalibrierte Sensorsignal zu wandeln.
Der wesentliche Vorteil dieser Erfindung ist die Einsparung von Energie, da der Algorithmus zur Selbstkalibrierung nicht jedes Mal berechnet werden muss, sondern auf schon ermittelte Ergebnisse zurückgegriffen werden kann. Ebenso kann die Genauigkeit nachfolgender Berechnungen verbessert werden, da die Ergebnisse, die bei anderen Temperaturen ermittelt wurden, einfließen können.
Insgesamt führt dies gerade bei drahtlosen Geräten im Konsumgütermarkt zu einer Verbesserung der Laufzeit ohne dass der Vorteil einer Kalibrierung des Sensorsystems im laufenden Betrieb, einer Selbstkalibrierung, verloren geht. Für den Hersteller des mikromechanischen Sensors oder des Sensorsystems besteht der Vorteil in reduzierten Testkosten und Kalibrierungskosten. Für den Anwender steht vorteilhaft ein genauer, weil bei Bedarf selbstkalibrierender Sensor zur Verfügung, ohne verkürzte Batterielaufzeit des Geräts.
Zeichnung
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorsystem.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Selbstkalibrierung.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Sensorsystem. Dargestellt ist ein Sensorsystem 10 mit einem mikromechanischen Sensor 100 und einer Verarbeitungseinheit 200. Der mikromechanische Sensor 100 ist symbolisch als kapazitiver Beschleunigungssensor dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch auf anders ausgestaltete mikromechanische Sensoren anwendbar. Die Verarbeitungseinheit 200 ist dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal 150 des mikromechanischen Sensors 100 in ein kalibriertes Sensorsignal 250 zu wandeln. Außerdem weist das Sensorsystem 10 einen Temperatursensor 300, sowie einen Speicher 400 für Temperaturwerte 350 und diesen zugeordnete Kalibrierungsdaten 450 auf, wodurch eine Nachschlagetabelle geschaffen ist. Die Verarbeitungseinheit 200 ist dazu eingerichtet, in einem zweiten Betriebszustand einen Temperaturwert 350 des Temperatursensor 300 abzurufen, diesem Temperaturwert 350 zugeordnete Kalibrierungsdaten 450 aus dem Speicher 400 abzurufen und mit den Kalibrierungsdaten 450 das Rohsignal 150 in das kalibrierte Sensorsignal 250 zu wandeln. Mit dieser Erfindung ist es möglich, die benötigte Anzahl von Selbstkalibrierungsschritten zu reduzieren und somit den Energieverbrauch des Sensorsystems zu reduzieren. Dies ist möglich, weil die Zeit des Sensors im ersten Betriebszustand, in dem zum Erzeugen von Kalibrierungsdaten hohe Rechenleistungen erforderlich sind, reduziert wird. Stattdessen können im zweiten Betriebszustand die vorhandenen Kalibrierungsdaten 450 abgerufen werden, was erheblich weniger Energie erfordert.
Für eine zuverlässige Funktion der Erfindung sollte der Temperatursensor 300 eine Temperatur messen, die für den mikromechanischen Sensor repräsentativ ist. Dies Muss jedoch nicht die Temperatur des mikromechanischen Sensors selbst mit absoluter Genauigkeit sein. In einem Ausführungsbeispiel, das hier nicht bildlich dargestellt ist, ist der Temperatursensor in den mikromechanischen Sensor integriert. Dies kann insbesondere derart realisiert sein, dass der mikromechanische Sensor und der Temperatursensor auf oder in demselben Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise einem Siliziumsubstrat, angeordnet sind. In einem anderen Ausführungsbeispiel, das hier ebenfalls nicht bildlich dargestellt ist, ist das Sensorsystem Teil eines mobilen Endgeräts, wie beispielsweise eines Mobiltelefons oder Smartphones, welches ebenfalls einen oder mehrere der Temperatursensoren beinhaltet, auf welche die Verarbeitungseinheit zugreifen kann und die somit den Temperatursensor 300 im Sinne dieser Erfindung bilden.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Selbstkalibrierung. Dargestellt ist ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems. mit einem mikromechanischen Sensor und einer Verarbeitungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal des mikromechanischen Sensors in ein kalibriertes Sensorsignal zu wandeln. Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß die Schritte, in einem zweiten Betriebszustand, (A) einen Temperaturwert 350 von einem Temperatursensor 300 abzurufen, (B) diesem Temperaturwert 350 zugeordnete Kalibrierungsdaten 450 aus einem Speicher abzurufen und (C) mit den Kalibrierungsdaten 450 das Rohsignal 150 in das kalibrierte Sensorsignal 250 zu wandeln.
