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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors.
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Die Erfindung betrifft weiter einen kapazitiven MEMS-Sensor.
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Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige kapazitive MEMS-Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen MEMS-Sensor in Form eines Gyroskops erläutert.
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Stand der Technik
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Bei Gyroskopen wird eine beweglich angeordnete Masse - seismische Masse - durch eine entsprechende Steuerschaltung eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises, kurz ASIC, zu Schwingungen angeregt, und zwar bevorzugt zu Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des jeweiligen Sensorelements. Mittels Elektroden, eine auf der seismischen Masse, eine stationär, die zusammen eine Kapazität bilden, wird elektrostatische Energie auf die seismische Masse übertragen. Die Elektroden werden dabei mit einer variablen Spannung beaufschlagt. Hierzu kann beispielsweise eine getaktete Spannung verwendet werden, die der Resonanzfrequenz der schwingenden seismischen Masse entspricht.
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Das Spannungssignal wird beispielsweise durch einen Hochspannungsregelkreis bereitgestellt, um die Ladungssensitivität zu erhöhen und ein reduziertes Rauschen bei niedrigem Strom zu ermöglichen. Die Größe der Spannung ist dabei üblicherweise höher als diejenige, die durch einen Netzbetreiber bereitgestellt wird, sodass hier entsprechende Ladungspumpen zum Einsatz kommen.
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Ein derartiger Hochspannungsregelkreis ist beispielsweise aus der
US 9,006,832 B2 bekannt geworden. In der
US 9,006,832 B2 ist ein Hochspannungs-MEMS-System, das mit der Niederspannungs-Halbleiter-Prozesstechnik kompatibel ist, gezeigt, welches eine MEMS-Vorrichtung umfasst, die mit einem Hochspannungs-Biasgenerator gekoppelt ist, der eine erweiterte Spannungsisolation verwendet, die in einem Halbleiter-Substrat angeordnet ist. Das System verzichtet auf den Einsatz von Hochspannungstransistoren, so dass spezielle Hochspannungs-Verarbeitungsschritte entfallen und somit Prozesskosten und Komplexität reduziert werden. Die Prüfmöglichkeit des MEMS wird durch eine Selbsttestschaltung ermöglicht, die eine Modulation der Vorspannung und des Stroms ermöglicht, so dass externe Hochspannungsverbindungen und damit verbundene elektrostatische Entladungsschutzschaltungen entfallen können.
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Aus der
DE 11 2013 000 589 T5 ist ein MEMS-Beschleunigungssensor bekannt geworden, bei welchem eine Testmasse mit einem RC-Verzögerungsschaltkreis verbunden wird, um ein Klingeln der Testmasse zu verringern.
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Aus der
US 5,747,961 A ist ein Gyroskop bekannt geworden, bei dem ein AC-Biassignal verwendet wird, um eine konstante Ladung zu erzielen.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors bereit, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines definierten elektrischen Potentials auf einer auslenkbar angeordneten seismischen Masse des MEMS-Sensors,
- - Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung,
- - Kompensieren von durch die getaktete elektrische Steuerspannung bedingten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse durch gezieltes Laden und/oder Entladen eines an die seismische Masse angeschlossenen elektrischen Speicherelements entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen kapazitiven MEMS-Sensor bereit, umfassend
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- - eine auslenkbar angeordnete seismische Masse,
- - eine Schaltungseinrichtung zur Bereitstellung eines definierten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse,
- - eine Anregungseinrichtung zur kapazitiven Anregung der seismischen Masse zu einer Schwingungsbewegung,
- - eine Treibereinrichtung zur Bereitstellung einer getakteten elektrischen Steuerspannung, zum kapazitiven Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mittels der Anregungseinrichtung, und
- - eine Kompensationseinrichtung mit einem elektrischen Speicherelement, die mit der seismischen Masse verbunden ist, und die ausgebildet ist, durch gezieltes Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherelements entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung die durch die Steuerspannung hervorgerufenen Schwankungen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse zu kompensieren.
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Unter dem Schritt „Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse“ ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung eine Initiierung, Anregung, Antrieb oder dergleichen einer seismischen Masse zu verstehen, sodass diese eine Schwingungsbewegung durchführt. Hierbei wirken insbesondere eine oder mehrere Elektroden, welche nicht auf der seismischen Masse angeordnet sind, mit einer oder mehreren auf der seismischen Masse angeordneten Elektroden zusammen. Insbesondere kann hierbei die seismische Masse selbst als Elektrode ausgebildet sein. Durch das Zusammenwirken der Elektroden, einerseits auf der seismischen Masse, andererseits nicht auf der seismischen Masse angeordnet, werden eine oder mehrere Kapazitäten gebildet. Der Begriff „Kapazitives Anregen“ ist somit insbesondere derart zu verstehen, dass durch eine Veränderung der einen oder mehreren Kapazitäten mittels einer elektrischen Spannung an einer Elektrode eine Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfolgt oder zumindest initiiert wird.
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Unter dem Begriff „Schwankung“ in Bezug auf das elektrische Potential ist vorzugsweise in den Ansprüchen, insbesondere in der Beschreibung jedwede zeitliche Änderung der Größe des elektrischen Potentials zu verstehen. Insbesondere ist als Schwankung eine Verminderung oder Erhöhung des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse zu verstehen. Hierbei ist die Schwankung insbesondere nicht ausschließlich als Abweichung von einem vorgegebenen Mittelwert zu verstehen. Der Begriff „Schwankung“ ist somit im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich vorzugsweise in den Ansprüchen, insbesondere in der Beschreibung auf jedwede Änderung, Abweichung, Variation oder dergleichen.
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Unter dem Begriff „Überwachung“ in Bezug auf die Schwingungsbewegung der seismischen Masse ist im weitesten Sinne zu verstehen und dieser bezieht sich, insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung, auf eine zumindest teilweise kontinuierliche Detektion, Ermittlung, Sensierung oder dergleichen von die Schwingungsbewegung beschreibenden oder kennzeichnenden Größen, beispielsweise von Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder anderen zeitlich abgeleiteten Größen der Bewegung der seismischen Masse. Weiter ist der Begriff „Überwachung“ ebenfalls in Bezug auf die Schwingungsbewegung insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung so zu verstehen, dass eine Ausführung einer Aktion oder dergleichen erfolgt, falls eine vorgebbare oder vorgegebene Änderung detektiert oder ermittelt wird beziehungsweise auftritt.
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Unter dem Begriff „Regeln“ in Bezug auf Phase oder Amplitude der Schwingungsbewegung ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung eine zumindest zeitweise, insbesondere kontinuierliche Anpassung von Phase und/oder Amplitude zur Bereitstellung und/oder Aufrechterhaltung einer gewünschten, definierten oder vorgegebenen Schwingungsbewegung der seismischen Masse zu verstehen.
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Unter dem Begriff „koppeln“ eines Signals in Bezug auf die Phase der elektrischen Steuerspannung ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung ein zu oder mit der Phase der elektrischen Steuerspannung korrespondierendes erzeugtes Signal zu verstehen. Unter dem Begriff „koppeln“ in Bezug auf die Phase der elektrischen Steuerspannung ist insbesondere keine Phasenkopplung durch einen Phasenkoppler zu verstehen.
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Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf direkte Weise das Potential auf der seismischen Masse mittels einer entsprechenden getakteten Spannung konstant gehalten werden kann. Dies verringert die Anforderungen an den Hochspannungsregelkreis bezüglich Bandbreite, verringert den Bauraum des kapazitiven MEMS-Sensors insgesamt und vermindert den Stromverbrauch. Die auslenkbar angeordnete seismische Masse kann insbesondere federnd gelagert sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Schwingungsbewegung der seismischen Masse überwacht und die getaktete elektrische Steuerspannung derart angepasst, um eine definierte Schwingungsbewegung der seismischen Masse aufrechtzuhalten. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine einfache und schnell auf Änderungen reagierende Regelung der Schwingungsbewegung der seismischen Masse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden eine Phase und/oder Amplitude der Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfasst und es werden Phase und/oder Amplitude der getakteten elektrischen Steuerspannung zur Bereitstellung einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse geregelt. Damit kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise eine Regelung der Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfolgen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein mit einer Phase der getakteten elektrischen Steuerspannung gekoppeltes Steuersignal erzeugt, durch welches das gezielte Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherelements initiiert wird. Damit kann auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein entsprechend dem Takt gezieltes Laden und/oder Entladen bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die zu kompensierende Ladung auf der seismischen Masse bestimmt als Produkt aus Amplitude der Schwingungsbewegung der seismischen Masse, Größe der getakteten elektrischen Steuerspannung und einer Betätigungsempfindlichkeit der Kapazität in Abhängigkeit der Auslenkung und der Ladestrom für das elektrische Speicherelement als Produkt aus doppelter Resonanzfrequenz eines Oszillators der seismischen Masse und der zu kompensierenden Ladung. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine einfache Bestimmung der zu kompensierenden Ladung und des Ladestroms des Speicherelements.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Schaltungseinrichtung mindestens eine Ladungspumpe, die mit der seismischen Masse verbunden ist. Damit kann auf zuverlässige Weise eine Ladung und damit ein definiertes elektrisches Potential auf der seismischen Masse bereitgestellt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist die Schaltungseinrichtung ausgebildet, das elektrische Potential auf der seismischen Masse zu überwachen und entsprechend einer vorgegebenen Referenzspannung zu regeln. Damit lässt sich auf einfache Weise das elektrische Potential auf der seismischen Masse bestimmen und gegebenenfalls anpassen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Treibereinrichtung zur Bereitstellung der getakteten elektrischen Steuerspannung eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schwingungsbewegung der seismischen Masse, insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln von Änderungen einer Amplitude und/oder einer Phase der Schwingungsbewegung der seismischen Masse. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine zuverlässige Anpassung der getakteten elektrischen Steuerspannung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Treibereinrichtung zumindest einen Amplitudenregler und/oder einen Phasenregler zur Regelung von Amplitude und/der Phase der getakteten elektrischen Steuerspannung zur Aufrechterhaltung einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine flexible Anpassung der getakteten elektrischen Steuerspannung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist die Treibereinrichtung mit der Kompensationseinrichtung verbunden und diese ist ausgebildet, entsprechend dem Takt der elektrischen Steuerspannung ein Steuersignal an die Kompensationseinrichtung zu übermitteln, wobei die Kompensationseinrichtung ausgebildet ist, das gezielte Laden und/oder Entladen des Speicherelements entsprechend dem Steuersignal vorzunehmen. Vorteil hiervon ist ein schnelles, zuverlässiges und einfaches Kompensieren von Schwankungen des Potentials auf der seismischen Masse.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Kompensationseinrichtung mindestens eine Stromquelle zum Aufladen des elektrischen Speicherelements und mindestens einen Schalter zum Entladen des elektrischen Speicherelements, und wobei der mindestens eine Schalter über das Steuersignal der Treibereinrichtung betätigbar ist. Vorteil hiervon ist eine einfache Implementierung einer Kompensationseinrichtung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist das elektrische Speicherelement in Form eines passiven elektrischen Speicherelements, insbesondere eines Kondensators, ausgebildet. Vorteil hiervon ist eine besonders kostengünstige und einfache Speicherung von elektrischer Energie möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die zumindest eine Stromquelle einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang, der ausgebildet ist, eine Mehrzahl von auswählbaren Stromerzeugern bereitzustellen. Vorteil hiervon ist ein zuverlässiges und schnelles Laden des Speicherelements bei gleichzeitig kostengünstigem Aufbau.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der MEMS-Sensor in Form eines Gyroskops ausgebildet. Vorteil hiervon ist, dass ein besonders zuverlässig betreibbares und kostengünstiges Gyroskop zur Verfügung gestellt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus der dazugehörigen Figurenbeschreibung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt
- 1 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 verschiedene Formen von Spannungssignalen an unterschiedlichen Stellen in einem MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 sind die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Komponenten eines MEMS-Sensors 1 schematisch dargestellt. Der MEMS Sensor 1 umfasst eine auslenkbare angeordnete, hier federnd gelagerte seismische Masse 5a, die in mindestens einer ersten Raumrichtung zu einer Schwingungsbewegung anregbar ist und deren Auslenkungen in mindestens einer zweiten Raumrichtung kapazitiv erfassbar sind. Erste und zweite Raumrichtung können hierbei auch identisch sein. Des Weiteren umfasst der MEMS-Sensor 1 eine Schaltungseinrichtung 4 zur Bereitstellung eines definierten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a, eine Anregungseinrichtung, umfassend Treiberelektroden 20a, 21a zur kapazitiven Anregung der seismischen Masse 5a, die mit Gegenelektroden 20b, 21b auf der seismischen Masse 5a zu einer Schwingungsbewegung mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 11 zusammenwirken, eine Treibereinrichtung 2 zur Bereitstellung der getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 11 und eine Kompensationseinrichtung 3 mit einem elektrischen Speicherelement 3a. Die Kompensationseinrichtung 3 ist mit der seismischen Masse 5a verbunden und so ausgebildet, dass diese durch gezieltes Laden und/oder Entladen des Speicherelements 3a entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 11 die durch die Steuerspannung 10, 11 hervorgerufenen Schwankungen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a kompensiert werden
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Die Treibereinrichtung 2 umfasst dabei einen Messkreis mit einem Strom/Spannung-Wandler 2a, und weitere elektrische Bauelemente 2b, 2c. Die Treibereinrichtung 2 ist einerseits mit den Treiberelektroden 20a, 21a verbunden, welche mit den entsprechenden Gegenelektroden 20b, 21b auf der seismischen Masse 5a entsprechende Kapazitäten bilden. Diese dienen dazu, mittels einer entsprechenden Spannung die seismische Masse 5a zu einer insbesondere resonanten Schwingung anzuregen. Weiter ist die Treibereinrichtung 2 mit Messelektroden 22a, 23a verbunden, die zusammen mit entsprechenden Messgegenelektroden 22b, 23b auf der seismischen Masse 5a jeweils wieder Kapazitäten bilden und die dazu dienen, eine Position beziehungsweise eine Auslenkung der seismischen Masse 5a des MEMS-Elements 5 zu messen oder zu erfassen. Diese Positions- oder Auslenkungsinformation wird von einer Phasensteuereinrichtung 12 und einer Amplitudensteuereinrichtung 14 genutzt, um eine geeignete getaktete Steuerspannung 10, 11 zu erzeugen, mit der eine definierte Schwingungsbewegung der seismischen Masse 5a erzeugt beziehungsweise aufrechterhalten werden kann. Hierbei ist die Amplitudensteuereinrichtung 14 ausgebildet, eine veränderbare Spannung bereitzustellen zur Anpassung der Amplitude der Schwingung der seismischen Masse 5a.
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Die Phasensteuereinrichtung 12 dient dazu, die Schwingungsbewegung in einem vorgegebenen Takt zu halten. Mit Hilfe der Amplitudensteuereinrichtung 14 und der Phasensteuereinrichtung 12 wird ein getaktetes rechteckförmiges Steuerspannungssignal 10, 11 erzeugt, das an die Elektroden 20a, 21a angelegt wird. Darüber hinaus stellt die Phasensteuereinrichtung 12 ein Signal, insbesondere ein Pulssignal 12a, bereit, welches der Kompensationseinrichtung 3 übermittelt wird.
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Die Kompensationseinrichtung 3 weist einen Kondensator 3a auf, der mit einem Digital-Analog-Wandler 3b mit Stromausgang verbunden ist. Der Digital-Analog-Wandler 3b weist insbesondere eine Schnittstelle zur Auswahl von Stromerzeugern zum Laden des Kondensators 3a auf. Der von dem als Stromquelle fungierenden Digital-Analog-Wandler 3b gelieferte Strom, im Folgenden mit I_DAC bezeichnet, wird vorteilhafterweise an verschiedene Parameter des durch die seismische Masse 5a und deren Anregung gebildeten Oszillators angepasst, beispielsweise an eine Zielgleichgewichtsamplitudenbewegung, Resonanzfrequenz, Anregungssensitivität, einen Gütefaktor oder dergleichen. Darüber hinaus ist ein Schalter 3c angeordnet, mit dem ein Entladen des Kondensators 3a ermöglicht wird. Der Schalter 3c wird dabei durch das Pulssignal 12a der Phasensteuereinrichtung 12 derart gesteuert, dass der Kondensator 3a synchron zu der getakteten - hier rechteckförmigen - Steuerspannung für die Treiberelektroden 20a, 21a entladen wird.
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Die Schaltungseinrichtung 4 ist hier als geschlossener Regelkreis ausgebildet und umfasst eine Ladungspumpe 4a, welche eingangsseitig mit einem Fehler-Verstärker 4c verbunden ist. Dieser geschlossene Regelkreis 4 ist so ausgebildet, dass auf der seismischen Masse 5a ein definiertes elektrisches Potential bereitgestellt wird, das durch eine Referenzspannung Vref vorgegeben wird. Wie bereits oben erwähnt wirken dabei die Gegenelektroden 20b, 21 b auf der seismischen Masse 5a mit den Treiberelektroden 20a, 21a und die Messgegenelektroden 22b, 23b auf der seismischen Masse 5a mit den Messelektroden 22a, 23a zusammen. Der Fehlerverstärker 4c erzeugt ein Steuersignal für die Ladungspumpe 4a, die eine Hochspannung auf der seismischen Masse 5a des MEMS-Elements 5 bereitstellt und die über einen Spannungsteiler 4b und den Fehlerverstärker 4c eine entsprechende Rückmeldung erhält. Die Schaltungseinrichtung 4 kann in einer weiteren Ausführungsform als offenes System mit lediglich einer Ladungspumpe 4a ausgebildet sein.
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Treibereinrichtung
2, Kompensationseinrichtung
3 und geschlossener Regelkreis
4 arbeiten nun derart zusammen, dass die Ladung auf dem Kondensator
3a Qcg durch die Kompensationseinrichtung
3 während eines Taktes der Steuerspannung gleich der Ladung Qdrive ist, die benötigt wird, um das Potential auf der seismischen Masse
5a konstant zu halten, wenn die Treiberelektroden
20a,
21a durch die Treibereinrichtung
2 entsprechend getaktet mit elektrischer Spannung Vdrive beaufschlagt werden. Der durch den Digital-Analog-Wandler
3b bereitgestellte Strom I_DAC zur Ladung des Kondensators
3a kann dazu entsprechend angepasst werden:
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Hierbei entspricht
I_DAC = Stromstärke des Digital-Analog-Wandlers in [A],
fdr = MEMS-Resonanzfrequenz des durch die seismische Masse gebildeten Oszillators
in [Hz],
S_a = Betätigungsempfindlichkeit Kapazität/Auslenkung in [F/m],
xdr = Amplitude der Bewegung der seismischen Masse in [m], und
Vdrive =Treibersteuerspannung in [V].
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Durch Schließen des Schalters 3c im Takt der elektrischen Steuerspannung 10, 11 wird der Kondensator 3a entladen. Dabei fließt jeweils so viel Ladung von der seismischen Masse 5a ab, wie durch einen Anregungspuls der getakteten Steuerspannung kurzfristig zusätzlich auf die seismische Masse 5a aufgebracht wird. Bei geöffnetem Schalter 3c, also zwischen zwei Pulssignalen 12a, wird der Kondensator 3a jeweils wieder aufgeladen, und zwar mit der durch einen Steuerpuls der elektrischen Steuerspannung 10, 11 zu erwartenden Ladung Qdrive. Dadurch können Änderungen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a, die durch Steuerpulse der elektrischen Steuerspannung 10, 11 bedingt sind, kompensiert werden, und zwar unabhängig vom geschlossenen Regelkreis 4. Diese Potentialschwankungen sind dann besonders stark, wenn die Steuerpulse der elektrischen Steuerspannung 10, 11 bei maximaler Auslenkung der seismischen Masse 5a erfolgen. In jedem Fall zeigt das elektrische Potential auf der seismischen Masse 5a bedingt durch einen Steuerpuls der elektrischen Steuerspannung 10, 11 lediglich eine kurze Störung und geht dann zurück auf das Zielpotential.
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Das Verhalten der entsprechenden Spannungen ist in der nachfolgenden 2 gezeigt.
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2 zeigt verschiedene Formen von Spannungssignalen an unterschiedlichen Stellen in einem MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 sind verschiedene Signalverläufe dargestellt als Spannungen 101 über die Zeit 100, wobei die Darstellung auch die zeitliche Beziehung zwischen diesen Signalverläufen veranschaulicht. Im oberen Bereich ist der zeitliche Verlauf des Spannungssignals 10 für die Treiberelektrode 20a gezeigt, darunter folgt der zeitliche Verlauf des Spannungssignals 11 für die Treiberelektrode 21a. Wiederum darunter ist der zeitliche Verlauf des Steuersignals 12a der Phasensteuereinrichtung 12 gezeigt. Unterhalb des Verlaufs des Steuerungssignals 12a ist Verlauf der Ladespannung 13 des Kondensators 3a dargestellt und wiederum darunter ist der zeitliche Verlauf des Potentials auf der auslenkbaren seismischen Masse 5a gezeigt. Die Spannungssignale 10, 11 weisen dabei rechteckförmigen Verlauf auf, wobei diese jeweils zueinander entgegengesetzt sind, d. h. das Spannungssignal 10 ist um 180° phasenverschoben zu dem Spannungssignal 11. Die Frequenz der rechteckförmigen Spannungssignale 10, 11 entspricht dabei der Resonanzfrequenz der seismischen Masse 5a.
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Das Steuersignal 12a besteht aus kurzzeitigen Einzelpulsen bestimmter Größe, die zu jedem Flankenwechsel der rechteckförmigen Spannungssignale 10, 11 korrespondieren. Der Kondensator 3a wird bei jedem Einzelpuls des Steuersignals 12a entladen und zwischen diesen Einzelpulsen wieder aufgeladen. Dementsprechend steigt die Spannung 13 am Kondensator 3a der Kompensationseinrichtung 3 jeweils zwischen den Einzelpulsen des Steuersignals 12a an, um bei jedem Einzelpuls wieder auf null abzufallen; insgesamt ist der Verlauf der Spannung 13 sägezahnförmig. Das Potential auf der seismischen Masse 5a weist eine definierte Größe auf, steigt aber bei jedem Flankenwechsel der Steuersignale 10 und 11 „peakförmig“ an. Mittels der Kompensationseinrichtung 3 fällt das Potential auf der seismischen Masse 5a sofort wieder auf seine frühere Größe ab, was hier mit den durchgezogenen Linien dargestellt ist. Die gestrichelten Linien zeigen das Verhalten des Potentials auf der seismischen Masse 5a, wenn die Kompensationseinrichtung 3 abgeschaltet ist. In diesem Fall sinkt das Potential auf der seismischen Masse 5a erst nach einer gewissen Zeitspanne im Wesentlichen exponentiell ab, die durch die Bandbreite des geschlossenen Regelkreises 4 beschränkt ist.
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3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors gezeigt. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte.
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In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen eines definierten elektrischen Potentials auf einer auslenkbar angeordneten seismischen Masse des MEMS-Sensors.
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In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung,
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In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Kompensieren von durch die getaktete elektrische Steuerspannung bedingten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse durch gezieltes Laden und/oder Entladen eines an die seismische Masse angeschlossenen elektrischen Speicherelements entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- • Hochspannungsregelkreis muss keinen sofortigen Ladungsausgleich über seine Ladungspumpe vornehmen.
- • Niedriger Stromverbrauch des Hochspannungsregelkreises.
- • Niedrigere erforderliche Bandbreiten des Hochspannungsregelkreises.
- • Einfache Herstellung.
- • Kompakterer Bauraum.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
