DE102014225844A1

DE102014225844A1 - Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE102014225844A1
Application number: DE102014225844.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Ohms
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN105699695B; KR102443383B1; TWI683989B; CN105699695A; TW201632833A; US20160169933A1; KR20160072791A; US9927240B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat schwingungsfähige mikromechanische Struktur mit einem ersten Antriebselement, einem zweiten Antriebselement und wenigstens einem Corioliselement umfasst, wobei das Corioliselement von dem ersten Antriebselement und/oder von dem zweiten Antriebselement zu wenigstens einer Schwingungsmode anregbar ist, wobei ein Detektionssignal in Abhängigkeit einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Corioliselement detektiert wird, wobei der Drehratensensor wahlweise in einem Normalmodus oder in einem Selbsttestmodus betreibbar ist, wobei im Normalmodus das erste Antriebselement und das zweite Antriebselement angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Selbsttestmodus wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement oder das zweite Antriebselement angetrieben wird

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise geht aus der Druckschrift US 2013/0239651 A1 ein Drehratensensor hervor, der einen Körper und eine seismische Masse umfasst. Die seismische Masse ist elastisch an dem Körper befestigt und verfügt über einen Freiheitsgrad in Sensierrichtung. Der Drehratensensor verfügt über einen Selbsttest-Aktor. Des Weiteren ist aus der Druckschrift US 2013/0233048 A1 bekannt, dass beim Selbsttest zwei Selbsttest-Aktor-Elektroden eingesetzt werden. In der Druckschrift EP 2 647 954 A2 wird ein Selbsttest eines Drehratensensors beschrieben bei dem kapazitive MEMS Sensoren und ein Schalterstromkreis verwendet werden. Ein Testen der Funktionalität eines Drehratensensors ohne Zusatzschaltungen oder/und Zusatzelektroden ist nicht vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors gemäß den nachgeordneten Ansprüchen, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zum Testen der Funktionalität keine zusätzlichen Bauteile verwendet werden, um die mikromechanischen Struktur anzuregen. Dies wird dadurch erreicht, dass im Selbsttestmodus wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement oder das zweite Antriebselement angetrieben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors ermöglicht in vorteilhafter Weise das Testen der Funktionalität eines Drehratensensors ohne die Verwendung zusätzlicher Bauteile. Die Herstellungskosten sind somit deutlich reduzierbar. Außerdem können durch die Verwendung der gleichen Elektroden im Testmodus und im Normalmodus, auch Schäden der Elektroden, die zum Antrieb dienen, aufgedeckt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass während eines initialen Kalibrationsschritts im Selbsttestmodus ein Detektionssignal als zu erwartendes Detektionssignal in einer Speichereinheit gespeichert wird. Vorzugsweise wird die Kalibration bei der Fertigung aufgeführt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das zu erwartende Detektionssignal am Ende des Fertigungsprozess festgehalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass während eines Selbsttestschrittes in einer Vergleichseinheit das Detektionssignal im Selbsttestmodus mit dem erwarteten Detektionssignal verglichen wird. Vorzugsweise wird der Selbsttestschritt nach Transport und Einbau des Drehratensensors bzw. während des Betriebs durchgeführt. Nach Transport und Einbau kann in vorteilhafter Weise während der Verwendung des Drehratensensors das gemessene Detektionssignal im Selbsttestmodus mit dem erwarteten Detektionssignal verglichen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vergleichseinheit eine Fehlerinformation generiert, wenn die Differenz des Detektionssignals im Selbsttestmodus und des erwarteten Detektionssignals einen vorgegebenen Wert überschreitet. Insbesondere können Fehler wie Transportschäden in Form von Abbrüchen in der mechanischen Struktur oder den feststehenden Elektroden, Stress-Einfluss durch Beschädigung des Gehäuses oder Stress-Einfluss durch Auflöten aufgedeckt werden. Stress-Einfluss durch Beschädigung des Gehäuses oder Stress-Einfluss durch Auflöten kann zu einer Wölbung des Substrats führen, die wiederum zu einer Änderung der Abstände der mikromechanischen Struktur zu den Elektroden führen kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Drehratensensor mit einem Substrat und einer gegenüber dem Substrat schwingungsfähigen mikromechanischen Struktur mit einem ersten Antriebselement, einem zweiten Antriebselement und wenigstens einem Coriolis-Element, wobei das Substrat eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass das Coriolis-Element von dem ersten Antriebselement