Werden zum Beispiel bei einer Temperatur von 25°C die Sensordaten durch den Algorithmus ermittelt, so werden die Ergebnisse in Form von Kalibrierungsdaten 450 in einer Nachschlagetabelle im Speicher 400 abgelegt. Dort werden die Temperatur 350, die Kalibrierungsdaten 450 sowie der Zeitpunkt der Messung und/oder die Gültigkeitsdauer hinterlegt. Befindet sich der Sensor zu einem späteren Zeitpunkt wieder bei dieser oder einer sehr ähnlichen Temperatur (z.B. +–2°C) muss der Kalibrierungsalgorithmus nicht erneut berechnet werden, sondern es kann auf die Nachschlagetabelle im Speicher 400 zurückgegriffen werden. Dies erfolgt wesentlich schneller und ist mit deutlich weniger Rechenaufwand verbunden und damit auch energieeffizienter.
Um Alterungseffekte kompensieren zu können, wird durch Hinterlegung des letzten Messzeitpunktes bzw. der Gültigkeitsdauer sichergestellt, dass die Berechnung z.B. nach 3 Monaten erneut durchgeführt wird. Wird dabei eine große Abweichung festgestellt, so können auch andere berechnete Messwerte ihre Gültigkeit vorzeitig verlieren. Dies dient also auch zur Fehlererkennung im Sensorsystem und somit zur Fehlervermeidung. Ebenso kann durch andere Ereignisse wie beispielsweise durch eine Eingabe des Benutzers oder durch eine Plausibilitätsprüfung eine Selbstkalibrierung angestoßen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009029216 A1 [0002]

Claims

Sensorsystem (10) mit einem mikromechanischen Sensor (100) und einer Verarbeitungseinheit (200), welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal (150) des mikromechanischen Sensors (100) in ein kalibriertes Sensorsignal (250) zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (10) einen Temperatursensor (300), sowie einen Speicher (400) für Temperaturwerte (350) und diesen zugeordnete Kalibrierungsdaten (450) aufweist, und dass die Verarbeitungseinheit (200) dazu eingerichtet ist, in einem zweiten Betriebszustand einen Temperaturwert (350) des Temperatursensor (300) abzurufen, diesem Temperaturwert (350) zugeordnete Kalibrierungsdaten (450) aus dem Speicher (400) abzurufen und mit den Kalibrierungsdaten (450) das Rohsignal (150) in das kalibrierte Sensorsignal (250) zu wandeln.
Sensorsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die im ersten Betriebszustand erzeugten Kalibrierungsdaten und den Temperaturwert für diesen ersten Betriebszustand als Temperaturwert (350) und zugeordnete Kalibrierungsdaten (450) im Speicher (400) abzulegen.
Sensorsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Temperaturwert (350) und den Kalibrierungsdaten (450) ein Zeitstempel zugeordnet ist, welcher ebenfalls aus dem Speicher (400) abrufbar ist.
Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Sensorsystems (10) mit einem mikromechanischen Sensor (100) und einer Verarbeitungseinheit (200), welche dazu eingerichtet ist, in einem ersten Betriebszustand Kalibrierungsdaten zu erzeugen und mit diesen Kalibrierungsdaten ein Rohsignal (150) des mikromechanischen Sensors (100) in ein kalibriertes Sensorsignal (250) zu wandeln, gekennzeichnet durch die Schritte: in einem zweiten Betriebszustand – (A) Abrufen eines Temperaturwerts (350) von einem Temperatursensor (300) – (B) Abrufen von diesem Temperaturwert (350) zugeordneten Kalibrierungsdaten (450) aus einem Speicher (400) – (C) Wandeln des Rohsignals (150) in das kalibrierte Sensorsignal (250) mit den Kalibrierungsdaten (450).