DE102017216009A1 - Method for testing a micromechanical baseband sensor - Google Patents

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DE102017216009A1
DE102017216009A1 DE102017216009.8A DE102017216009A DE102017216009A1 DE 102017216009 A1 DE102017216009 A1 DE 102017216009A1 DE 102017216009 A DE102017216009 A DE 102017216009A DE 102017216009 A1 DE102017216009 A1 DE 102017216009A1
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sensor
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Amin JEMILI
Tobias Gaber
Manuel Santoro
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors (100), aufweisend die Schritte:
- Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode (CM) des Basisbandsensors (100), wobei die Masseelektrode (CM) definiert ausgelenkt wird;
- Definiert langes Warten; und
- Definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode (CM) nach Ablauf der Wartezeit (tNK).

Figure DE102017216009A1_0000
A method of testing a micromechanical baseband sensor (100), comprising the steps of:
- introducing electrostatic forces to a ground electrode (CM) of the baseband sensor (100), the ground electrode (C M ) being deflected in a defined manner;
- Defines a long wait; and
- Defined evaluation of a geometric displacement of the ground electrode (CM) after the waiting time (t NK ).
Figure DE102017216009A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors. Die Erfindung betrifft ferner einen mikromechanischen Basisbandsensor.The invention relates to a method for testing a micromechanical baseband sensor. The invention further relates to a micromechanical baseband sensor.

Stand der TechnikState of the art

Mikromechanische kapazitive Sensoren (Beschleunigungs-, Drucksensoren, usw.) werden im Normalbetrieb üblicherweise auf einer einzelnen Frequenz betrieben. Kapazitive MEMS-Beschleunigungssensoren bestehen aus recht einfach aufgebauten Strukturen. Es handelt sich hierbei letztlich um einen Plattenkondensator, der von externen Beschleunigungseinflüssen verstimmt wird.Micromechanical capacitive sensors (accelerometers, pressure sensors, etc.) are normally operated on a single frequency during normal operation. Capacitive MEMS acceleration sensors consist of fairly simple structures. This is ultimately a plate capacitor, which is detuned by external acceleration influences.

Prinzipiell lässt sich der MEMS-Beschleunigungssensor in drei Komponenten zerlegen:

  1. a) eine feststehende Masse/Kondensatorplatte
  2. b) eine mittels Federn aufgehangene Kondensatorplatte, die durch eine externe Beschleunigung geometrisch verschoben wird
  3. c) ein Gehäuse mit definiertem Innendruck, in welcher sich der Sensor befindet
In principle, the MEMS acceleration sensor can be divided into three components:
  1. a) a fixed mass / capacitor plate
  2. b) a suspended by means of springs capacitor plate, which is geometrically displaced by an external acceleration
  3. c) a housing with a defined internal pressure, in which the sensor is located

Die genannten Sensoren werden in der Regel auf ausreichenden Innendruck geprüft, dabei ist jedoch ein Einfluss von zu geringem herrschendem Innendruck in der Regel nicht oder nur mit großem Aufwand ermittelbar. Der Innendruck ließe sich zwar allgemein auch durch eine Rauschleistungsdichtemessung bestimmen, allerdings wird aufgrund von Umgebungseinflüssen (z.B. Eigenbewegung der Abgleichmaschine) eine derartige Messung herkömmlicherweise nicht durchgeführt.The sensors mentioned are usually tested for sufficient internal pressure, but an influence of insufficient internal pressure is usually not or only with great effort can be determined. Although the internal pressure could be generally determined by a noise power density measurement as well, such a measurement is conventionally not performed due to environmental influences (e.g., self-movement of the adjustment engine).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved method for testing a micromechanical baseband sensor.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors, aufweisend die Schritte:

  • - Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode des Basisbandsensors, wobei die Masseelektrode definiert ausgelenkt wird;
  • - Definiert langes Warten; und
  • - Definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode nach Ablauf der Wartezeit.
The object is achieved according to a first aspect with a method for testing a micromechanical baseband sensor, comprising the steps:
  • - Applying electrostatic forces on a ground electrode of the baseband sensor, wherein the ground electrode is deflected defined;
  • - Defines a long wait; and
  • - Defined evaluation of a geometric deflection of the ground electrode after the waiting time.

Im Ergebnis wird auf diese Weise ein indirektes Verfahren zur Ermittlung einer Rauschleistungsdichte bereitgestellt, die über ein Innendruck des Basisbandsensors ermittelt werden kann. Dabei wird eine elektrostatische Kraft erzeugt, die zur Sensorauslenkung führt, wobei danach dem Sensor Zeit gegeben wird, damit die mechanische Masse zurückschwingen kann. Aus der geometrischen Auslenkung der Masse kann auf den im Sensor herrschenden Innendruck geschlossen werden.As a result, an indirect method of detecting a noise power density which can be detected by an internal pressure of the baseband sensor is provided in this way. In this case, an electrostatic force is generated, which leads to Sensorauslenkung, after which time the sensor is given so that the mechanical mass can swing back. From the geometric deflection of the mass can be closed to the pressure prevailing in the sensor internal pressure.

Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Basisbandsensor, aufweisend:

  • - eine MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen Masseelektrode und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden, die mit der beweglichen Masseelektrode zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode zu erfassen; und
  • - einer Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, die Masseelektrode mit wenigstens zwei unterschiedlichen elektrostatischen Kräften anzusteuern und die Auslenkung der Masseelektrode nach einer definierten Wartezeit definiert auszuwerten.
The object is achieved according to a second aspect with a micromechanical baseband sensor, comprising:
  • a MEMS device having a movable ground electrode and a defined number of sense electrodes cooperatively formed with the movable ground electrode for detecting electrical charge shifts on the sense electrodes due to movement of the ground electrode; and
  • - A drive means which is adapted to drive the ground electrode with at least two different electrostatic forces and to evaluate the deflection of the ground electrode defined after a defined waiting time.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the method for testing a micromechanical baseband sensor are the subject of dependent claims.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode einen definierten Prozentsatz ihres Vollausschlags erreicht hat. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Auslenkung der Masseelektrode nach definierten mathematischen Grundsätzen definiert auszuwerten. A preferred embodiment of the method provides that the waiting is carried out until the ground electrode has reached a defined percentage of its full scale. In this way, it is advantageously possible to evaluate the deflection of the ground electrode according to defined mathematical principles.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode ca. 30% bis ca. 70%, vorzugsweise ca. 50% ihres Vollausschlags erreicht hat. Dadurch werden günstige geometrische Angaben betreffend die gemittelte Auslenkung der Masseelektrode bereitgestellt.A further preferred development of the method is characterized in that the waiting is carried out until the ground electrode has reached about 30% to about 70%, preferably about 50% of its full scale. This provides favorable geometric information regarding the average deflection of the ground electrode.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eine Auslenkung der Masseelektrode nach der definierten Wartezeit in einen Innendruck des Basisbandsensors umgerechnet wird. Auf diese Weise kann eine effiziente Überprüfung des Innendrucks des mikromechanischen Basisbandsensors durchgeführt werden, der im Normalbetrieb einen wichtigen Parameter darstellt.A further preferred embodiment of the method is characterized in that a deflection of the ground electrode after the defined waiting time is converted into an internal pressure of the baseband sensor. In this way, an efficient check of the internal pressure of the micromechanical baseband sensor can be carried out, which represents an important parameter during normal operation.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren von einem Anwender zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Nutzung des Basisbandsensors initiiert werden kann. Dadurch wird einem Anwender vorteilhaft die Möglichkeit geboten, das vorschlagen Verfahren zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs des mikromechanischen Basisbandsensors durchzuführen. Eine schnelle Analyse des Basisbandsensors ist diese Weise vorteilhaft unterstützt.A further preferred embodiment of the method provides that the method can be initiated by a user at any time during the use of the baseband sensor. This advantageously offers the user the option of proposing methods at any time during the operation of the micromechanical baseband sensor. A quick analysis of the baseband sensor is favorably supported this way.

Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sehen vor, dass das Verfahren für einen kapazitiven Beschleunigungssensor oder einen kapazitiven Drucksensor durchgeführt wird. Auf diese Weise werden nützliche Anwendungsfälle für das Verfahren bereitgestellt.Further advantageous embodiments of the method provide that the method for a capacitive acceleration sensor or a capacitive pressure sensor is performed. This provides useful use cases for the method.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Identical or functionally identical elements have the same reference numerals therein. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.

Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Basisbandsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors ergeben und umgekehrt.Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical baseband sensor result analogously from corresponding embodiments, features and technical advantages relating to the method for testing a micromechanical baseband sensor and vice versa.

In den Figuren zeigt:

  • 1 eine prinzipielle Darstellung eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors;
  • 2 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines Messens mittels eines konventionellen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors;
  • 3 ein zeitliches Diagramm zum Erläutern eines vorgeschlagenen Prüfens eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors; und
  • 4 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Prüfen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Basisbandsensors.
In the figures shows:
  • 1 a schematic representation of a conventional micromechanical capacitive acceleration sensor;
  • 2 a timing diagram for explaining a measurement by means of a conventional micromechanical capacitive acceleration sensor;
  • 3 a timing diagram for explaining a proposed testing of a micromechanical capacitive acceleration sensor; and
  • 4 a basic sequence of an embodiment of a method for testing a proposed micromechanical baseband sensor.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt ein prinzipielles Schaltbild eines konventionellen mikromechanischen Basisbandsensors 100 in Form eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors. Man erkennt eine MEMS-Einrichtung 10 mit einer beweglichen Masseelektrode CM, die entlang einer x-Achse beweglich ist. Man erkennt ferner Ausleseelektroden C0N, C0P, zwischen denen ein Kamm der Masseelektrode CM beweglich ist. Es versteht sich von selbst, dass es sich hierbei nur um eine schematische Darstellung handelt und dass in der Praxis wesentlich mehr Ausleseelektroden C0N, C0P vorgesehen sind. 1 shows a schematic diagram of a conventional micromechanical baseband sensor 100 in the form of a micromechanical capacitive acceleration sensor. One recognizes a MEMS device 10 with a movable ground electrode CM which is movable along an x-axis. It also recognizes readout electrodes C0N . c0p between which a crest of the ground electrode CM is mobile. It goes without saying that this is only a schematic representation and that in practice significantly more readout electrodes C0N . c0p are provided.

Im Ergebnis wird durch das Bewegen der Masseelektrode CM zwischen den Ausleseelektroden C0N, C0P die Kapazität zwischen den Ausleseelektroden C0N, C0P und der Masseelektrode CM beeinflusst und es können elektrische Ladungen über Verbindungsleitungen 12, 13 in Form eines elektrischen Stroms an eine Auswerteschaltung 21 einer Ansteuer- bzw. Auswerteeinrichtung 20 übertragen werden.As a result, by moving the ground electrode CM between the readout electrodes C0N . c0p the capacitance between the readout electrodes C0N . c0p and the ground electrode CM influenced and There may be electrical charges via connecting lines 12 . 13 in the form of an electrical current to an evaluation circuit 21 a control or evaluation 20 be transmitted.

Idealerweise bilden die Masseelektrode CM und die Ausleseelektroden C0N, C0P einen idealen Plattenkondensator, der im Falle eines Beschleunigungssensors von externen Beschleunigungseinflüssen verstimmt wird. Für eine gewöhnliche Beschleunigungsmessung befinden sich die Ausleseelektroden C0N, C0P auf einem festen elektrischen Potential VBIAS, während die Masseelektrode CM mit einer alternierenden elektrischen Spannung VCM beaufschlagt wird, wobei der resultierende elektrische Ladungsfluss gemessen und zur Ermittlung eines Beschleunigungswerts ausgewertet wird.Ideally form the ground electrode CM and the readout electrodes C0N . c0p an ideal plate capacitor, which is detuned in the case of an acceleration sensor from external acceleration influences. For an ordinary acceleration measurement are the readout electrodes C0N . c0p at a fixed electrical potential V BIAS , while the ground electrode CM is applied with an alternating voltage VCM, wherein the resulting electric charge flow is measured and evaluated to determine an acceleration value.

Durch die elektrischen Auslösespannungen ergibt sich folgende elektrostatische Kraft: F e l e c = 1 2 C 1 d 1 ( V C 0 N V C M ) 2 1 2 C 2 d 2 ( V C 0 P 0 ) 2 = 1 2 C 2 d 2 V DISPLACE 2

Figure DE102017216009A1_0001
The electrical release voltages result in the following electrostatic force: F e l e c = 1 2 C 1 d 1 ( V C 0 N - V C M ) 2 - 1 2 C 2 d 2 ( V C 0 P - 0 ) 2 = - 1 2 C 2 d 2 V DISPLACE 2
Figure DE102017216009A1_0001

Dies bedeutet, dass im Normalbetrieb durch die Gleichheit der elektrischen Spannungen an den Ausleseelektroden C0N, C0P zwei entgegengesetzt gleiche Kräfte generiert werden, die sich gegenseitig aufheben und dadurch im Normalbetrieb des Basisbandsensors 100 keinerlei Einfluss haben.This means that in normal operation by the equality of the electrical voltages at the readout electrodes C0N . c0p two oppositely equal forces are generated, cancel each other out and thereby in normal operation of the baseband sensor 100 have no influence.

Im Normalbetrieb ist die Auslenkung also in erster Näherung unabhängig von internen elektrostatischen Kräften, somit dominiert von der Federkonstante, nach welcher gilt: F A C C = K * Δ x = M a s s e ( C M ) * a

Figure DE102017216009A1_0002
mit den Parametern:

FACC
durch externe Beschleunigung aufgebrachte Kraft
K
Federkonstante
Δx
geometrische Auslenkung der Masseelektrode CM
Masse(CM)
physikalische Masse der Masseelektrode CM
a
externe zu messende Beschleunigung
In normal operation, the deflection is thus, to a first approximation, independent of internal electrostatic forces, thus dominated by the spring constant, according to which: F A C C = K * Δ x = M a s s e ( C M ) * a
Figure DE102017216009A1_0002
with the parameters:
F ACC
force applied by external acceleration
K
spring constant
Ax
geometric deflection of the ground electrode CM
Mass (CM)
physical mass of the ground electrode CM
a
external acceleration to be measured

Eine Selbsttestfunktionalität, wie sie in herkömmlichen Beschleunigungssensoren realisiert ist, arbeitet nach folgendem Prinzip:

  1. (i) Ausüben einer asymmetrischen elektrostatischen Kraft auf den Sensor
  2. (ii) Vermessen der daraus resultierenden Bewegung der Masseelektrode CM
Self-test functionality, as implemented in conventional acceleration sensors, works according to the following principle:
  1. (i) applying an asymmetric electrostatic force to the sensor
  2. (ii) measuring the resulting movement of the ground electrode CM

2 zeigt eine gemäß dem genannten Prinzip ausgebildete, prinzipielle zeitliche Sensor-Anregungs- und Messsequenz: 2 shows a principal time sensor excitation and measurement sequence designed according to the above principle:

Dargestellt sind zeitliche Verläufe von elektrischen Spannungen an den Ausleseelektroden C0N, C0P und an der Masseelektrode CM des mikromechanischen Basisbandsensors 100.Shown are time profiles of electrical voltages at the readout electrodes C0N . c0p and at the ground electrode CM of the micromechanical baseband sensor 100 ,

Man erkennt in der 2 zwei Anregungsphasen A und eine Messphase M, wobei die Messphase M zeitlich unmittelbar an die erste Anregungsphase A anschließt. In den Anregungsphasen A werden die Ausleseelektroden C0N, C0P auf GND- bzw. auf VDISLACE-Potential gelegt und die Masseelektrode CM wird auf GND-Potential gelegt. In der Messphase M werden die Ausleseelektroden C0N, C0P mit dem Potential VBIAS beaufschlagt und es wird auf die Masseelektrode CM ein Auslesesignal VREAD gelegt.One recognizes in the 2 two excitation phases A and a measurement phase M , where the measurement phase M temporally directly to the first excitation phase A followed. In the excitation phases A, the readout electrodes C0N . c0p placed on GND or on V DISLACE potential and the ground electrode CM is set to GND potential. In the measuring phase M, the readout electrodes C0N . c0p is applied to the potential VBIAS and it is applied to the ground electrode CM a readout signal VREAD placed.

In der Anregungsphase A wirkt auf die Masseelektrode CM eine auslenkende Kraft gemäß folgender mathematischer Beziehung: F e l e c = 1 2 C 1 d 1 ( 0 ) 2 1 2 C 2 d 2 ( V D I S P L A C E 0 ) 2 = 1 2 C 2 d 2 V DISPLACE 2

Figure DE102017216009A1_0003
mit den Parametern:

Felec
auslenkende elektrostatische Kraft
VDISPLACE .
effektive elektrische Auslenkspannung
d1, d2
Abstände der Ausleseelektroden von der Masseelektrode
C1, C2
skalierende Konstanten
In the excitation phase A acts on the ground electrode CM a deflecting force according to the following mathematical relationship: F e l e c = 1 2 C 1 d 1 ( 0 ) 2 - 1 2 C 2 d 2 ( V D I S P L A C e - 0 ) 2 = - 1 2 C 2 d 2 V DISPLACE 2
Figure DE102017216009A1_0003
with the parameters:
F elec
deflecting electrostatic force
V DISPLACE .
effective electrical deflection voltage
d1, d2
Distances of the readout electrodes from the ground electrode
C1, C2
scaling constants

Die Kraft wird, bedingt durch die Federkonstante der Federn, mit denen die Masseelektrode CM des Basisbandsensors 100 aufgehangen ist, eine entsprechende geometrische Auslenkung der Masseelektrode CM erzwingen, welche wiederum durch die elektronische Auswerteeinrichtung 20 des Basisbandsensors 100 vermessen wird.The force is due to the spring constant of the springs, with which the ground electrode CM of the baseband sensor 100 suspended, a corresponding geometric deflection of the ground electrode CM force, which in turn by the electronic evaluation device 20 of the baseband sensor 100 is measured.

Es wird also die Messung der elektrostatischen Auslenkung herkömmlich unmittelbar nach der Anregung durchgeführt, wobei dies erforderlich ist, um ein Rückschwingen des Basisbandsensors 100 in seine „elektrostatisch unangeregte Grundposition“ zu verhindern.Thus, the electrostatic deflection measurement is conventionally performed immediately after the excitation, which is required to cause the baseband sensor to reverberate 100 into his "electrostatically unrestrained basic position".

Nachteilig bei dieser Herangehensweise ist, dass auf diese Weise nicht erkennbar ist, ob ein korrekter Innendruck innerhalb des mikromechanischen Basisbandsensors 100 vorherrscht. Beispielsweise könnte nämlich der Fall eintreten, dass aufgrund eines Fehlers im Herstellungsprozess beim Verschließen (engl. sealing) des Basisbandsensors 100 der Innendruck vermindert ist, was im Ergebnis fehlerhafte Betriebseigenschaften des Basisbandsensors 100 nach sich zieht.A disadvantage of this approach is that it can not be seen in this way, whether a correct internal pressure within the micromechanical baseband sensor 100 prevails. For example, it could happen that due to an error in the manufacturing process in sealing the baseband sensor 100 the internal pressure is reduced, resulting in erroneous operating characteristics of the baseband sensor 100 pulls.

Vorgeschlagen wird daher, dass das Vermessen der Masseelektrode CM des Basisbandsensors 100 nicht sofort anschließend an die Anregungsphase A durchgeführt wird, sondern erst nach Abwarten einer einstellbaren Nullkraftzeit TNK .It is therefore proposed that the measurement of the ground electrode CM of the baseband sensor 100 not immediately after the excitation phase A is performed, but only after waiting for an adjustable zero force time T NK ,

3 zeigt eine prinzipielle Darstellung des vorgeschlagenen Prinzips. Man erkennt, dass nunmehr nach der ersten Anregungsphase A eine so genannte Nullkraftzeit TNK abgewartet wird, in der die Masseelektrode CM nach ihrer Auslenkung bis zu einem definierten Grad ihrer Maximalauslenkung zurückschwingen kann. Diese ist für Sensoren individuell ausgebildet, es wurde festgestellt, die Nullkraftzeit TNK derart lange sein sollte, dass die Masseelektrode CM in dieser Zeit auf ca. 30 % bis ca. 70 %, vorzugsweise auf ca. 50% ihres Maximalausschlags zurückschwingen kann. Zu beachten ist, dass die Nullkraftzeit TNK in 3 nicht maßstabsgetreu aufgetragen ist, sie sollte vorzugsweise wenigstens ca. das Fünfzigfache der Messzeit M betragen. 3 shows a schematic representation of the proposed principle. It can be seen that now after the first excitation phase A a so-called zero-force time T NK is waited, in which the earth electrode CM after its deflection can swing back to a defined degree of its maximum deflection. This is designed individually for sensors, it was determined the zero force time T NK should be so long that the ground electrode CM in this time can swing back to about 30% to about 70%, preferably to about 50% of their maximum excursion. It should be noted that the zero force time T NK in 3 is not true to scale, it should preferably be at least about fifty times the measurement time M.

Erst danach wird in der Messphase M die geometrische Auslenkung der Masseelektrode CM ausgewertet. Die entsprechende Übertragungsfunktion des Basisbandsensors 100 ist dabei hinreichend genau beschrieben durch eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung mit starker Dämpfung, wobei sich eine Zeitantwort eines derartigen Systems mathematisch wie folgt beschreiben lässt: x ( t ) = C 1 × e β 1 × t + C 2 × e β 2 × t

Figure DE102017216009A1_0004
β 1,2 = δ ± δ 2 ω 0 2 ,   δ ω 0
Figure DE102017216009A1_0005
mit den Parametern:

t
Zeit
x
Geometrische Auslenkung
C1, C2
Konstanten zur Skalierung
β
Rechengröße zusammengesetzt aus Eigenkreisfrequenz und Dämpfung („Systemdynamik“)
ω0
Eigenkreisfrequenz des ungedämpften Systems
δ
Abklingkonstante
Only then will be in the measurement phase M the geometric deflection of the ground electrode CM evaluated. The corresponding transfer function of the baseband sensor 100 is described with sufficient accuracy by a second-order transfer function with strong damping, wherein a time response of such a system can be described mathematically as follows: x ( t ) = C 1 × e β 1 × t + C 2 × e β 2 × t
Figure DE102017216009A1_0004
β 1.2 = - δ ± δ 2 - ω 0 2 . δ > ω 0
Figure DE102017216009A1_0005
with the parameters:
t
Time
x
Geometric deflection
C 1 , C 2
Constants for scaling
β
Calculated variable composed of natural angular frequency and damping ("system dynamics")
ω 0
Natural angular frequency of the undamped system
δ
decay constant

Die Abklingkonstante δ ist ein Maß für die Dämpfung der Eigenkreisfrequenz des ungedämpften Systems. Damit kann durch die geeignete Dimensionierung der Nullkraftzeit TNK unter Verwendung der obigen Gleichungen (4), (5) mit t = TNK der Innendruck des mikromechanischen Basisbandsensors ermittelt werden.The decay constant δ is a measure of the damping of the natural angular frequency of the undamped system. Thus, by the appropriate dimensioning of the zero force time T NK using the above equations (4), (5) with t = T NK, the internal pressure of the micromechanical base band sensor can be determined.

Sowohl dynamische Eigenschaften als auch das Brown'sche Rauschen im Basisbandsensor werden maßgeblich durch den Innendruck des Basisbandsensors bestimmt.Both dynamic properties and Brownian noise in the baseband sensor are largely determined by the internal pressure of the baseband sensor.

Das vorgeschlagene Messverfahren erlaubt es, einen Selbsttest für den Basisbandsensor zu implementieren, der den Basisbandsensor hinsichtlich eines veränderten Innendrucks hin prüfen kann. Somit ist eine zuverlässige Funktionalität des Sensorbetriebs vorteilhaft unterstützt.The proposed measuring method makes it possible to implement a self-test for the baseband sensor which can check the baseband sensor for a changed internal pressure. Thus, reliable functionality of the sensor operation is advantageously supported.

Weiterhin ist dieses Verfahren dienlich für eine Identifikation von fehlerhaft produzierten MEMS im Rahmen einer End-Messung, in welcher die Teile kalibriert und auf ihre Funktion hin geprüft werden.Furthermore, this method is useful for identification of defective produced MEMS in a final measurement in which the parts are calibrated and tested for their function.

Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren von einem Anwender zu jeder beliebigen Zeit im Betrieb des Basisbandsensors initiiert werden, sodass der Anwender einen schnellen Überblick über die ordnungsgemäße Funktionalität des Basisbandsensors erhält. Dies ist insbesondere wichtig bei Anwendungen betreffen virtuelle Realität (engl. virtual reality), bei denen es erforderlich ist, dass der mikromechanische Beschleunigungssensor sehr schnell auf äußere Beschleunigungen reagiert.Advantageously, the proposed method can be initiated by a user at any time in the operation of the baseband sensor, giving the user a quick overview of the proper functionality of the baseband sensor. This is especially important in applications involving virtual reality, where the micromechanical acceleration sensor is required to respond very quickly to external accelerations.

Denkbar ist auch, das vorgeschlagene Messverfahren automatisiert während eines normalen Betriebs, periodisch in geeigneten Zeitabständen oder ausschließlich nach einem Systemstart des mikromechanischen Basisbandsensors 100 einmalig durchzuführen.It is also conceivable, the proposed measurement method automated during normal operation, periodically at appropriate intervals or exclusively after a system start of the micromechanical baseband sensor 100 perform once.

Vorteilhaft lässt sich das vorgeschlagene Verfahren sowohl per Hardware als auch per Software steuern.Advantageously, the proposed method can be controlled both by hardware and by software.

4 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors 100. 4 shows a basic sequence of a proposed method for testing a micromechanical baseband sensor 100 ,

In einem Schritt 200 wird ein Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode CM des Basisbandsensors 100 durchgeführt, wobei die Masseelektrode CM definiert ausgelenkt wird.In one step 200 becomes an introduction of electrostatic forces on a ground electrode CM of the baseband sensor 100 performed, wherein the ground electrode C M is deflected defined.

In einem Schritt 210 wird definiert lange gewartet.In one step 210 is maintained for a long time.

In einem Schritt 220 ein definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode CM nach Ablauf der Wartezeit tNK durchgeführt.In one step 220 a defined evaluation of a geometric deflection of the ground electrode CM after expiry of the waiting period t NK carried out.

Obwohl vorgehend das vorgeschlagene Verfahren ausschließlich im Zusammenhang mit einem kapazitiven mikromechanischen Beschleunigungssensor beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass das Verfahren auch für andere Arten von mikromechanischen Basisbandsensoren (d.h. Sensoren ohne interne mechanische Anregung), wie zum Beispiel Drucksensoren, kapazitive und resistive Sensoren verwendet werden kann, bei denen ein mikromechanisches Massenelement definiert ausgelenkt werden kann.Although the proposed method has been described above solely in connection with a capacitive micromechanical acceleration sensor, it goes without saying that the method also applies to other types of micromechanical baseband sensors (ie sensors without internal mechanical excitation), such as pressure sensors, capacitive and resistive sensors can be used, in which a micromechanical mass element can be deflected defined.

Der Fachmann kann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.The person skilled in the art can also realize embodiments of the invention which are not disclosed or are only partially disclosed, without deviating from the gist of the invention.

Claims (10)

Verfahren zum Prüfen eines mikromechanischen Basisbandsensors (100), aufweisend die Schritte: - Einbringen von elektrostatischen Kräften auf eine Masseelektrode (CM) des Basisbandsensors (100), wobei die Masseelektrode (CM) definiert ausgelenkt wird; - Definiert langes Warten; und - Definiertes Auswerten einer geometrischen Auslenkung der Masseelektrode (CM) nach Ablauf der Wartezeit (tNK).A method of testing a micromechanical baseband sensor (100), comprising the steps of: - applying electrostatic forces to a ground electrode (CM) of the baseband sensor (100), the ground electrode (C M ) being deflected in a defined manner; - Defines a long wait; and - Defined evaluation of a geometric deflection of the ground electrode (CM) after the expiration of the waiting time (t NK ). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode (CM) einen definierten Prozentsatz ihres Vollausschlags erreicht hat.Method according to Claim 1 wherein the waiting is carried out until the ground electrode (C M ) has reached a defined percentage of its full scale. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Warten so lange durchgeführt wird, bis die Masseelektrode (CM) ca. 30% bis ca. 70%, vorzugsweise ca. 50% ihres Vollausschlags erreicht hat. Method according to Claim 1 or 2 wherein the waiting is carried out until the ground electrode (C M ) has reached about 30% to about 70%, preferably about 50% of its full scale. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auslenkung der Masseelektrode (CM) nach der definierten Wartezeit in einen Innendruck des Basisbandsensors umgerechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a deflection of the ground electrode (C M ) after the defined waiting time is converted into an internal pressure of the baseband sensor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren von einem Anwender zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Nutzung des Basisbandsensors (100) initiiert werden kann.The method of any one of the preceding claims, wherein the method may be initiated by a user at any time during use of the baseband sensor (100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren für einen kapazitiven Basisbandsensor durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out for a capacitive baseband sensor. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren für einen kapazitiven Beschleunigungssensor verwendet wird.Method according to Claim 6 The method is used for a capacitive acceleration sensor. Mikromechanischer Basisbandsensor (100), aufweisend: - eine MEMS-Einrichtung mit einer beweglichen Masseelektrode (CM) und einer definierten Anzahl von Ausleseelektroden (C0N, C0P), die mit der beweglichen Masseelektrode (CM) zusammenwirkbar ausgebildet werden, um elektrische Ladungsverschiebungen auf den Ausleseelektroden (C0N, C0P) aufgrund einer Bewegung der Masseelektrode (CM) zu erfassen; und - einer Ansteuereinrichtung (20), die ausgebildet ist, die Masseelektrode (CM) mit wenigstens zwei unterschiedlichen elektrostatischen Kräften anzusteuern und die Auslenkung der Masseelektrode (CM) nach einer definierten Wartezeit definiert auszuwerten.Micromechanical baseband sensor (100), comprising: - A MEMS device having a movable ground electrode (CM) and a defined number of readout electrodes (C0N, C0P), which are cooperatively formed with the movable ground electrode (CM) to electrical charge shifts on the readout electrodes (C0N, C0P) due to movement to detect the ground electrode (CM); and - A drive device (20) which is designed to control the ground electrode (CM) with at least two different electrostatic forces and to evaluate the deflection of the ground electrode (CM) defined after a defined waiting time. Mikromechanischer Basisbandsensor (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mikromechanische Basisbandsensor (100) ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor oder ein mikromechanischer Drucksensor ist.Micromechanical baseband sensor (100) after Claim 8 , characterized in that the micromechanical baseband sensor (100) is a micromechanical capacitive acceleration sensor or a micromechanical pressure sensor. Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Anspruche 1 bis 7, wenn es auf einer elektronischen Ansteuereinrichtung (20) abläuft oder auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist.Computer program product for carrying out the method according to one of Claims 1 to 7 when running on an electronic driver (20) or stored on a computer-readable storage medium.
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