und/oder von dem zweiten Antriebselement zu wenigstens einer Schwingungsmode anregbar ist, wobei der Drehratensensor ein Detektionsmittel zur Detektion einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Coriolis-Element umfasst, wobei der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass der Drehratensensor wahlweise in einem Normalmodus oder in einem Selbsttestmodus betreibbar ist, wobei der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass im Normalmodus das erste Antriebselement und das zweite Antriebselement angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor derart konfiguriert ist, dass im Selbsttestmodus wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement oder das zweite Antriebselement angetrieben wird. Durch die Realisierung eines Selbsttests eines Drehratensensors ohne die Verwendung von Zusatzschaltungen oder Zusatzelektroden zur Anregung der mikromechanischen Struktur, wird in besonders kostengünstiger Weise die Realisierung eines Drehratensensors mit Selbsttestfunktion ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Corioliselement ein erstes Coriolis-Element und ein zweites Coriolis-Element aufweist und das Corioliselement eine Antriebsbewegung im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors ausführt und im Falle einer zu detektierenden Drehrate eine Kraftwirkung entlang einer Detektionsrichtung erfährt, wobei die Detektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Antriebsbewegung im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Hauptstreckungsebene des Substrats.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt die Antriebsbewegung im Wesentlichen parallel zur x-Achse.
Dadurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Detektionssignal in Abhängigkeit einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Corioliselement detektiert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors mit Antriebselementen und Corioliselementen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt den Drehratensensor in einer Seitenansicht, wobei die Levitationskräfte durch Pfeile veranschaulicht sind, im Normalmodus und eine schematische Aufsicht des Drehratensensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
3 zeigt den Drehratensensor in einer Seitenansicht, wobei die Levitationskräfte durch Pfeile veranschaulicht sind, im Selbsttestmodus und eine schematische Aufsicht des Drehratensensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
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 1 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat schwingungsfähige mikromechanische Struktur 2 aufweist. Der Drehratensensor 1 verfügt über einen ersten Antriebskamm 3 und einen zweiten Antriebskamm 4, wobei der erste Antriebskamm 3 und der zweite Antriebskamm 4 substratfest vorgesehen sind. Die mikromechanische Struktur 2 umfasst ein erstes Antriebselement 5, ein zweites Antriebselement 6, ein erstes Coriolis-Element 7‘ und ein zweites Coriolis-Element 7‘‘, wobei diese Elemente federelastisch am Substrat aufgehängt sind.
Beispielhaft ist der Drehratensensor 1 zur Detektion einer Drehrate um eine Achse parallel zur Hauptstreckungsebene des Drehratensensors 1 (entweder als ein sogenannter Ω_x-Sensor oder als ein sogenannter Ω_y-Sensor) ausgebildet, wobei die Detektion senkrecht zur Hauptstreckungsebene (z-Achse) erfolgt. Beim Betrieb des Drehratensensors im Normalmodus (d.h. zur Detektion einer Drehrate) werden die Antriebselemente 5 und 6 durch zeitlich variable Spannungen, bevorzugt bei oder nahe der Resonanzfrequenz, zu Schwingungen angetrieben, wobei die Antriebselemente 5 und 6 eine Bewegung parallel zur Hauptstreckungsebene, beispielsweise in y-Richtung, ausführen. Hierbei bewirkt eine zeitlich variable Spannung zwischen dem ersten Antriebskamm 3 und dem ersten Antriebselement 5 eine Kraftwirkung auf das erste Antriebselement 5 und eine zeitlich variable Spannung zwischen dem zweiten Antriebskamm 4 und dem zweiten Antriebselement 6 eine Kraftwirkung auf das zweite Antriebselement 6. Das erste Antriebselement 5 ist in Antriebsrichtung mechanisch starr mit dem ersten Coriolis-Element 7‘ und das zweite Antriebselement 6 ist ebenfalls in Antriebsrichtung mechanisch starr mit dem zweiten Coriolis-Element 7‘‘ gekoppelt. Das erste Coriolis-Element 7‘ und das zweite Corioliselement 7‘‘ werden im Folgenden auch als das Corioliselement 7 bezeichnet. Das Coriolis-Element 7 führt durch den Antrieb eine Bewegung im Wesentlichen parallel zur Hauptstreckungsebene aus. Ein Detektionssignal wird im Normalmodus in Abhängigkeit einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Coriolis-Element 7 detektiert. Hierbei wird die zu detektierende Corioliskraft entlang einer Detektionsrichtung, die in der beispielhaften Ausführung des Drehratensensors senkrecht zu Haupterstreckungsebene verläuft, detektiert.
