DE102014208505B4

DE102014208505B4 - Verfahren zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Sensors zur Lageerfassung

Info

Publication number: DE102014208505B4
Application number: DE102014208505.5A
Authority: DE
Inventors: Mohamad lyad Al Dibs; Dominik Messner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: CN106461415B; WO2015169473A1; CN106461415A; DE102014208505A1; EP3140618A1

Abstract

Verfahren zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals (ym; ym1) eines Sensors zur Lageerfassung (13) eines bewegten Elements (11) eines Mikrosystems (10), wobei das Mikrosystem (10) einen Regler (15) zur Regelung einer Bewegung des bewegten Elements (11) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Erfassen eines Referenz-Offsets (2) und/oder einer Referenz-Amplitude (3) eins Reglersignals (u) bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung (13);
- Erfassen eines gemessenen Offsets (2a) und/oder einer gemessenen Amplitude (3a) des Reglersignals (u) bei einer veränderten Temperatur;
- Bestimmen einer thermischen Abweichung (8) zwischen Referenz-Offset (2) und gemessenem Offset (2a) und/oder zwischen Referenz-Amplitude (3) und gemessener Amplitude (3a); und
- Ändern des Signals (ym; ym1) des Sensors zur Lageerfassung (13) zur Kompensation der thermischen Abweichung (8) des Signals (ym; ym1) basierend auf der bestimmten thermischen Abweichung (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals eines Sensors zur Lageerfassung eines Mikrosystems.
Stand der Technik
Bei bewegten Mikro-Strukturen wie zum Beispiel in mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) werden häufig Sensoren zur Lageerfassung, sogenannte Lage- oder Positionssensoren, verwendet. Diese Sensoren zur Lageerfassung besitzen eine physikalisch kaum vermeidbare Temperaturabhängigkeit, die durch einen thermischen Offset und eine thermische Sensitivität bestimmt ist. Die Einflüsse dieser thermischen Effekte auf das Sensorsignal V_sig können durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 beschrieben werden. $\begin{array}{l} V_{sig} = V_{sig,To} + TCO1 {(T_{Sensor} - T_{0})}^{1} + TCO2 {(T_{Sensor} - T_{0})}^{2} + \dots + TCOn (T_{Sensor} - \\ {T_{0})}^{n} \end{array}$
Mit TCO in mVolt/Kelvin, T in °C, V_sig in V $V_{sig} = V_{sig,To} (1 + TCS1 {(T - T_{0})}^{1} + TCS2 {(T - T_{0})}^{2} + \dots + TCSn {(T - T_{0})}^{n})$
Mit TCS in 1/K, T in °C, V_sig in V
Das MEMS Sensorelement kann z. B. auf einem kapazitiven oder piezoresistiven Effekt basieren. Die bewegte Struktur des MEMS, dessen Position das Sensorelement bestimmen soll, kann nach dem „open-loop“ Prinzip oder dem „closed-loop“ Prinzip betrieben werden. Bei dem „closed-loop“ Betrieb wird die Regelgröße dem Regler zurückgeführt. Die Messung dieser Regelgröße, in diesem Fall die Position der bewegten Struktur, wird durch ein Sensorelement ermittelt.
Die Größe TCO (thermal coefficient offset) beschreibt die Größe der absoluten Änderung des Offsets des Sensor Spannungs-Signals in Abhängigkeit der Änderung der Temperatur. Die Einheit ist daher mV/K. Der Gesamt-TCO hat theoretisch in der kompletten Potenzreihe Anteile (linear, quadratisch, kubisch usw.). Für die meisten Anwendungen reicht jedoch die Verwendung von wenigen dominierenden Anteilen (z. B. nur linear und quadratisch) aus.
Die Größe TCS (thermal coefficient sensitivity) beschreibt die Größe der relativen Änderung der Sensitivität des Sensor Spannungs-Signals in Abhängigkeit der Änderung der Temperatur. Die Einheit ist daher 1/K. Der Gesamt-TCS hat theoretisch in der kompletten Potenzreihe Anteile (linear, quadratisch, kubisch usw.). Für die meisten Anwendungen reicht jedoch ebenfalls die Verwendung von wenigen dominierenden Anteilen (z. B. nur linear und quadratisch) aus.
DE 8804598 U1 beschreibt ein Verfahren der Kompensation des thermischen Offsets und des thermischen Sensitivitätsfehlers. Um diese Temperatureffekte des Sensor-Signals im Betrieb zu korrigieren, werden die Temperaturkoeffizienten des Sensorelements üblicherweise im Voraus ermittelt. Im Betrieb wird dann die Temperatur des Sensorelements durch einen zusätzlichen Temperatursensor ermittelt und so die unerwünschte Veränderung des Signals auf Basis der physikalischen Gleichungen 1 und 2 korrigiert
Die Variation der Temperaturkennwerte oder -koeffizienten TCO, TCS ist für viele Anwendungen in der Regel zu groß, um mit Nominalwerten, die nicht für jedes Sensorelement separat ermittelt werden, bei der Kompensation zu arbeiten. Daher müssen die Temperaturkoeffizienten pro Sensorelement individuell durch aufwendige und äußerst kostenintensive thermische Kalibrierung, üblicherweise durch Aufheizen des Sensorelements auf verschiedene Temperaturen in einer Heizkammer, ermittelt und für die Korrektur dauerhaft zum Beispiel auf einem Auswerte-Chip gespeichert werden. Vor allem die Offset-Koeffizienten weisen oft eine hohe Varianz auf. Die Varianz der Sensitivitätskoeffizienten ist dagegen häufig geringer mit typischen Werten von unter 5%.
Ein Steuerkreis eines Vibrationskreisels ist in der JP H07 3329 89 A beschrieben. Zur Temperaturkompensation werden Sensorsignale von piezoelektrischen Bauteilen des Vibrationskreisels verwendet.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals eines Sensors zur Lageerfassung eines bewegten Elements eines Mikrosystems, wobei das Mikrosystem einen Regler zur Regelung einer Bewegung des bewegten Elements aufweist, umfasst grundsätzlich folgende Schritte:

- Erfassen eines Referenz-Offsets und/oder einer Referenz-Amplitude eines Reglersignals bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung;
- Erfassen eines gemessenen Offsets und/oder einer gemessenen Amplitude des Reglersignals bei einer veränderten Temperatur;
- Bestimmen einer thermischen Abweichung zwischen Referenz-Offset und gemessenem Offset und/oder zwischen Referenz-Amplitude und gemessener Amplitude; und
- Ändern des Signals des Sensors zur Lageerfassung zur Kompensation der thermischen Abweichung des Signals basierend auf der bestimmten thermischen Abweichung.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Notwendigkeit einer kostenintensiven, für jedes Sensorelement individuell durchzuführenden Thermokalibrierung bei der Produktion für Sensoren, die eine Bewegung detektieren, wie zum Beispiel eine periodische Bewegung eines Mikrospiegels oder eines Masseschwingers, entfällt.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist die Detektionsmethode des thermischen Offsets und der thermischen Sensitivität durch Messung der Kenngrößen Offset und Amplitude des Reglerausgangs bei Produktionstemperatur und die Verwendung dieser Größen zur Bestimmung der Richtung und/oder der Größe einer thermischen Abweichung, definiert durch den Offset und den Sensitivitätsfehler des Lagesensors. Die Kompensation kann zum Beispiel durch Herausrechnen der thermischen Abweichung aus dem Sensorsignal erfolgen. Dies kann über eine Differenz- oder Summenbildung oder über proportionale und/oder lineare Signalanpassungen realisiert sein.
Der Vorteil der Erfindung ist zum einen das Ausregeln von Offset und Sensitivitätsfehler ohne jegliche Kenntnis der Sensor-Temperatur oder der Sensor-Temperaturkoeffizienten und damit der Wegfall der Thermokalibrierung und der Temperaturerfassung.
Auch ist es möglich, dass der gemessene Offset und/oder die gemessene Amplitude indirekt aus einem Signal einer dem Regler nachgeordneten Einheit erfasst wird. Statt dem Regler-Ausgangs-Signal können auch dazu in Beziehung stehende Signale, wie zum Beispiel Signale einer Treiber-Einheit des bewegten Mikrosystems, verwendet werden. Die Veränderung des Treibersignals, wie eine erhöhte Stromaufnahme bei steigender Temperatur, kann auch im Open-Loop Betrieb ausgewertet und das beschriebene Verfahren angewendet werden. Als weiteres alternatives Signal kann auch die Kapazität eines piezo-kapazitiven Sensors zur Lageerfassung verwendet werden. Diese Varianten zeigen die Flexibilität des Verfahrens durch verschiedene Messpunkte und/oder Messgrößen.
Der Referenz-Offset und/oder die Referenz-Amplitude können bei einer Produktionstemperatur des Sensors zur Lageerfassung erfasst werden. Während der Produktion des Sensors, zum Beispiel während eines Funktionstests, kann die Temperaturmessung, die nur einmal durchgeführt werden muss, einfach und zuverlässig realisiert werden.
Vorteilhafterweise können der gemessenen Offset und/oder die gemessene Amplitude bei einer veränderten Betriebstemperatur des Mikrosystems erfasst werden. Die Messung der veränderten Betriebstemperatur des Mikrosystems oder des Sensors erfolgt während des Betriebs, das heißt während der ausgeführten Bewegungen, sodass keine zusätzlichen Erfassungen notwendig sind.
Vorzugsweise wird eine Richtung der thermischen Abweichung bestimmt. Die Größe kann, muss aber nicht bestimmt werden. Die einfache Bestimmung der Richtung, zum Beispiel durch Erkennen eines Vorzeichenwechsels, ist ausreichend, um mit dieser Information, beispielsweise mit einem PID-Regler, die thermische Abweichung zu kompensieren.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein thermischer Offset-Koeffizient und/oder ein thermischer Sensitivitätskoeffizient für einen oder mehrere baugleiche Sensoren zur Lageerfassung bestimmt werden, und wobei die Temperatur des Sensors zur Lageerfassung basierend auf dem thermischen Offset-Koeffizienten und der thermischen Abweichung zwischen Referenz-Offset und gemessenem Offset und/oder auf dem thermischen Sensitivitätskoeffizienten und der thermischen Abweichung zwischen Referenz-Amplitude und gemessener Amplitude ermittelt wird. Ein Vorteil bei der Temperaturermittlung des Sensorelements ist die sensorlose Ermittlung ohne den Einsatz von zusätzlicher Hardware, das heißt kein Einsatz von zusätzlichem Analog-DigitalWandler, Auswerte-Schaltkreis usw. Des Weiteren besteht keine Notwendigkeit einer individuellen Thermokalibrierung der Sensoren. Stattdessen muss nur die Sensorklasse oder der Sensortyp thermisch kalibriert werden, was durch Vermessung weniger Exemplare und anschließende Mittelung der Messergebnisse geschehen kann. Zusätzlich wird die Möglichkeit geschaffen, da man die Temperatur im Betrieb kennt, bestimmte thermische Parameter beispielsweise beim erstmaligen Betrieb im System oder On-Chip zu kalibrieren, anstatt dies beim Kalibrieren im Zuge der Produktion durchführen zu müssen.
Bei der Berechnung der Temperatur mit dem Verfahren können verschiedene Ansätze, wie eine über den Offset ermittelte Temperatur, eine über die Sensitivität ermittelte Temperatur und/oder über eine weitere Temperaturerfassung im System oder auf dem Chip ermittelte Temperatur kombiniert werden, um das Temperatursignal zu plausibilisieren oder die Genauigkeit oder Auflösung zu erhöhen.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das Mikrosystem ein mikro-elektromagnetisches und/oder mikro-elektrostatisches System ist. Derartige Systeme sind zum Beispiel Mikrospiegel-Anwendungen, wie sie zur Bewegung von Mikrospiegeln zur Projektion eines Bildes genutzt werden, Masseschwinger bei Gyrometern und/oder Beschleunigungssensoren, Drucksensoren für periodische Bewegungen und zum Beispiel Drucksensoren im Powertrain Bereich wie z. B. bei Einspritzsystemen.
Zusätzlich ist auch denkbar, eine sich vorzugsweise periodisch bewegende Struktur gezielt ohne Primärnutzen der Bewegung im Sensorelement anzubringen, um diese für eine thermische Kompensation bzw. zur Temperaturermittlung des Sensors zu verwenden. So kann eine aufwendige thermische Kalibrierung gänzlich vermieden oder später im laufenden System oder On-Chip durchgeführt werden. Dies erlaubt eine Kostenersparnis.
Das erfindungsgemäße Mikrosystem zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals eines Sensors zur Lageerfassung eines bewegten Mikroelements, aufweisend einen Regler zur Regelung einer Bewegung des Mikroelements, sieht vor, dass eine Detektionseinheit zur Erfassung eines Referenz-Offsets und/oder einer Referenz-Amplitude des Signals bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung und zur Erfassung eines gemessenen Offsets und/oder einer gemessenen Amplitude eines Reglersignals bei einer veränderten Temperatur und ferner zur Bestimmung einer thermischen Abweichung (8) umfassend einen thermischen Offset zwischen Referenz-Offset (2) und gemessenem Offset (2a) und/oder eines thermischen Sensitivitätsfehlers zwischen Referenz-Amplitude (3) und gemessener Amplitude (3a) vorgesehen ist, dass eine Abweichungsregelung zur Erzeugung einer Regelgröße (wo) aus dem thermischen Offset, einer abgeleiteten Führungsgröße (ws) aus einer Führungsgröße (w) und dem thermischen Sensitivitätsfehler, oder eines Steuersignals oder Regelsignals (wy) aus der thermischen Abweichung (8) vorgesehen ist und dass ein Schaltungselement zur Kompensation der thermischen Abweichung des Signals des Sensors zur Lageerfassung vorgesehen ist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit ein Ausgangssignal des Reglers erfasst und mit mindestens einer Abweichungsregelung verbunden ist und wobei die mindestens eine Abweichungsregelung mit einem Rückkopplungsknoten des Mikrosystems verbunden ist. Dies erlaubt eine getrennte Verarbeitung von Offset und -Amplitude des Signals.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit ein Ausgangssignal des Reglers erfasst und mit einer Abweichungsregelung verbunden ist und wobei die Abweichungsregelung mit einer Abweichungsanpassungseinheit verbunden ist. So kann beispielsweise das Sensorsignal direkt durch die Abweichungsanpassungseinheit korrigiert werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 das Prinzip einer Erfassung eines Referenz-Offsets und einer Referenz-Amplitude,
2 eine grafische Darstellung einer Offset-Verschiebung eines Reglersignals aufgrund einer Temperaturänderung,
3 eine bildliche Darstellung einer Amplitudenabweichung des Reglersignals, verursacht durch einen thermischen Sensitivitätsfehler des Sensors zur Lageerfassung,
4 ein Blockschaltbild zur Bestimmung einer thermischen Abweichung,
5 ein Blockschaltbild eines Systems zur sensorlosen Temperaturkompensation,
6 ein Blockschaltbild eines alternativen Systems zur sensorlosen Temperaturkompensation,
7 ein Blockschaltbild zur Bestimmung der Temperatur basierend auf dem thermischen Offset, und
8 ein Blockschaltbild zur Bestimmung der Temperatur basierend auf dem thermischen Sensitivitätssignal.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt beispielhaft einen Ausgang beziehungsweise ein Ausgangssignal 1 eines Reglers zur Regelung einer Bewegung eines Mikrosystems. Die Ausgangsgröße, beispielsweise eine Spannung, ist gegen die Zeit aufgetragen. Hier gibt der Regler ein periodisches Signal zum Regeln einer periodischen Bewegung aus. Vorzugsweise ist die Bewegung auch gleichbleibend, das heißt, dass sie eine gleiche Amplitude aufweist. In dem Fall einer periodischen, gleichbleibenden Bewegung können Vergleiche der Sensorsignale direkt und schnell ausgeführt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf periodische, gleichbleibende Bewegungen beschränkt, sondern kann auch mit beliebigen Bewegungen umgehen. In diesen Fällen kann es erforderlich sein, dass Anpassungen oder Rechenschritte erforderlich sind wie Skalierungen, um verschiedene Sensorsignale vergleichen zu können.
Das in 1 dargestellte Signal 1 kann entweder ein Ausgangssignal eines Reglers oder ein Signal eines Sensors zur Lageerfassung des Mikrosystems sein. Bei der Produktion des Systems oder des Sensors zur Lageerfassung besitzt das Signal 1 nach eventuellen Kalibrierungsschritten bei einer Produktionstemperatur einen Offset 2 und eine Amplitude 3. Dieser Offset 2 und diese Amplitude 3 werden als künstlicher Nullpunkt oder Referenz-Offset 2 beziehungsweise als Referenz-Amplitude 3 gespeichert.
Wenn der Sensor zur Lageerfassung als einzelnes eigenständiges Element hergestellt wird, so entspricht der in 1 dargestellte Signalverlauf 1 dem Ausgangssignal des Sensors zur Lageerfassung. Im Falle eines integrierten Systems, zum Beispiel auf einem Chip, wie in einem ASIC (anwenderspezifische integrierte Schaltung), kann der in 1 dargestellte Signalverlauf 1 ein Ausgangsignal eines Reglers des Systems sein.
Somit wird ein Referenzdatensatz bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung erfasst und gespeichert. Die einmalig erfasste Referenztemperatur kann einfacherweise eine Produktionstemperatur sein, welche zum Zeitpunkt der Produktion des Sensors zur Lageerfassung oder des Mikrosystems herrscht.
Wird nun durch eine Temperaturänderung, beispielsweise im Betrieb des vollständig hergestellten Systems, ein thermischer Offset im Sensor zur Lageerfassung erzeugt, reagiert der Regler des Systems und regelt die bewegte Struktur derartig, dass der Offset des Sensorsignals konstant gehalten wird. In 2 ist qualitativ dargestellt, wie sich der Offset des Reglersignals verhält. In 2 sind zwei Kurven dargestellt. Die Kurve beziehungsweise der Signalverlauf 1 zeigt das Referenzsignal bei der Referenztemperatur beispielsweise bei der Produktion des Sensors zur Lageerfassung. Diesem Signal ist der Referenz-Offset 2 zugeordnet. Der Signalverlauf 1a zeigt das Reglersignal bei einer veränderten Temperatur mit einem gemessenen Offset 2a.
Das Mikrosystem, insbesondere eine Regelstrecke und/oder eine Treibereinheit, ist derart gestaltet, dass dieses keinen nennenswerten Offset des Reglers bei Temperaturänderungen und/oder Änderung des Betriebszustands erzeugt. Somit ist die Änderung des Offsets des Reglersignals ein direktes Maß für den thermischen Offset des Sensors zur Lageerfassung.
3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 2, wobei diesmal jedoch eine Amplitudenabweichung im Reglersignal vorliegt, die durch einen thermischen Sensitivitätsfehler des Sensors zur Lageerfassung erzeugt wird. In 3 sind wiederum zwei Signalverläufe des Reglersignals dargestellt. Das Signal 1 bei Referenztemperatur hat eine Referenzamplitude 3, während das Reglersignal 1a bei einer veränderten Temperatur eine hier gestreckt dargestellte gemessene Amplitude 3a aufweist. Das Mikrosystem, insbesondere die Regelstrecke und/oder die Treibereinheit, ist ebenfalls derart ausgestaltet, dass dieses keine nennenswerte Amplitudenabweichung des Reglers bei Temperaturänderungen oder sonstigen Betriebszustandsänderungen erzeugt. Somit ist die Abweichung der Regleramplitude ein direktes Maß für den thermischen Sensitivitätsfehler des Lagesensors.
In 4 ist eine mögliche Realisierung zur Erfassung einer thermischen Abweichung, das heißt eines Offset-Fehlers beziehungsweise einer Offset-Abweichung und/oder eines Amplituden-Fehlers beziehungsweise einer Amplituden-Abweichung, dargestellt. Die erfassten Referenzwerte 4, genauer gesagt der Referenz-Offset 2 und/oder die Referenzamplitude 3 sowie die aus dem Signal 1 erfassten gemessenen Werte 5, wie der gemessene Offset 2a und/oder die gemessene Amplitude 3a, werden einem Subtrahierer 6 zugeführt. Der gemessene Offset des Signals 1 wird zum Beispiel durch eine Tiefpassfilterung oder eine Erfassung der maximalen und minimalen Amplitude ermittelt. Der Subtrahierer 6 subtrahiert von dem aktuellen gemessenen Offset 2a des Reglersignals 1a den gespeicherten künstlichen Nullpunktparameter beziehungsweise den Referenz-Offset 2. Das resultierende Signal kann in einer Signalverarbeitung 7 weiter verarbeitet werden. Durchgeführt werden können zum Beispiel eine Tiefpassfilterung, eine Mittelwertbildung und mögliche Kompensationen, um zum Beispiel eine eventuelle Änderung der Führungsgröße des Reglers im Betrieb zu berücksichtigen. Die Signalverarbeitung 7 gibt nun eine thermische Abweichung 8 beziehungsweise - wie hier betrachtet - einen thermischen Offset des Sensors zur Lageerfassung aus.
Die in 4 dargestellte Struktur kann entweder den thermischen Offset oder den thermischen Sensitivitätsfehler oder eine thermische Abweichung, welche beide Komponenten enthält, erfassen. Im Falle einer einzelnen Erfassung kann die in 4 dargestellte Struktur zweifach ausgebildet sein, einerseits zur Erfassung des thermischen Offsets und andererseits zur Erfassung des thermischen Sensitivitätsfehlers.
Analog zu der bereits beschriebenen Erfassung des Offsets wird mit der in 4 dargestellten Struktur oder Schaltung ein Sensitivitätsfehler erfasst oder detektiert. Das Reglersignal 1 wird erfasst und die Amplitude des Signals ermittelt, beispielsweise durch Erfassung der maximalen und minimalen Amplitude. Von der aktuellen Amplitude 5 des Reglersignals wird nun der gespeicherte künstliche Nullpunktparameter 4 in dem Subtrahierer 6 subtrahiert. Das resultierende Signal wird in der Signalverarbeitung 7 weiterverarbeitet und als thermische Abweichung beziehungsweise thermischer Sensitivitätsfehler 8 ausgegeben.
Das errechnete Signal 8 gibt direkt die Richtung der thermischen Abweichung 8 an. Im Falle des Sensitivitätsfehlers ist dies eine Stauchung oder Dehnung des Signals, und im Falle des thermischen Offsets die Richtung oder das Vorzeichen des thermischen Offsets. Der Regler kann mit dieser Information direkt gegen eine steigende Amplitudenabweichung zum künstlichen Nullpunkt beziehungsweise gegen eine steigende Abweichung zum künstlichen Nullpunkt regeln.
Beide Detektionsarten beeinflussen sich nicht. Der Offset und der Sensitivitätsfehler können parallel ermittelt werden. Eine Korrektur kann dann nach gängigen reglungstechnischen Methoden erfolgen.
In 5 ist ein Mikrosystem 10 mit einem bewegten Mikroelement 11, wie beispielsweise ein MEMS oder ein Mikrospiegel, dargestellt. Eine Treiberschaltung 12 gibt ein Stellsignal oder Steuersignal us an das bewegte Element 11 aus, um dessen Bewegung zu steuern. Die Position oder Bewegung y des bewegten Elements 11 wird von einem Sensor zur Lageerfassung 13 erfasst. Der Sensor zur Lageerfassung 13 gibt ein Signal ym an einen Subtrahierer oder Addierer 14 aus. Der Subtrahierer oder Addierer 14 bildet hier einen Rückkopplungsknoten. Der Subtrahierer 14 subtrahiert das Sensorsignal ym von einer Führungsgröße w und gibt eine Eingangsgröße e an einen Regler 15 aus. Der Regler 15 gibt ein Reglersignal u an die Treiberschaltung 12 aus, sodass ein geschlossener Regelkreis entsteht.
Das Reglersignal u wird weiterhin einer Abweichungsdetektion 16 zugeführt. Diese Detektionseinheit 16 kann beispielsweise eine oder zwei der in 4 dargestellten Strukturen aufweisen. Die Abweichungsdetektion 16 erfasst oder detektiert einen thermischen Offset und einen thermischen Sensitivitätsfehler. Der thermische Offset wird einer Abweichungsregelung 17 zugeführt, die aus dem thermischen Offset eine Regelgröße wo errechnet, welche dem Subtrahierer 14 positiv zugeführt wird. Der Sensitivitätsfehler wird von der Abweichungsdetektion 16 an eine weitere Abweichungsregelung 17 ausgegeben, welche aus diesem Wert und der Führungsgröße w eine abgeleitete Führungsgröße ws errechnet, welche positiv in den Subtrahierer 14 eingegeben wird. Die in 5 dargestellte Schaltung beziehungsweise das dort dargestellte Regelungsmodell kompensiert die thermische Abweichung des Sensors zur Lageerfassung 13 beziehungsweise dessen Ausgangssignals ym.
Der Offset und die Sensitivität des Sensorsignals ym können alternativ auch direkt am Signalausgang des Sensors zur Lageerfassung 13 ermittelt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Informationsgewinnung vor der Ausregelung erfolgen muss. Dazu wäre eine Erfassung mit einer vielfach höheren Abtastungsrate als der des Reglers notwendig, da dieser den detektierbaren Offset des Sensors 13 sonst vor der Erfassung ausregeln würde.
Generell können für die Erfassung, Bestimmung und/oder Kompensation Schwellenwerte vorgesehen, um ein zu schnelles und häufiges Ansprechen des Systems zu verhindern. Insbesondere kann eine Kompensation der thermischen Abweichung des Signals ym des Sensors zur Lageerfassung 13 nur bei Über- oder Unterschreiten eines bestimmten, auch anpassbaren Schwellenwerts erfolgen.
In 6 ist ein weiteres Beispiel eines Mikrosystems 10 dargestellt, das ein bewegtes Mikroelement 11, wie zum Beispiel einen Mikrospiegel, umfasst. Das bewegte Element 11 wird von einer Treiberschaltung 12 angesteuert. Eine Bewegung oder eine Koordinate oder mehrere Koordinaten des bewegten Elements 11 werden von einem Sensor zur Lageerfassung 13 erfasst. Das Signal ym des Sensors zur Lageerfassung 13 wird zurückgekoppelt und in einem Subtrahierer oder Addierer 14 von einer Führungsgröße w subtrahiert. Der Subtrahierer oder Addierer 14 bildet hier einen Rückkopplungsknoten. Die in dem Subtrahierer 14 dabei entstehende Eingangsgröße e wird einem Regler 15 zugeführt. Der Regler 15 gibt daraufhin ein Reglersignal u an die Treiberschaltung 12 aus, welche dann mit einem Steuersignal us das bewegte Element steuert. Die mit y bezeichnete Position des bewegten Elements 11 dient wiederum als Eingangssignal des Sensors zur Lageerfassung 13.
Ferner wird das Reglersignal u aus dem Regler 15 einer Abweichungsdetektion 16 zugeführt, die beispielsweise der in 4 gezeigten Struktur entspricht. Der Ausgang der Abweichungsdetektion 16 wird einer Abweichungsregelung 17 zugeführt. Die Abweichungsregelung 17 erzeugt ein Steuer- oder Regelsignal wy, welches einer Abweichungsanpassungseinheit 18 zugeführt wird. Die Abweichungsanpassungseinheit 18 erhält weiterhin das Ausgangssignal ym1 des Sensors zur Lageerfassung 13. Dieses Signal ym1 des Sensors zur Lageerfassung 13, das eine thermische Abweichung aufweist, wird nun von der Abweichungsanpassungseinheit 18 mittels des Korrekturwerts wy korrigiert und als thermisch korrigiertes Signal ym zurückgekoppelt.
In 7 ist eine mögliche Realisierung des Abweichungsreglers 17 für den Offset dargestellt. Der ermittelte Offset wird mithilfe eines P-Reglerelements 19, einem I-Regelerelement 20 und einem D-Reglerelement 21, also einem klassischen PID-Regler, verarbeitet, von einem Addierer 22 addiert und als Signal wo ausgegeben.
In 8 ist eine Abweichungsregelung 17 für den Sensitivitätsfehler beziehungsweise das Sensitivitätssignal dargestellt. Auch hier wird die Sensitivitätsabweichung einem PID-Regler mit seinen Elementen 19, 20 und 21 zugeführt, deren Ausgänge mit einem Addierer 22 verbunden sind. Dem Addierer 22 wird zudem der Wert 1 zugeführt. Ein Ausgang des Addierers 22 ist mit einem Multiplikator 24 verbunden, dem auch die Führungsgröße w zugeführt wird. Die Multiplikation dieser beiden Werte erzeugt die abgeleitete Führungsgröße ws.
Die in 7 und 8 dargestellten Abweichungsregler 17 können auch zur Bestimmung der Temperatur des Sensors zur Lageerfassung 13 herangezogen werden. Dazu weisen die Abweichungsregler 17 jeweils einen Speicher oder Look-Up-Table 23 auf, in denen Referenzwerte, die auf den TCO und/oder TCS-Werten basieren, gespeichert sind. Alternativ kann auch ein ASIC oder eine ähnliche Schaltung vorgesehen sein, mit der anhand der Gleichung 1 und/oder Gleichung 2 die Temperatur des Sensors zur Lageerfassung 13 zurückberechnet werden kann.
So lässt sich aus den ermittelten Signalen für Offset- und/oder Sensitivitätsfehler zusätzlich die Temperatur T des Sensorelements 13 ermitteln. Die Größe des ermittelten thermischen Offset-Fehlers und auch des Sensitivitätsfehlers stehen in direktem Zusammenhang mit der Temperatur des Sensorelements 13. Dieser physikalische Zusammenhang ist aus den Gleichungen 1 und 2 ersichtlich.
Eine eindeutige Beziehung zwischen dem Offset-Fehlersignal beziehungsweise dem Sensitivitätsfehlersignal und der Temperatur des Sensors zur Lageerfassung 13 ist stets gegeben. Die konkrete Form der Beziehung oder der Abhängigkeit ist unter anderem bestimmt durch die TCO- beziehungsweise TCS-Werte der Potenzreihe aus Gleichung 1 beziehungsweise Gleichung 2.
Da in der Regel der detektierte Fehler direkt ausgeregelt wird, wird auch das ermittelte Fehlersignal im Betrieb gegen Null streben. Um gleichzeitig die thermischen Fehler ausregeln und die Temperatur erfassen zu können, kann ein Speicherglied des Abweichungsreglers 17 ausgelesen werden. Der Ausgang des integralen Glieds 21 des PID-Reglers enthält implizit den Absolutwert des aktuellen thermischen Offsets beziehungsweise des aktuellen thermischen Sensitivitätsfehlers. Mit Kenntnis der TCO- beziehungsweise TCS-Koeffizienten aus Gleichung 1 beziehungsweise Gleichung 2 kann dann direkt die Temperatur des Sensors zur Lageerfassung 13 errechnet werden. Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Temperaturerfassung hängt dabei fast ausschließlich von der Genauigkeit der Kenntnis der TCO- beziehungsweise TCS-Koeffizienten ab. So ist beispielsweise die Varianz der dominierenden Sensitivitätskoeffizienten häufig sehr gering, zum Beispiel kleiner als 5 %. Dadurch kann auch bei Verwendung des nominalen Sensitivitätswertes eine für viele Anwendungen ausreichende Genauigkeit der Temperaturermittlung erzielt werden.

Claims

Verfahren zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals (ym; ym1) eines Sensors zur Lageerfassung (13) eines bewegten Elements (11) eines Mikrosystems (10), wobei das Mikrosystem (10) einen Regler (15) zur Regelung einer Bewegung des bewegten Elements (11) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erfassen eines Referenz-Offsets (2) und/oder einer Referenz-Amplitude (3) eins Reglersignals (u) bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung (13); - Erfassen eines gemessenen Offsets (2a) und/oder einer gemessenen Amplitude (3a) des Reglersignals (u) bei einer veränderten Temperatur; - Bestimmen einer thermischen Abweichung (8) zwischen Referenz-Offset (2) und gemessenem Offset (2a) und/oder zwischen Referenz-Amplitude (3) und gemessener Amplitude (3a); und - Ändern des Signals (ym; ym1) des Sensors zur Lageerfassung (13) zur Kompensation der thermischen Abweichung (8) des Signals (ym; ym1) basierend auf der bestimmten thermischen Abweichung (8).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gemessene Offset (2a) und/oder die gemessene Amplitude (3a) indirekt aus einem Signal (us, y, ym; us, y, ym1) einer dem Regler (15) nachgeordneten Einheit (12, 11, 13) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Referenz-Offset (2) und/oder die Referenz-Amplitude (3) bei einer Produktionstemperatur des Sensors zur Lageerfassung (13) erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gemessene Offset (2a) und/oder die gemessene Amplitude (3a) bei einer veränderten Betriebstemperatur des Mikrosystems (10) erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Richtung der thermischen Abweichung (8) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein thermischer Offset-Koeffizient und/oder ein thermischer Sensitivitätskoeffizient für einen oder mehrere baugleiche Sensoren zur Lageerfassung (13) bestimmt werden und wobei die Temperatur des Sensors zur Lageerfassung (13) basierend auf dem thermischen Offset-Koeffizienten und der thermischen Abweichung (8) zwischen Referenz-Offset (2) und gemessenem Offset (2a) und/oder auf dem thermischen Sensitivitätskoeffizienten und der thermischen Abweichung (8) zwischen Referenz-Amplitude (3) und gemessener Amplitude (3a) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mikrosystem (10) ein mikro-elektromagnetisches und/oder mikro-elektrostatisches System ist.
Mikrosystem zur sensorlosen Temperaturkompensation eines Signals eines Sensors zur Lageerfassung (13) eines bewegten Mikroelements (11), aufweisend einen Regler (15) zur Regelung einer Bewegung des Mikroelements (11), dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinheit (16) zur Erfassung eines Referenz-Offsets (2) und/oder einer Referenz-Amplitude (3) des Signals (1) bei einer Referenztemperatur des Sensors zur Lageerfassung (13) und zur Erfassung eines gemessenen Offsets (2a) und/oder einer gemessenen Amplitude (3a) eines Reglersignals (1a) bei einer veränderten Temperatur und ferner zur Bestimmung einer thermischen Abweichung (8) umfassend einen thermischen Offset zwischen Referenz-Offset (2) und gemessenem Offset (2a) und/oder eines thermischen Sensitivitätsfehler zwischen Referenz-Amplitude (3) und gemessener Amplitude (3a) vorgesehen ist, dass eine Abweichungsregelung (17) zur Erzeugung einer Regelgröße (wo) aus dem thermischen Offset, einer abgeleiteten Führungsgröße (ws) aus einer Führungsgröße (w) und dem thermischen Sensitivitätsfehler, oder eines Steuersignals oder Regelsignals (wy) aus der thermischen Abweichung (8) vorgesehen ist und dass ein Schaltungselement zur Kompensation der thermischen Abweichung (8) des Signals (ym; ym1) des Sensors zur Lageerfassung (13) vorgesehen ist.
Mikrosystem nach Anspruch 8, wobei die Detektionseinheit (16) ein Ausgangssignal (u) des Reglers (15) erfasst und mit mindestens einer Abweichungsregelung (17) verbunden ist und wobei die mindestens eine Abweichungsregelung (17) mit einem Rückkopplungsknoten (14) des Mikrosystems (10) verbunden ist.
Mikrosystem nach Anspruch 8, wobei die Detektionseinheit (16) ein Ausgangssignal (u) des Reglers (15) erfasst und mit einer Abweichungsregelung (17) verbunden ist und wobei die Abweichungsregelung (17) mit einer Abweichungsanpassungseinheit (18) verbunden ist.