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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Verfahren zum Antreiben einer Antriebsmasse eines mikromechanischen Bauelements sind allgemein bekannt.
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Beispielsweise offenbaren
US 2014/0305207 A1 und
US 2014/0266474 A1 sind derartige Verfahren.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren auf MEMS-Basis, welche mit einer resonant schwingenden Antriebsmasse betrieben werden, wie beispielsweise Gyroskope, wird beim Startvorgang des Sensors eine Antriebsmasse des Sensors aus einer Ruheposition in eine eingeschwungene Bewegung bzw. Schwingung versetzt. Hierbei muss anschließend die eingeschwungene Bewegung der Antriebsmasse derart geregelt werden, dass sich die Antriebsmasse im Sinne der eingeschwungenen Bewegung im weiteren Betrieb des Sensors bewegt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren umfassen für die Steuerung der Bewegung der Antriebsmasse meist eine Antriebsregeleinheit innerhalb eines ASICs (application-specific integrated circuit bzw. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung), wobei die Antriebsregeleinheit die Position der Antriebsmasse misst und anhand dieser Information Voltsignale mit bestimmter Phase und Amplitude generiert um die Antriebsmasse aus der Ruheposition zu bewegen und eine Bewegung der Antriebsmasse aufrecht zu halten.
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Hierfür offenbart
US 2014/0305207 A1 einen möglichen Antriebsschaltkreis und
US 2014/0266474 A1 offenbart eine Möglichkeit die Startzeit eines Sensors zu reduzieren bzw. die Zeit zu reduzieren, die benötigt wird um die Antriebsmasse des Sensors aus der Ruheposition in eine eingeschwungene Bewegung zu versetzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik ressourcenschonendes, einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Antreiben einer Antriebsmasse eines mikromechanischen Bauelements bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein zeitliches Ende des ersten Verfahrensschritts und ein zeitlicher Anfang des zweiten Verfahrensschritts von einem Amplitudenregler des mikromechanischen Bauelements bestimmt wird.
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Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Übergang von dem ersten Verfahrensschritt zu dem zweiten Verfahrensschritt aufgrund von durch den Amplitudenregler empfangenen Informationen aus der Umgebung des mikromechanischen Bauelements und/oder aufgrund von durch den Amplitudenregler empfangenen Informationen aus dem technologischen Prozess innerhalb des mikromechanischen Bauelements von dem Amplitudenregler regelbar ist.
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Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der in dem ersten Verfahrensschritt verwendete erste Treiber gezielt auf die Startphase der Antriebsmasse konfigurierbar ist und der in dem zweiten Verfahrensschritt verwendete zweite Treiber gezielt auf die restliche Betriebszeit bzw. gezielt auf einen eingeschwungenen Betriebsmodus des mikromechanischen Bauelements konfigurierbar ist. Somit ist es vorteilhaft möglich, dass in dem ersten Verfahrensschritt die Antriebsmasse für die Startphase vorteilhaft angetrieben wird und in dem zweiten Verfahrensschritt die Antriebsmasse für den eingeschwungenen Betriebsmodus des mikromechanischen Bauelements vorteilhaft angetrieben wird. Somit kann der erste Treiber für die Startphase und der zweite Treiber für den eingeschwungenen Betriebsmodus jeweils gezielt energieeffizient konfiguriert werden.
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Des Weiteren wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Zeit der Startphase der Antriebsmasse im Vergleich zum Stand der Technik reduzierbar ist und gleichzeitig die für den eingeschwungenen Betriebsmodus verbrauchte Leistung im Vergleich zum Stand der Technik relativ geringgehalten werden kann.
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Somit wird ein gegenüber dem Stand der Technik ressourcenschonendes, einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Antreiben einer Antriebsmasse eines mikromechanischen Bauelements bereitgestellt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zeitliche Ende des ersten Verfahrensschritts und der zeitliche Anfang des zweiten Verfahrensschritts auf den Zeitpunkt fallen, an dem von der zeitlich zunehmenden Bewegungsamplitude eine vorgegebene Bewegungsamplitude erreicht wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass der Übergang von dem ersten Verfahrensschritt zu dem zweiten Verfahrensschritt anhand der Bewegungsamplitude der Antriebsmasse regelbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem ersten Verfahrensschritt von dem ersten Treiber eine im Wesentlichen zeitlich konstante erste Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Antriebsmasse aus der Ruheposition in eine Schwingung mit zeitlich zunehmender Bewegungsamplitude mithilfe einer zeitlich konstanten ersten Spannungsamplitude und im Wesentlichen ungeregelten Spannungsamplitude versetzt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass in dem zweiten Verfahrensschritt von dem zweiten Treiber eine zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse derart bereitgestellt wird, dass die zweite Spannungsamplitude geringer als die erste Spannungsamplitude ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass während dem ersten Verfahrensschritt die Antriebsmasse mit einer vergleichsweise hohen Spannung angeregt werden kann und gleichzeitig in dem zweiten Verfahrensschritt ein auf eine geringe Spannungsversorgung ausgelegter Schaltkreis verwendet werden kann. Beispielsweise ist es hierdurch möglich für Unterhaltungselektronik ausgelegte ASICs in dem mikromechanischen Bauelement zu verwenden, wobei hierbei besonders kostengünstige mit Siliziumtechnologieprozessen hergestellte Niedrigspannungsschaltkreise innerhalb der ASICs verwendet werden können.
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Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu relativ energieeffizienten Verfahren aus dem Stand der Technik die Startphase bzw. der erste Verfahrensschritt signifikant verkürzt werden und gleichzeitig im Gegensatz zu Hochspannungsverfahren aus dem Stand der Technik der eingeschwungene Betriebsmodus energieeffizient mit besonders kostengünstigen mit Siliziumtechnologieprozessen hergestellten Niedrigspannungsschaltkreise innerhalb der ASICs betrieben werden.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement zum Antreiben einer Antriebsmasse des mikromechanischen Bauelements, wobei das mikromechanische Bauelement derart konfiguriert ist, dass
- – in einem ersten Verfahrensschritt die Antriebsmasse von einem ersten Treiber des mikromechanischen Bauelements derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse aus einer Ruheposition in eine Schwingung mit zeitlich zunehmender Bewegungsamplitude versetzt wird, wobei
- – in einem zweiten Verfahrensschritt die Antriebsmasse von einem zweiten Treiber des mikromechanischen Bauelements derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse in eine Schwingung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bewegungsamplitude versetzt wird, wobei das mikromechanische Bauelement derart konfiguriert ist, dass ein zeitliches Ende des ersten Verfahrensschritts und ein zeitlicher Anfang des zweiten Verfahrensschritts von einem Amplitudenregler des mikromechanischen Bauelements bestimmt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement derart konfiguriert ist, dass das zeitliche Ende des ersten Verfahrensschritts und der zeitliche Anfang des zweiten Verfahrensschritts auf den Zeitpunkt fallen, an dem von der zeitlich zunehmenden Bewegungsamplitude eine vorgegebene Bewegungsamplitude erreicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Verfahrensschritt von dem ersten Treiber eine im Wesentlichen zeitlich konstante erste Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse bereitgestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement derart konfiguriert ist, dass in dem zweiten Verfahrensschritt von dem zweiten Treiber eine zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse derart bereitgestellt wird, dass die zweite Spannungsamplitude geringer als die erste Spannungsamplitude ist.
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Die genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1, 2 und 3 zeigen in schematischen Darstellungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1, 2, und 3 sind in schematischen Darstellungen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Hierbei zeigt 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Antreiben einer Antriebsmasse 1 eines mikromechanischen Bauelements 3, wobei das Verfahren einen erste Verfahrensschritt 101 und einen zweiten Verfahrensschritt 102 umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- – in dem ersten Verfahrensschritt 101 die Antriebsmasse 1 von einem ersten Treiber 5 des mikromechanischen Bauelements 3 derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse 1 aus einer Ruheposition in eine Schwingung mit zeitlich zunehmender Bewegungsamplitude versetzt wird. Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- – in dem zweiten Verfahrensschritt 102 die Antriebsmasse 1 von einem zweiten Treiber 7 des mikromechanischen Bauelements 3 derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse 1 in eine Schwingung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bewegungsamplitude versetzt wird.
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Außerdem ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass ein zeitliches Ende des ersten Verfahrensschritts 101 und ein zeitlicher Anfang des zweiten Verfahrensschritts 102 von einer Amplitudenregler 9 des mikromechanischen Bauelements 3 bestimmt wird. Bevorzugt fällt hierbei das zeitliche Ende des ersten Verfahrensschritts 101 und der zeitliche Anfang des zweiten Verfahrensschritts 102 auf den Zeitpunkt, an dem von der zeitlich zunehmenden Bewegungsamplitude eine vorgegebene Bewegungsamplitude 25 erreicht wird.
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Des Weiteren wird bevorzugt in dem ersten Verfahrensschritt 101 von dem ersten Treiber 5 eine im Wesentlichen zeitlich konstante erste Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse 1 bereitgestellt. Zusätzlich oder alternativ wird beispielsweise auch in dem zweiten Verfahrensschritt 102 von dem zweiten Treiber 7 eine zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse 1 derart bereitgestellt, dass die zweite Spannungsamplitude geringer als die erste Spannungsamplitude ist.
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In 2 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement 3 dargestellt, wobei das mikromechanische Bauelement 3 eine Antriebsmasse 1, einen ersten Treiber 5, einen zweiten Treiber 7 und eine Amplitudenregler 9 umfasst. Das in 2 beispielhaft dargestellte mikromechanische Bauelement 3 umfasst außerdem ein Gyroskop 11, wobei das Gyroskop 11 neben der Antriebsmasse 1 einen ersten Kondensator 13 und einen zweiten Kondensator 15 umfasst. Des Weiteren umfasst das mikromechanische Bauelement 3 beispielhaft einen Leseschaltkreis 17, bevorzugt einen Kapazität-Spannungs-Wandler, einen Phasenregler 19 und eine Mischeinheit 21.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mikromechanisches Bauelement 3 zum Antreiben der Antriebsmasse 1 derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Verfahrensschritt 101 die Antriebsmasse 1 von dem ersten Treiber 5 des mikromechanischen Bauelements 3 derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse 1 aus einer Ruheposition in eine Schwingung mit zeitlich zunehmender Bewegungsamplitude versetzt wird.
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Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement 3 derart konfiguriert ist, dass in dem zweiten Verfahrensschritt 102 die Antriebsmasse 1 von dem zweiten Treiber 7 des mikromechanischen Bauelements 3 derart angetrieben wird, dass die Antriebsmasse 1 in eine Schwingung mit im Wesentlichen zeitlich konstanter Bewegungsamplitude versetzt wird.
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Das ist 2 beispielhaft dargestellte mikromechanische Bauelement 3 ist ferner derart konfiguriert ist, dass ein zeitliches Ende des ersten Verfahrensschritts 101 und ein zeitlicher Anfang des zweiten Verfahrensschritts 102 von dem Amplitudenregler 9 des mikromechanischen Bauelements 3 bestimmt wird.
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Des Weiteren ist das mikromechanische Bauelement 3 derart konfiguriert, dass das zeitliche Ende des ersten Verfahrensschritts 101 und der zeitliche Anfang des zweiten Verfahrensschritts 102 auf den Zeitpunkt fallen, an dem von der zeitlich zunehmenden Bewegungsamplitude eine vorgegebene Bewegungsamplitude 25 erreicht wird.
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Des Weiteren ist das mikromechanische Bauelement 3 beispielsweise derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Verfahrensschritt 101 von dem ersten Treiber 5 eine im Wesentlichen zeitlich konstante erste Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse 1 bereitgestellt wird. Bevorzugt ist hierbei der erste Treiber 5 als Hochspannungsverstärker (HV booster) ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der erste Treiber 5 derart ausgebildet, dass die im Wesentlichen zeitlich konstante erste Spannungsamplitude größer als eine vorgegebene Spannungsamplitude 27 ist. Bevorzugt ist die vorgegebene Spannungsamplitude 27 die Spannungsamplitude einer Spannungsquelle des mikromechanischen Bauelements 3.
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Beispielsweise ist das mikromechanische Bauelement 3 auch derart konfiguriert ist, dass in dem zweiten Verfahrensschritt 102 von dem zweiten Treiber 7 eine zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse 1 derart bereitgestellt wird, dass die zweite Spannungsamplitude geringer als die erste Spannungsamplitude ist. Bevorzugt ist hierbei der zweite Treiber 7 als energieeffizienter Niedrigspannungsverstärker (LV driver) ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der zweite Treiber 7 derart ausgebildet, dass die zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude gleich Null oder größer als Null und gleich der vorgegebenen Spannungsamplitude 27 oder geringer als die vorgegebene Spannungsamplitude 27 ist.
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Außerdem wird von dem in 2 beispielhaft dargestellten Leseschaltkreis 17 die Position der Antriebsmasse 1 gemessen und eine Positionsinformation generiert. Hierfür wird bevorzugt von dem zweiten Kondensator 15 aufgrund einer Auslenkung der Antriebsmasse 1 ein Potentialsignal an den Leseschaltkreis übertragen. Die Positionsinformation wird von dem Leseschaltkreis 17 an den Amplitudenregler 9 und an den Phasenregler 19 übertragen und von dem Amplitudenregler 9 und dem Phasenregler 19 verarbeitet.
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Gemäß der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform wird die Mischeinheit 21 von dem Phasenregler 19 derart geregelt, dass die Mischeinheit 21 eine phasenkontrollierte Wellenform bzw. eine Wellenform mit vorgegebener Phase, bevorzugt eine rechteckige Wellenform oder eine sinusförmige Wellenform, generiert wird und bevorzugt mit einer an der Mischeinheit anliegenden Verstärkungsspannung 23 derart verstärkt wird, dass ein Energietransfer von der Mischeinheit 21 bzw. von dem ersten Treiber 5 bzw. von dem zweiten Treiber 7 an die Antriebsmasse über den ersten Kondensator 13 optimiert wird.
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Von dem in 2 beispielhaft dargestellten Amplitudenregler 9 wird, bevorzugt anhand der verarbeiteten Positionsinformation und der vorgegebenen Bewegungsamplitude 25, die zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude zum Antreiben der Antriebsmasse 1 ausgewählt und bereitgestellt. Hierbei ist die zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude derart vorgesehen, dass die zumindest teilweise im Wesentlichen zeitlich konstante zweite Spannungsamplitude von dem Amplitudenregler 9 derart zeitlich variierbar ist, dass der Energietransfer von der Mischeinheit 21 bzw. von dem zweiten Treiber 7 an die Antriebsmasse 1 über den ersten Kondensator 13 von dem Amplitudenregler 9 einstellbar ist und ein eingeschwungener Betriebszustand des mikromechanischen Bauelements 3 bei der Schwingung mit der vorgegebenen Bewegungsamplitude 25 ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass bevorzugt zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt 101 bzw. während eines Startvorgangs des Gyroskops 11 der erste Treiber 5 von dem Amplitudenregler 9 ausgewählt wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass das mikromechanische Bauelement 1 derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Verfahrensschritt 101 die Antriebsmasse 1 von dem ersten Treiber 5 mit maximaler Antriebsenergie angetrieben wird. Bevorzugt ist hierbei das mikromechanische Bauelement 3 derart ausgebildet, dass die Antriebsmasse 1 im ersten Verfahrensschritt 101 mithilfe einer offenen Steuerkette angetrieben wird.
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Bevorzugt wird von dem Amplitudenregler 9 zeitlich während des ersten Verfahrensschritts 101 die verarbeitete Positionsinformation bzw. eine aus der Positionsinformation von dem Amplitudenregler 9 hergeleitete zeitlich zunehmende Bewegungsamplitude der Antriebsmasse mit der vorgegebenen Bewegungsamplitude 25 verglichen. Erfindungsgemäß bevorzugt ist die vorgegebene Bewegungsamplitude 25 eine Bewegungsamplitude der eingeschwungenen Antriebsmasse 1. Sobald von dem Amplitudenregler detektiert wird, dass die zeitlich zunehmende Bewegungsamplitude der vorgegebenen Bewegungsamplitude 25 entspricht, wird bevorzugt von dem Amplitudenregler 9 der zweite Treiber 7 als Spannungsquelle für den Antrieb der Antriebsmasse 1 ausgewählt. Hierdurch wird ermöglicht, dass das mikromechanische Bauelement 1 derart konfiguriert ist, dass in dem zweiten Verfahrensschritt 102 die Antriebsmasse von dem zweiten Treiber 7 mit einer präzisen Spannungskontrolle angetrieben wird. Bevorzugt ist hierbei das mikromechanische Bauelement 3 derart ausgebildet, dass die Antriebsmasse 1 im zweiten Verfahrensschritt 102 mithilfe eines geschlossenen Steuerkreises angetrieben wird.
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In 3 ist ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der Bewegungsamplitude 29 der Antriebsmasse 1 und der an der Mischeinheit anliegenden Verstärkerspannung 23 dargestellt. Hierbei sind auch die zeitlichen Verläufe des ersten Verfahrensschritts 101 und des zweiten Verfahrensschritts 102 sowie die vorgegebene Bewegungsamplitude 25 und die vorgegebene Spannungsamplitude 27.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird beim Einsatz des mikromechanischen Bauelements (3) eine Reduzierung des Stromverbrauches des mikromechanischen Bauelements (3) ermöglicht. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das mikromechanische Bauelement (3) für eine erste Zeitdauer (T1) eingeschaltet und anschließend für eine zweite Zeitdauer (T2) ausgeschaltet wird. Bevorzugt umfasst die erste Zeitdauer (T1) den ersten Verfahrensschritt (101) und den zweiten Verfahrensschritt (102). Mit anderen Worten wird bevorzugt der erste Verfahrensschritt (101) und der zweite Verfahrensschritt (102), bevorzugt zumindest teilweise, während der ersten Zeitdauer (T1) durchgeführt. Außerdem wird bevorzugt weder der erste Verfahrensschritt (101) noch der zweite Verfahrensschritt (102) während der zweiten Zeitdauer durchgeführt. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass das mikromechanische Bauelement (3) periodisch, bevorzugt mit einer Periode T = T1 + T2, betrieben wird. Hierbei ist es vorteilhaft möglich, dass bei einem periodischen Betrieb mit T = T1 + T2 sich eine Reduktion des Mittelwertes des Stroms von I0 (Vollbetrieb) auf I = I0·T1/(T1 + T2) ergibt. Hierbei wird insbesondere die erste Zeitdauer (T1), während der bevorzugt eine Messung durchgeführt wird, durch die Startup Zeit bzw. durch die Zeitdauer des ersten Verfahrensschritts (101) des mikromechanischen Bauelements (3) bzw. des Sensors definiert. Erfindungsgemäß wird die Zeitdauer des ersten Verfahrensschritts (101) und somit die Startup Zeit des mikromechanischen Bauelements (1) reduziert. Somit wird vorteilhaft eine weitere Stromreduktion bzw. Energieeinsparung ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0305207 A1 [0003, 0006]
- US 2014/0266474 A1 [0003, 0006]