Der Drehratensensor verfügt über einen Normalmodus und einen Selbsttestmodus. Im Normalmodus wird sowohl das erste Antriebselement 5 als auch das zweite Antriebselement 6 symmetrisch und synchron angetrieben. Im Selbsttestmodus wird wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement 5 oder das zweite Antriebselement 6 angetrieben. Dadurch ist es möglich die Funktionalität des Drehratensensors ohne den Einsatz zusätzlicher Bauteile zu testen. Am Ende des Fertigungsprozesses wird ein Detektionssignal während eines Selbsttestschrittes gemessen und als zu erwartendes Detektionssignal in einer Speichereinheit gespeichert. Vorzugsweise wird sowohl für den Antrieb des ersten Antriebselements 5 als auch für den Antrieb des zweiten Antriebselements 6 jeweils ein zu erwartendes Detektionssignal in der Speichereinheit gespeichert. Während der Verwendung des Drehratensensors wird das im Selbsttestmodus gemessene Detektionssignal mit dem jeweiligen zu erwartenden Detektionssignal in einer Vergleichseinheit verglichen.
Im Normalmodus wird mittels eines ersten Detektionsmittels 8‘, die Auslenkung des ersten Coriolis-Elements 7‘ und mittels eines zweiten Detektionsmittels 8‘‘, die Auslenkung des zweiten Coriolis-Elements 7‘‘ detektiert. Ein Detektionssignal ergibt sich in differenzieller Auswertung aus einem Signal des ersten Detektionsmittels 8‘ und einem Signal des zweiten Detektionsmittels 8‘‘.
Insbesondere auf Grund von fertigungsbedingten Toleranzen weist die Antriebsbewegung der Antriebselemente 5 und 6 neben der gewünschten Komponente parallel zur Hauptstreckungsebene (xy-Ebene) auch eine Komponente senkrecht zur Hauptstreckungsebene (z-Richtung) auf. Die Komponente der Antriebsbewegung senkrecht zur Hauptstreckungsebene (z-Richtung) ist auf die Asymmetrie des E-Feldes zurückzuführen, wodurch sogenannte Levitationskräfte resultieren. 2 zeigt auf der linken Seite den Drehratensensor 1 im Normalmodus in der Seitenansicht, wobei die Levitationskräfte durch von den Antriebselementen ausgehenden Pfeile veranschaulicht sind, gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Aus der Seitenansicht gemäß 2 geht hervor, dass im Normalmodus die antriebsinduzierte Auslenkung des ersten Coriolis-Elements 7‘ und des zweiten Coriolis-Elements 7‘‘ in z-Richtung, d. h. die Levitationskräfte, im Wesentlichen gleich groß ist. Aufgrund der differentiellen Auswertung des Detektionssignals mittels des ersten Detektionsmittels 8‘ und des zweiten Detektionsmittels 8‘‘ wird im Normalmodus die Wirkung, die die Komponente der Antriebsbewegung in Detektionsrichtung (z-Richtung) auf das Detektionssignal hat, eliminiert.
3 zeigt auf der linken Seite den Drehratensensor 1 in der Seitenansicht, wobei die Levitationskräfte durch Pfeile veranschaulicht sind, in einem beispielhaften Selbsttestmodus bei dem ausschließlich das erste Antriebselement 5 angetrieben wird gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Seitenansicht gemäß 3 ist die Auslenkung des ersten Corioliselements 7‘ und die Levitationskräfte, die auf das erste Antriebselement 5 wirken, sichtbar. In dieser Darstellung wird nur das erste Antriebselement 5 durch eine zeitlich variable Spannung zwischen dem ersten Antriebskamm 3 und dem ersten Antriebselement 5 angeregt. Durch die gezielte Anregung wahlweise ausschließlich des ersten Antriebselements 5 oder des zweiten Antriebselements 6 im Selbsttestmodus wirkt ein Offset, der die Nulllage des Sensors verschiebt. Die Verschiebung ergibt sich aus der Konstruktion der mikromechanischen Struktur und sollte über die Lebensdauer stabil sein, solange die mikromechanische Struktur ihre Eigenschaften nicht ändert. Stress-Einfluss durch Beschädigung des Gehäuses oder Stress-Einfluss durch Auflöten kann zu einer Wölbung des Substrats führen, die wiederum zu einer Änderung der Abstände der mikromechanischen Struktur zu den Elektroden führen kann. Durch den Vergleich des Detektionssignals im Selbsttestmodus während der Verwendung des Drehratensensors mit dem zu erwartenden Detektionssignal in einer Vergleichseinheit können Fehler wie Transportschäden in Form von Abbrüchen in der mechanischen Struktur oder den feststehenden Elektroden, Stress-Einfluss durch Beschädigung des Gehäuses oder Stress-Einfluss durch Auflöten aufgedeckt 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

US 2013/0239651 A1 [0002]
US 2013/0233048 A1 [0002]
EP 2647954 A2 [0002]

Claims

Verfahren zum Testen der Funktionalität eines Drehratensensors (1), wobei der Drehratensensor (1) ein Substrat und eine gegenüber dem Substrat schwingungsfähige mikromechanische Struktur (2) mit einem ersten Antriebselement (5), einem zweiten Antriebselement (6) und wenigstens einem Corioliselement (7) umfasst, wobei das Corioliselement (7) von dem ersten Antriebselement (5) und/oder von dem zweiten Antriebselement (6) zu wenigstens einer Schwingungsmode anregbar ist, wobei ein Detektionssignal in Abhängigkeit einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Corioliselement (7) detektiert wird, wobei der Drehratensensor (1) wahlweise in einem Normalmodus oder in einem Selbsttestmodus betreibbar ist, wobei im Normalmodus das erste Antriebselement (5) und das zweite Antriebselement (6) angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Selbsttestmodus wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement (5) oder das zweite Antriebselement (6) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während eines initialen Kalibrationsschritts im Selbsttestmodus ein Detektionssignal als zu erwartendes Detektionssignal in einer Speichereinheit gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Selbsttestschrittes in einer Vergleichseinheit das Detektionssignal im Selbsttestmodus mit dem erwarteten Detektionssignal verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit eine Fehlerinformation generiert, wenn die Differenz des Detektionssignal im Selbsttestmodus und des erwarteten Detektionssignal einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Drehratensensor (1) mit einem Substrat und einer gegenüber dem Substrat schwingungsfähigen mikromechanischen Struktur (2) mit einem ersten Antriebselement (5), einem zweiten Antriebselement (6) und wenigstens einem Corioliselement (7), wobei das Substrat eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass das Corioliselement (7) von dem ersten Antriebselement (5) und/oder von dem zweiten Antriebselement (6) zu wenigstens einer Schwingungsmode anregbar ist, wobei der Drehratensensor (1) ein Detektionsmittel (8) zur Detektion einer zu detektierenden Kraftwirkung auf das Corioliselement (7) umfasst, wobei der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass der Drehratensensor (1) wahlweise in einem Normalmodus oder in einem Selbsttestmodus betreibbar ist, wobei der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass im Normalmodus das erste Antriebselement (5) und das zweite Antriebselement (6) angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) derart konfiguriert ist, dass im Selbsttestmodus wahlweise ausschließlich das erste Antriebselement (5) oder das zweite Antriebselement (6) angetrieben wird.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Corioliselement (7) ein erstes Coriolis-Element (7‘) und ein zweites Coriolis-Element (7‘‘) aufweist und das Corioliselement (7) eine Antriebsbewegung im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors ausführt und im Falle einer zu detektierenden Drehrate eine Kraftwirkung entlang einer Detektionsrichtung erfährt, wobei die Detektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft.