DE102019217333A1

DE102019217333A1 - Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte eines Sensorsystems

Info

Publication number: DE102019217333A1
Application number: DE102019217333.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Brueckner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-05-12
Also published as: US20210139318A1; US11945715B2; CN112781640A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren 100 zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Mess-werte eines Sensorsystems 800, wobei das Sensorsystem 800 mindestens umfasst: eine Sensoreinheit 803 zur Erfassung von Messwerten XV einer Sensormessgröße X, eine Temperatursensoreinheit 805 zum Erfassen der Temperatur TV der Sensoreinheit 803 und eine Signalverarbeitungseinheit 807 zur Bestimmung mindestens eines Temperaturkompensationsparameters und zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte XV der Sensoreinheit 803; wobei das Verfahren umfasst: Überwachen der Messsituation der Sensoreinheit 803 und Bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße X bekannt ist, Überwachen der Temperatur TV der Sensoreinheit 803 und Bestimmen, ob die aktuelle Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 liegt,o Erfassen von mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten TV1, TV2 innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 und Erfassen der jeweils zugehörigen Messwerte XV1, XV2 der Sensormessgröße X, wenn die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht; Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters TC auf Basis des mindestens einen Referenz-Messwerts der Sensormessgröße X, der mindestens zwei unterschiedlichen Temperatur-werten TV1, TV2 und der zugehörigen Messwerte XV1, XV2 der Sensormessgröße X.Die Erfindung betrifft ferner ein Sensorsystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte eines Sensorsystems. Die Erfindung betrifft ferner ein MEMS-Sensorsystem, das ausgebildet ist, das Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Die fortlaufende Miniaturisierung von Sensorflächen bekannter Sensorsysteme, insbesondere MEMS-Sensorsysteme, ziehen technische Herausforderungen mit sich, wie beispielsweise die Integration von Mikrocontrollern in das Sensorsystem zur Abdeckung unterschiedlicher Anwendungsszenarien, oder eine bauteilindividuelle Korrektur von temperaturbedingten Offset- und Sensitivitätsungenauigkeiten der Sensormessergebnisse.
Temperatureinflüsse der Sensoreinheiten können zu temperaturbedingten Ungenauigkeiten der Messergebnisse der Sensoreinheiten führen. Derzeit können solche Ungenauigkeiten durch Abgleiche der Messergebnisse entsprechender Sensorsysteme für vereinzelte Temperaturstützstellen mit Messergebnissen geeigneter Referenzsensorsysteme, die als Referenzwerte dienen, korrigiert werden. Derartige Abgleiche mit Referenzsensorsystemen vernachlässigen aber den Einfluss individueller Faktoren, wie beispielsweise fertigungsbedingter individueller Eigenschaften einzelner Sensorsysteme, die zu zusätzlichen Messungenauigkeiten führen können.
Kostenbedingt können derzeit Messungen zur Korrektur temperaturbedingter Messungenauigkeiten während der Fertigung im Werk ausschließlich zu vereinzelten Temperaturstützstellen vorgenommen werden. Derartige Messungen zu lediglich vereinzelten Temperaturstützstellen sind jedoch nicht ausreichend, um eine umfassende Korrektur erreichen zu können.
Es besteht daher die Notwendigkeit einer individuellen und auf einzelne Systeme anpassbaren Korrektur temperaturbedingter Messungenauigkeiten, die aufgrund der Berücksichtigung individueller Faktoren und einer hohen Anzahl von Temperaturstützstellen den Anforderungen an aktuelle Sensorsysteme entspricht.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein effizientes Verfahren zur adaptiven Kompensation der Temperatureinflüsse auf die Messwerte eines Sensorsystems und ein entsprechendes Sensorsystem bereitzustellen, das ausgebildet ist, ein solches Verfahren durchzuführen.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte eines Sensorsystems bereitgestellt, wobei das Sensorsystem mindestens umfasst:

a. eine Sensoreinheit zur Erfassung von Messwerten einer Sensormessgröße,
b. eine Temperatursensoreinheit zum Erfassen der Temperatur der Sensoreinheit und
c. eine Signalverarbeitungseinheit zur Bestimmung mindestens eines Temperaturkompensationsparameters und zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte der Sensoreinheit;

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft die Möglichkeit, im laufenden Betrieb, d.h. in der Anwendungssituation, bauteilspezifische Temperaturkompensationsparameter zu bestimmen und, falls gewünscht, immer wieder zu aktualisieren. Auf Basis dieser Temperaturkompensationsparameter kann dann eine Kompensation der Temperatureinflüsse auf die Messwerte vorgenommen werden, die sowohl dem bauteilspezifischen Verhalten als auch Veränderungen über Lebenszeit Rechnung trägt. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt also eine Alternative oder zumindest eine Ergänzung zur werkseitigen Kalibrierung des Sensorsystems dar.
Auf diese Weise kann auch eine Anpassung von initialen Temperaturkompensationsparametern des Sensorsystems durchgeführt werden, die werkseitig, also vor der Inbetriebnahme des Sensorsystems in der Anwendungssituation bestimmt worden sind.
Durch die wiederholte Korrektur und Anpassung der Temperaturkompensationsparameter der Sensoreinheiten des Sensorsystems kann eine hohe Messgenauigkeit des Sensorsystems erreicht werden. Beispielsweise kann durch die mehrfach wiederholte Korrektur und Anpassung der Temperaturkompensationsparameter eine zeitliche Varianz des Temperaturverhaltens des Sensorsystems ausgeglichen werden. So können sich beispielsweise über einen Zeitraum die Bedingungen im Gesamtsystem ändern, beispielsweise durch mechanische Spannungen im Aufbau des Sensorsystems, was zu einem geänderten Temperaturverhalten führen kann.
Darüber hinaus kann das Verfahren zum Bestimmen von Temperaturkompensationsparametern für ein Sensorsystem durch das Sensorsystem selbstständig durchgeführt werden, wenn dieses bereits an seinem Bestimmungsort verbaut ist. Da hierbei auch die montage- und umgebungsbedingten Einflüsse berücksichtigt werden, lässt sich auf Basis dieser Temperaturkompensationsparameter eine bessere Kompensation der Temperatureinflüsse auf die Messwerte erzielen, als auf Basis der werkseitig bestimmten Temperaturkompensationsparameter. Zudem sind der werkseitigen Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter aus Zeit- und Kostengründen Grenzen gesetzt, so dass hier immer nur das Temperaturverhalten einer Referenzgruppe an Sensoreinheiten berücksichtigt wird, nicht aber das individuelle Temperaturverhalten einer jeden Sensoreinheit. Werkseitige, individuelle Kalibrierungen einzelner Sensorsysteme an entsprechenden Messständen sind derzeit technisch zwar möglich. Aufgrund der hohen Kosten, die ein derartig zeitintensiver Schritt nach Beendigung der Fertigung der jeweiligen Sensorsysteme verursachen würde, stellt dies jedoch keine wirtschaftliche Lösung dar. Folglich werden Sensorsysteme derzeit werkseitig lediglich auf Basis von Ergebnissen entsprechender Referenzmessreihen, die an Referenzgruppen repräsentativer Sensorsysteme durchgeführten wurden, kalibriert, indem die für die Referenzgruppen ermittelten Parameter lediglich auf die zu kalibrierenden Sensorsysteme übertragen werden. Individuelle Faktoren, die das Messverhalten eines Sensorsystems beeinflussen können, bleiben so aber unberücksichtigt.
Das Verfahren zum Bestimmen eines Temperaturkompensationsparameters von Messwerten für ein Sensorsystem kann von dem Nutzer zu individuell bestimmten Zeiten durchgeführt werden oder nach einem vorbestimmten und in der Signalverarbeitungseinheit abgespeicherten Zeitplan automatisch durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Verfahren bei einer erstmaligen Installation des Sensorsystems am Zielort des Systems durchgeführt werden. Wahlweise kann das Verfahren auch wiederholt über die gesamte Lebensdauer des Sensorsystems nach einem vorbestimmten Zeitplan durchgeführt werden. Wahlweise kann das Verfahren auch nach Eintreten vorbestimmter Bedingungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann nach Überschreiten einer Temperaturobergrenze oder nach Unterschreiten einer Temperaturuntergrenze eine Kalibrierung des Sensorsystems mittels des Verfahrens zum Bestimmen eines Temperaturkompensationsparameters durchgeführt werden. Es sind neben den genannten Temperaturgrenzen auch weitere Parameter mit entsprechenden Grenzwerten denkbar, deren Erreichen oder Überschreiten ein automatisches Durchführen des Verfahrens auslösen. Alternativ kann das Verfahren in jedem Startprozess des Sensorsystems, bei dem das Sensorsystem aus einem Ruhezustand in einen Betriebszustand aufgefahren wird, durchgeführt werden.
Hierzu wird die Messsituation der Sensoreinheit überwacht und überprüft, ob die aktuelle Messsituation der Sensoreinheit einer Referenz-Messsituation der Sensoreinheit entspricht.
Eine Messsituation der Sensoreinheit beschreibt den Zustand, in der sich die Sensoreinheit befindet. Bei einem Inertial-Sensor kann die Messsituation beispielsweise umfassen, ob sich die Sensoreinheit in einer Ruhelage befindet oder eine Beschleunigung erfährt. Bei Sensoreinheiten anderer Art kann die jeweilige Messsituation entsprechend variieren.
Eine Referenz-Messsituation einer Sensoreinheit beschreibt einen Referenzzustand einer Sensoreinheit gleichen Typs, wobei für den Referenzzustand beziehungsweise die Referenz-Messsituation Messwerte einer Sensormessgröße für eine Sensoreinheit gleichen Typs als Referenzwerte bekannt sind.
Weiter wird die Temperatur der Sensoreinheit überwacht und bestimmt, ob die Temperatur der Sensoreinheit innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs liegt, nämlich insbesondere innerhalb des Temperaturbereichs, für den eine Bestimmung von Temperaturkompensationsparametern durchgeführt werden soll. Der vorbestimmte Temperaturbereich kann von der Art der jeweiligen Sensoreinheit und von der Art der jeweiligen intendierten Verwendung der Sensoreinheit abhängen.
Entspricht die Messsituation der Sensoreinheit einer Referenzmesssituation und befindet sich die Temperatur der Sensoreinheit in dem vorbestimmten Temperaturbereich, so erfasst die Temperatursensoreinheit den Temperaturwert und die Sensoreinheit den zugehörigen Messwert. Diese Temperatur- und Messwerterfassung muss mindestens zweimal durchgeführt werden, wenn sich die Sensoreinheit in der Referenz-Messsituation befindet, und zwar bei unterschiedlichen Temperaturen, so dass mindestens zwei Messwerte der Sensoreinheit in der Referenz-Messsituation aber bei unterschiedlichen Temperaturen vorliegen.
Auf Basis der wenigstens zwei erfassten Temperaturwerte, der wenigstens zwei erfassten Messwerte der Sensormessgröße und des wenigstens eines Referenzwerts der Sensormessgröße für die Referenz-Messsituation wird mindestens ein Temperaturkompensationsparameter bestimmt.
Ein Temperaturkompensationsparameter kann beispielsweise ein Parameter eines Models oder einer mathematischen Funktion sein, mittels dem oder mittels der ein Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Beispielsweise kann ein Temperaturkompensationsparameter eine Steigung oder ein Achsenabschnitt einer linearen Funktion sein, mittels der ein linearer Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Alternativ kann ein Temperaturkompensationsparameter ein Koeffizient einer Polynomfunktion sein, mittels der ein nicht-linearer Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Alternativ kann ein Temperaturkompensationsparameter ein Parameter oder Koeffizient eines komplexeren Models sein, mittels dem ein Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Demnach ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Temperaturkompensationsparametern eine für die jeweilige Sensoreinheit individuelle Anpassung des Models für den Temperaturverlauf der Sensormessgröße.
Auf Basis dieses individualisierten Models kann im Folgenden eine Temperaturkompensation der im Betrieb des Sensorsystems aufgenommenen Messwerte der Sensoreinheit durchgeführt werden, und zwar in dem gesamten vorbestimmten Temperaturbereich und für beliebige Messwerte. Dieser Temperaturkompensation liegt die Annahme zugrunde, dass die Sensoreinheit in jeder beliebigen Messsituation dasselbe Temperaturverhalten an den Tag legt, wie in der Referenz-Messsituation.
Eine Sensormessgröße ist im Folgenden eine physikalische Größe, die mittels der jeweiligen Sensoreinheit des Sensorsystems erfasst werden kann. Dies kann beispielsweise eine Drehrate, eine Beschleunigung oder ein Druck sein. Alternativ kann die Messgröße aber auch weitere physikalische Größen umfassen.
Im Folgenden ist ein Referenzwert ein Vergleichswert für einen Messwert einer Sensormessgröße einer Sensoreinheit des Sensorsystems. Der Referenzwert dient als Vergleichswert zur Bestimmung des Temperaturkompensationsparameters und gibt einen Erwartungswert der jeweiligen Messgröße an, der für die entsprechende Sensoreinheit und den jeweiligen Temperaturwert bei optimaler Kalibrierung der Sensoreinheit zu erwarten wäre. Der Referenzwert beziehungsweise die Referenzwerte können mittels einer zuvor durchgeführten Vergleichsmessung einer vergleichbaren Sensoreinheit oder derselben Sensoreinheit ermittelt und in der Signalverarbeitungseinheit oder einer externen Signalverarbeitungseinheit des Sensorsystems abgespeichert sein. Der Referenzwert kann ein Zahlenwert eines Messwerts der Sensormessgröße sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Messsituation mit Hilfe mindestens einer weiteren Sensorkomponente und/oder mit einer Schaltungsanordnung überwacht, die Bestandteil des Sensorsystems oder der Vorrichtung sind, mit der das Sensorsystem verbaut ist.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine präzise Bestimmung einer Messsituation ermöglicht ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Differenz zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten größer als ein vorgegebener Schwellwert.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine präzise Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter erreicht wird. Der Schwellwert gewährleistet eine klare Separation der Temperaturwerte und der dazugehörigen Messwerte der Sensoreinheit.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird der mindestens eine Temperaturkompensationsparameter als Modellparameter für ein Modell bestimmt, das den Temperatureinfluss auf die Sensormessgröße beschreibt, so dass auf Basis dieses Modells für einen beliebigen Temperaturwert eine Temperaturkompensationsgröße für den bei diesem Temperaturwert erfassten Messwert bestimmt werden kann. Bei der Temperaturkompensationsgröße handelt es sich in der Regel um einen Korrekturfaktor für den Messwert oder einen Korrekturwert, der auf den Messwert aufaddiert wird.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass auf Basis des Modells für eine beliebige Temperatur innerhalb des durch das Model abgedeckten Temperaturbereichs Temperaturkompensationsgrößen bestimmt werden können, ohne dass für diese Temperatur Referenz-Messwerte der Sensormessgröße aufgenommen werden müssen.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird der mindestens eine Temperaturkompensationsparameter als Koeffizient und/oder Konstante einer Funktion bestimmt, die den funktionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Sensormessgröße in einer Referenz-Messsituation innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs beschreibt, so dass auf Basis dieser Funktion für einen beliebigen Temperaturwert eine Temperaturkompensationsgröße für den bei diesem Temperaturwert erfassten Messwert bestimmbar ist.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass auf Basis der Funktion für eine beliebige Temperatur innerhalb des durch die Funktion abgedeckten Temperaturbereichs Temperaturkompensationsgrößen bestimmt werden können, ohne dass für diese Temperatur Referenz-Messwerte der Sensormessgröße aufgenommen werden müssen.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird die Signalverarbeitungseinheit und/oder mindestens eine weitere Komponente des Sensorsystems gezielt angesteuert, um die Sensoreinheit auf mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Temperaturwert innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs aufzuheizen und/oder abzukühlen und die jeweils zugehörigen Messwerte der Sensormessgröße zu erfassen.
Auf diese Weise kann die Sensoreinheit aktiv auf zwei unterschiedliche geeignete Temperaturwerte innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs gebracht werden, bei denen dann jeweils auch der Messwert der Sensoreinheit erfasst wird, um dann erfindungsgemäß den mindestens einen Temperaturkompensationsparameter zu bestimmen. So kann das Bestimmen der Temperaturkompensationsparameter beschleunigt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Verfahren bei Installation und/oder in einer Startphase des Sensorsystems und/oder wiederholt, in regelmäßigen Zeitintervallen und/oder automatisch ereignisgesteuert und/oder benutzerinitiiert durchgeführt.
Hierdurch wird der technische Vorteil einer hohen Messgenauigkeit des Sensorsystems erreicht. Je nach Anforderung an die Messgenauigkeit des Sensorsystems kann dieses beliebig oft während des Betriebs des Sensorsystems kalibriert werden. Für vergleichsweise niedrige Anforderungen an die Messgenauigkeit des Sensorsystems kann dieses einmalig bei Installation des Sensorsystems kalibriert werden. Für vergleichsweise höhere Anforderungen an die Messgenauigkeit kann das Sensorsystem in beliebig variierbaren zeitlichen Abständen kalibriert werden. Bei hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit kann alternativ eine Kalibrierung während jeder Startphase des Sensorsystems, in der das Sensorsystem aus einem Ruhezustand in den Betriebszustand aufgefahren wird, durchgeführt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird auf der Basis des mindestens einen Temperaturkompensationsparameters ein temperaturabhängiger Offset der Sensormessgröße und/oder die Temperaturabhängigkeit des Ansprechverhaltens der Sensoreinheit kompensiert.
Hierdurch wird der technische Vorteil eines breiten Anwendungsbereichs des Verfahrens erreicht.
Im Folgenden ist ein Offset ein Ausgangswert, den eine Sensoreinheit anzeigt, wenn diese sich in einem nichtangeregten Zustand befindet, in dem diese keine externe Anregung erfährt und folglich den Wert Null anzeigen müsste. Eine Sensitivität beziehungsweise ein Ansprechverhalten einer Sensoreinheit ist im Folgenden eine Messgenauigkeit für Messwerte ungleich Null, die sich aus der Auslenkung der Sensoreinheit für vordefinierte externe Anregungen bestimmt. Sowohl der Offset als auch die Sensitivität einer Sensoreinheit können temperaturabhängig sein.
Durch das Ansteuern verschiedener Systemkomponenten des Sensorsystems entwickeln diese Systemkomponenten durch den der Ansteuerung entsprechenden Betrieb eine dem Betrieb entsprechende Wärmemenge. Durch einen thermischen Kontakt wird im Folgenden die Sensoreinheit und insbesondere das Sensorsystem der Wärmemenge entsprechend aufgeheizt. Durch einen gesteuerten Betrieb einzelner Systemkomponenten kann somit das Sensorsystem auf einen gewünschten Temperaturwert gebracht werden. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit angesteuert werden, Rechenoperationen durchzuführen, um diese aufgrund der Durchführung der jeweiligen Operationen auf einen Temperaturwert zu bringen. Alternativ kann ebenfalls eine externe Signalverarbeitungseinheit angesteuert werden, entsprechende Operationen durchzuführen. Ebenfalls kann beispielsweise ein Display eines Gesamtsystems, das ein Sensorsystem umfasst, betrieben werden, sodass die durch den Betrieb des Displays erzeugte Wärme eine Erwärmung des Sensorsystems und insbesondere der Sensoreinheiten des Sensorsystems bewirkt.
Nach einer Ausführungsform ist das Bestimmen der Temperaturkompensationsparameter ferner auf Basis eines vorbestimmten Temperaturkompensationsparameters durchführbar, und wobei der Temperaturkompensationsparameter eine Anpassung des vorbestimmten Temperaturkompensationsparametes ist.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass zur Bestimmung der Temperaturkompensationsgröße bereits vorbestimmte Werte berücksichtigt werden können, sodass die bestimmte Temperaturkompensationsgröße durch eine Modifikation des vorbestimmten Temperaturkompensationsparameters erzielt wird.
Ein vorbestimmter Temperaturkompensationsparameter kann hierbei ein Temperaturkompensationsparameter sein, der werkseitig für ein Sensorsystem des gleichen Typs, beispielsweise in einer Referenzmessreihe, ermittelt worden ist und als nicht individualisierter Parameter zur Temperaturkompensation beziehungswiese Kalibrierung des Sensorsystems dient. Ein vorbestimmter Temperaturkompensationsparameter kann alternativ ein Temperaturkompensationsparameter sein, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem früheren Zeitpunkt bestimmt worden ist.
Für den Fall, dass der Temperaturkompensationsparameter ein werkseitig bestimmter nicht individualisierter Parameter ist, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Individualisierung und Adaption des vorbestimmten Temperaturkompensationsparameter an das jeweilige Sensorsystem erzielt werden.
Für den Fall, dass der Temperaturkompensationsparameter ein zu einem früheren Zeitpunkt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmter Temperaturkompensationsparameter ist, kann durch erneute Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem späteren Zeitpunkt eine Anpassung des zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Temperaturkompensationsparameters an Zustände des jeweiligen Sensorsystems zum Zeitpunkt der wiederholten Durchführung des Verfahrens erzielt werden.
Hierdurch ist eine präzise und individuell auf das jeweilige Sensorsystem abgestimmte Temperaturkompensation und Kalibrierung des Systems erreichbar, in der ein Zustand des jeweiligen Sensorsystems, den dieses zum Zeitpunkt der Durchführung des Verfahrens aufweist, berücksichtigt werden kann.
Nach einer Ausführungsform sind der Referenzwert und/oder der Temperaturkompensationsparameter in der Signalverarbeitungseinheit und/oder einer externen Speichereinheit gespeichert.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine Wiederholbarkeit der Bestimmung von Temperaturkompensationsparametern ermöglicht ist. Zur Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter können sowohl Referenzwerte verwendet werden, die werkseitig zum Abschluss des Fertigungsverfahrens des Sensorsystems mittels entsprechender Messreihen erstellt worden sind. Alternativ können auch Referenzwerte verwendet werden, die während des Betriebs des Sensorsystems mittels entsprechender Messreihen erstellt worden sind. Ältere Referenzwerte können hierbei durch aktuellere Referenzwerte ersetzt werden.
Die erfindungsgemäß bestimmten Temperaturkompensationsparameter können ebenfalls abgespeichert werden. Dies ermöglicht einen Vergleich von Temperaturkompensationsparametern, die zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt wurden. Dies ermöglicht wiederum einen vorzeitigen Abbruch des Verfahrens, falls eine Überprüfung ergibt, dass der bis zur Überprüfung ermittelte Temperaturkompensationsparameter den zu früheren Zeitpunkten bestimmten Temperaturkompensationsparametern entsprechen. Somit kann vermieden werden, dass eine erneute Kalibrierung des Sensorsystems durchgeführt wird, wenn dieses aufgrund einer früheren Kalibrierung bereits kalibriert ist.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem bereitgestellt, mindestens umfassend:

eine Sensoreinheit zur Erfassung von Messwerten einer Sensormessgröße;
eine Temperatursensoreinheit zur Erfassung eines Temperaturwerts des Sensorsystems; und
eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu ausgebildet ist
die Messsituation der Sensoreinheit zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße bekannt ist,
die Temperatur der Sensoreinheit zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs liegt, die Sensoreinheit und die Temperatursensoreinheit anzusteuern, so dass mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten innerhalb des vorbestimmten Temperaturbetriebsbereichs zusammen mit den jeweils zugehörigen Messwerten der Sensormessgröße erfasst werden, wenn die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht; und
mindestens eines Temperaturkompensationsparameters auf Basis des mindestens einen Referenz-Messwerts der Sensormessgröße, der mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten und der zugehörigen Messwerte der Sensormessgröße zu bestimmen.

Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein Sensorsystem bereitgestellt wird, das automatisch mindestens einen Temperaturkompensationsparameter bestimmen kann, der der Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte einer Sensoreinheit des Sensorsystems zugrunde gelegt wird. Die Bestimmung des Temperaturkompensationsparameters oder der Temperaturkompensationsparameter kann während des Betriebs des Sensorsystems, wenn dieses bereits in dessen Zielort installiert ist, durchgeführt werden. Somit kann eine Temperaturkompensation auf Basis der bestimmten Temperaturkompensationsparameter für verschiedene Temperaturwerte innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs und für verschiedene Messsituationen während der gesamten Lebensdauer des Sensorsystems durchgeführt werden. Hierdurch kann eine erhöhte Messgenauigkeit des MEMS-Sensorsystems erreicht werden. Darüber hinaus kann eine individuell besser auf das jeweilige Sensorsystem und dessen Verwendung abgestimmte Temperaturkompensation der Messwerte der Sensoreinheit des Sensorsystems erreicht werden, indem die Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter individuell für die Sensoreinheit beziehungsweise das Sensorsystem durchgeführt wird, wenn das Sensorsystem bereits an seinem Einsatzort verbaut ist.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem mindestens eine weitere Sensorkomponente und/oder eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der Messsituation der Sensoreinheit.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Messsituation präzise bestimmbar ist.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem mindestens einen Datenspeicher für die erfassten mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerte und jeweils zugehörigen Messwerte der Sensormessgröße und/oder für den mindestens einen Temperaturkompensationsparameter und/oder für einen vorgegebenen Schwellwert ΔT für die Differenz zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die ermittelten Größen und Parameter gespeichert werden können.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem mindestens eine weitere durch die Signalverarbeitungseinheit ansteuerbare Komponente zum gezielten Beeinflussen der Temperatur der Sensoreinheit.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass Sensorsystem aktiv auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden kann, um den mindestens einen Temperaturkompensationsparameter zu bestimmen.
Nach einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet ist, in einem Messbetrieb des Sensorsystems erfasste Messwerte der Sensormessgröße mit entsprechenden Temperaturkompensationsparametern zu korrigieren und temperaturkorrigierte Messwerte der Sensormessgröße auszugeben.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein Sensorsystem mit einer erhöhten Messgenauigkeit bereitgestellt wird. Nach erfolgreicher Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter und der damit zusammenhängenden Kalibrierung des Sensorsystems ist das Sensorsystem in der Lage, im Messbetrieb temperaturkorrigierte Messwerte der Sensormessgröße auszugeben.
Nach einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit eine MEMS-Drehratensensoreinheit, eine MEMS-Beschleunigungssensoreinheit, eine Magnetsensoreinheit oder eine MEMS-Drucksensoreinheit.
Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass das Sensorsystem einen breiten Einsatzbereich aufweist.
Nach einer Ausführungsform ist der Referenzwert in der Signalverarbeitungseinheit oder einer externen Speichereinheit abgespeichert oder mittels einer weiteren Referenzsensoreinheit ermittelbar.
Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass zur Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter werkseitig ermittelte Referenzwerte verwendet werden können, die nach Abschluss des Fertigungsprozesses mittels einer entsprechenden Messreihe erzeugt wurden. Alternativ können auch Referenzwerte verwendet werden, die während des Betriebs des Sensorsystems erzeugt wurden. Hierzu kann über das Sensorsystem eine entsprechende Messreihe durchgeführt werden. Alternativ kann über eine zusätzliche Referenzsensoreinheit eine entsprechende Messreihe durchgeführt werden. Die Referenzsensoreinheit kann eine Systemkomponente des Sensorsystems sein oder als eine externe Sensoreinheit ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform,
2 veranschaulicht zwei Möglichkeiten, die Temperaturabhängigkeit der Sensormessgröße einer Sensoreinheit in einer Referenz-Messsituation durch einen funktionalen Zusammenhang zwischen Sensormessgröße und Temperatur zu beschreiben,
3 veranschaulicht die Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoreinheitindividuellen Bestimmung von Temperaturkompensationsparametern für einen ausgewählten Temperaturbereich gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Sensitivität einer einzelnen Sensoreinheit,
4 ein Ablaufdiagramm einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Temperaturkompensationsparametern für eine Sensoreinheit 803 ohne aktive Temperaturregelung,
5 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Temperaturkompensationsparametern für eine Sensoreinheit 803 mit aktiver Temperaturregelung,
6 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer internen Wärmeentwicklung des Sensorsystems in 6,
8 eine schematische Darstellung einer externen Wärmeentwicklung des Sensorsystems in 6, und
9 ein schematisches Ablaufdiagramm für die Nutzung unterschiedlicher Temperaturkompensationsparametersätze einer Sensoreinheit 803 in Abhängigkeit von der geforderten Messgenauigkeit bzw. Qualität der Messdaten.

Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zum Bestimmen wenigstens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte XV eines Sensorsystems 800 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zum besseren Verständnis wird das Verfahren 100 stets im Zusammenhang mit dem Aufbau eines Sensorsystems 800 entsprechend 7 bis 9 beschrieben.
Das Sensorsystem 800 umfasst eine Sensoreinheit 803 zur Erfassung von Messwerten XV einer Sensormessgröße X, eine Temperatursensoreinheit 805 zum Überwachen der Temperatur der Sensoreinheit 803 und zur Erfassung entsprechender Temperaturwerte TV und eine Signalverarbeitungseinheit 807 zur Bestimmung eines Temperaturkompensationsparameters TC.
Gemäß dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren 100 wird die Messsituation der Sensoreinheit 803 kontinuierlich überwacht, um zu bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße X bekannt ist. Parallel dazu wird die Temperatur TV der Sensoreinheit 803 kontinuierlich überwacht. Die Überwachung der Messsituation und die Überwachung der Temperatur der Sensoreinheit erfolgt im Verfahrensschritt 101.
Wenn sich die Sensoreinheit 803 in der Referenz-Messsituation befindet, wird im Verfahrensschritt 103 geprüft, ob die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit 803 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 liegt und ob die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit 803 relevant ist für die Neubestimmung oder Aktualisierung eines Temperaturkompensationsparameters.
Falls dies der Fall ist, werden im Verfahrensschritt 105 der aktuell gemessene Temperaturwert TV und der dazugehörige Messwert XV der Sensoreinheit 803 erfasst.
Die Verfahrensschritte 101 bis 105 werden solange durchlaufen, bis mindestens zwei Messwerte XV1 und XV2 zu unterschiedlichen Temperaturwerten TV1, TV2 für die Referenz-Messsituation erfasst worden sind.
Erst dann wird im Verfahrensschritt 107 anhand dieser Messwerte XV1, XV2 und der zugehörigen Temperaturwerte TV1, TV2 mindestens ein Temperaturkompensationsparameter TC bestimmt, und zwar unter Zugrundelegung des Referenz-Messwerts der Sensormessgröße X.
Die Messsituation der Sensoreinheit 803 wird im Kontext der hier beschriebenen Erfindung durch die Messgröße bestimmt. So wird die Messsituation im Falle eines Beschleunigungssensors durch die Größe der auf die Sensoreinheit wirkenden Beschleunigung beschrieben, im Falle eines Drehratensensors durch die Größe der auf die Sensoreinheit wirkenden Drehgeschwindigkeit. Als Referenz-Messsituation wird hier eine Messsituation bezeichnet, für die die zu erfassende Messgröße bekannt ist. Bei Inertialsensoren bietet sich als Referenz-Messsituation die Ruhelage an, da hier außer der Erdanziehung keine Kräfte auf die Sensoreinheit einwirken. Im Falle eines Drehratensensors ist der Referenz-Messwert in der Ruhelage also gleich Null. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aber auch eine andere Referenz-Messsituation ausgewählt werden, solange ein entsprechender Referenz-Messwert für diese Referenz-Messsituation bekannt ist. Derartige Referenzmesswerte können beispielsweise im Rahmen eines werkseitigen Kalibrierverfahrens gewonnen werden.
Wie bereits erwähnt, wird in Schritt 103 bestimmt, ob die Temperatur der Sensoreinheit 803 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 liegt und ob die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit 803 relevant ist für die Neubestimmung oder Aktualisierung eines Temperaturkompensationsparameters.
Der vorbestimmte Temperaturbereich TR2 kann einfach der gesamte Temperaturbereich sein, für den die Sensoreinheit 803 werkseitig ausgelegt ist. Je nach Art der intendierten Verwendung der Sensoreinheit 803 kann es aber auch von Vorteil sein, lediglich für einen Teilbereich dieses Temperaturbereichs Temperaturkompensationsparameter zu bestimmen, wenn die Sensoreinheit bevorzugt in diesem Teiltemperaturbereich betrieben wird.
Die Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter beruht auf mindestens zwei Messungen/ Messwerten XV1 und XV2 der Sensoreinheit in der Referenz-messsituation bei unterschiedlichen Temperaturen TV1 und TV2. Um zu gewährleisten, dass die Temperaturkompensationsparameter den Temperaturverlauf der Sensoreinheit möglichst realistisch wiedergeben, sollten sich diese Temperaturen TV1 und TV2 deutlich unterscheiden. Vorteilhafterweise wird der Unterschied zwischen TV1 und TV2 als Kriterium für die Auswahl der Messungen XV1 und XV2 genutzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Annahme, dass sich der Temperatureinfluss auf die Messwerte der Sensoreinheit in dem vorbestimmten Temperaturbereich durch ein Modell beschreiben lässt. Bei den erfindungsgemäß ermittelten Temperaturkompensationsparametern handelt es sich um Modelparameter für dieses Modell. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können also im laufenden Betrieb einer Sensoreinheit für diese Sensoreinheit individuelle Modelparameter bestimmt werden, mit denen sich der Temperatureinfluss auf die Messwerte dieser individuellen Sensoreinheit beschreiben lässt. Des Weiteren liegt der Erfindung die Annahme zugrunde, dass die Sensoreinheit im gesamten Messbereich, also für alle Messsituationen, im Wesentlichen das gleiche Temperaturverhalten aufweist. Es wird daher als ausreichend erachtet, Sensoreinheitindividuelle Temperaturkompensationsparameter für die Referenz-Messsituation zu bestimmen. Auf Basis des so individualisierten Modells können dann für jeden Messwert der Sensoreinheit und jede Temperatur im vorbestimmten Temperaturbereich Temperaturkompensationsgrößen zur Kompensation des Temperatureinflusses auf diesen Messwert ermittelt werden.
Beispielsweise kann ein Temperaturkompensationsparameter ein Parameter einer mathematischen Funktion sein, mittels dem oder mittels der ein Temperaturverlauf der Sensormessgröße X beschreibbar ist. Beispielsweise kann ein Temperaturparameter eine Steigung oder ein Achsenabschnitt einer Geradengleichung sein, mittels der ein linearer Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Alternativ kann ein Temperaturkompensationsparameter TC ein Koeffizient einer Polynomgleichung sein, mittels der ein nicht-linearer Temperaturverlauf der Sensormessgröße beschreibbar ist. Alternativ kann ein Temperaturkompensationsparameter TC ein Parameter oder Koeffizient eines komplexeren Models sein, mittels dem ein Temperaturverlauf der Sensormessgröße X beschreibbar ist.
Im Rahmen der Bestimmung der Temperaturkompensationsparameter TC als Modelparameter oder als Funktionsparameter einer mathematischen Funktion, die den Temperatureinfluss auf die Sensormessgröße X beschreibt, werden die Temperaturkompensationsparameter TC als variable Parameter des Models oder der mathematischen Funktion derart variiert, dass der Temperaturverlauf der aufgenommenen Messwerte XV der Sensormessgröße X möglichst gut durch das Modell oder die mathematische Funktion beschrieben wird. So können beispielsweise bei Annahme eines linearen Verlauf des Temperaturverhaltens aus den mindestens zwei Messwerten XV1 und XV2 bei TV1 und TV2 die Steigung und der Offset der linearen Funktion als Temperaturkompensationsparameter bestimmt werden.
Mit Hilfe des jeweiligen Models beziehungsweise der entsprechenden mathematischen Funktion kann im Folgenden eine Temperaturkompensation der im Betrieb des Sensorsystems 803 aufgenommenen Messwerte der Sensoreinheit durchgeführt werden. Aufgrund des Models oder der mathematischen Funktion, das oder die jeweils den gesamten vorbestimmten Temperaturbereich abdecken, kann eine lückenlose Temperaturkompensation für beliebige Temperaturen und Messwerte innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs erzielt werden, ohne dass für diese Temperaturen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechende Messwerte XV der Sensormessgröße X und Temperaturkompensationsparameter TC bestimmt werden müssen.
Erfindungsgemäß werden die für eine Referenz-Messsituation ermittelten Temperaturkompensationsparameter und das diesen zugrundeliegende Model beziehungsweise die damit verbundene mathematische Funktion zur Beschreibung des Temperaturverlaufs der Sensormessgröße für beliebige Messsituationen des Sensorsystems verwendet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Bestimmung von Temperaturkompensationsparametern TC gemäß Verfahren 100.
In Diagramm a) ist ein Temperaturverlauf einer Sensormessgröße X einer Sensoreinheit 803 eines Sensorsystems 800 dargestellt, d.h. mehrerer Messwerte XV, aufgenommen bei verschiedenen Temperaturen TV der Sensoreinheit 803. Die Messwerte XV wurden jeweils in einer Referenz-Messsituation der Sensoreinheit 803 erfasst, die durch den Referenzmesswert RV charakterisiert ist. Die Messwerte XV der Sensormessgröße zeigen ein prominentes Temperaturverhalten und beschreiben einen nicht-konstanten Temperaturverlauf.
In Diagramm b) sind zwei Funktionen y1 und y2 dargestellt, die zur Beschreibung des erfassten Temperaturverlaufs der Sensormessgröße X vorgeschlagen werden:

Y1=ax+b beschreibt einen linearen Verlauf der Sensormessgröße X mit der Temperatur, wobei „a“ die Steigung und „b“ den Achsenabschnitt beschreiben.
Y2=ax2+bx+c beschreibt einen quadratischen Verlauf der Sensormessgröße X mit der Temperatur. „a, b, c“ beschreiben hierbei Polynomkoeffizienten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich diese Funktionsparameter a, b und c als Temperaturkompensationsparameter bestimmen. Je nach Wahl der Funktion zur Beschreibung des Temperaturverlaufs der Sensormessgröße X mit der Temperatur, werden dazu mindestens zwei Messwerte XV1 und XV2 bei Temperaturen TV1 und TV2 im Falle eines linearen Zusammenhangs zwischen Sensormessgröße und Temperatur benötigt oder mindestens drei Messwerte MV1 bis MV3 bei TV1 bis TV3 im Falle eines quadratischen Zusammenhangs zwischen Sensormessgröße und Temperatur.
Die in 2 gezeigten linearen und quadratischen Modelle sind lediglich Beispiele für eine mathematische Beschreibung des Temperaturverlaufs der Sensormessgröße X.
3 zeigt eine schematische Abbildung einer Modellentwicklung gemäß dem Verfahren 100 in 1.
In den mit a) und b) gekennzeichneten Diagrammen ist jeweils die durch Messungen ermittelte Sensitivität beziehungsweise das Ansprechverhalten einer individuellen Sensoreinheit 803 gegen die Temperatur T aufgetragen, und zwar in Form einer durchgezogenen Linie.
Im Diagramm a) ist darüber hinaus ist ein erstes globales lineares Modell zur Beschreibung des Temperaturverlaufs der Sensitivität der Sensoreinheit 803 dargestellt (Strichlinie), das auf Basis einer Vergleichsmessreihe vergleichbarer Sensoreinheiten einer Referenzgruppe erstellt wurde. Dieses Modell gibt den tatsächlichen Temperaturverlauf der Sensitivität der Sensoreinheit 803 nur sehr unzureichend wieder. In Diagramm a) ist ein weiteres lineares Modell zur Beschreibung des Temperaturverlaufs der Sensitivität der Sensoreinheit 803 dargestellt (Strichpunkt), das für diese Sensoreinheit 803 individuell ermittelt wurde, und zwar für den gesamten Temperaturbereich des Diagramms a). Dementsprechend ist dieses individuelle lineare Modell zwar insgesamt besser als das globale lineare Modell. Im bevorzugten mittleren Temperaturbereich, der hier eingekreist ist, weicht aber auch das individuelle lineare Modell deutlich vom tatsächlichen Temperaturverlauf der Sensitivität der Sensoreinheit 803 ab.
In Diagramm b) sind zu dem gleichen Temperaturverlauf der Sensitivität der Sensoreinheit 803 das individuelle lineare Modell aus Diagramm a) und ein erfindungsgemäß für den Temperaturbereich TR1 optimiertes lineares Modell (individuell) dargestellt. Für das optimierte lineare Modell sind die Temperaturkompensationsparameter des Models durch das Verfahren 100 an die individuellen Eigenschaften der Sensoreinheit in einer bestimmten Messsituation angepasst worden. Hierzu sind gemäß dem Verfahren 100 für mehrere Temperaturen innerhalb des Optimierungsbereichs TR1 jeweils in einer Referenz-Messsituation Messwerte XV der Sensormessgröße X erfasst worden und darauf basierend Temperaturkompensationsparameter TC bestimmt worden, die die optimierte Gerade beschreiben. So können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise die Steigung der Geraden und/oder ein Achsenabschnitt des linearen Modells bestimmt werden. Der Optimierungsbereich TR1 ist ausgewählt worden, da die Sensoreinheit 803 bevorzugt in diesem Temperaturbereich betrieben wird.
Das Diagramm b) veranschaulicht, dass das so gewonnene lineare Modell lediglich für den Temperaturbereich TR1 optimiert ist, den Temperaturverlauf der Sensitivität der Sensoreinheit 803 in diesem Temperaturbereich also sehr gut wiedergibt, während dies außerhalb des Temperaturbereichs TR1 nicht unbedingt zutrifft.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Temperaturkompensationsparametern für eine Sensoreinheit 803 ohne aktive Temperaturregelung. D.h., das erfindungsgemäße Verfahren 100 wird in einem passiven Modus betrieben, bei dem die Temperaturwerte TV, zu denen Messwerte XV der Sensormessgröße X erfasst werden sollen, nicht aktiv eingestellt werden. Stattdessen entsprechen die Temperaturwerte TV der Sensoreinheit 803 der innerhalb des Sensorsystems 800 am Ort der Sensoreinheit 803 herrschenden Temperatur. Sobald diese Temperatur einen Temperaturwert TV annimmt, zu dem ein Messwert XV der Sensormessgröße X erfasst werden soll, erfasst die Sensoreinheit 803 einen Messwert XV der Sensormessgröße X, was nachfolgend anhand der 4 näher erläutert wird.
Nach dem Start des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schritt 401 wird die Messsituation der Sensoreinheit 803 kontinuierlich überwacht, um zu bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße X bekannt ist. Dies wurde bereits in Verbindung mit 1 ausführlich erläutert. Parallel dazu wird die Temperatur TV der Sensoreinheit 803 kontinuierlich überwacht. Die Überwachung der Messsituation und die Überwachung der Temperatur der Sensoreinheit erfolgt im Verfahrensschritt 402.
Wenn sich die Sensoreinheit 803 in der Referenz-Messsituation befindet, wird im Verfahrensschritt 403 geprüft, ob die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit 803 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 liegt und ob die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit 803 relevant ist für die Neubestimmung oder Aktualisierung eines Temperaturkompensationsparameters. Dabei können beispielsweise auch bereits erfasste Messwertpaare (XV,TV) berücksichtigt werden, um eine gewisse Verteilung der erfassten Messwertpaare über den vorbestimmten Temperaturbereich zu gewährleisten.
Falls die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit alle Kriterien für eine Messwerterfassung erfüllt, werden im Verfahrensschritt 404 der aktuell gemessene Temperaturwert TV und der dazugehörige Messwert XV der Sensoreinheit 803 erfasst.
Die Verfahrensschritte 401 bis 404 werden solange durchlaufen, bis mindestens zwei Messwerte XV1 und XV2 zu unterschiedlichen Temperaturwerten TV1, TV2 für die Referenz-Messsituation erfasst worden sind. Dies wird durch die Verzweigungen von den Verfahrensschritten 403 und 404 zurück zu Verfahrensschritt 402 gewährleistet.
Erst dann wird in einem weiteren hier nicht dargestellten Verfahrensschritt anhand der in der Referenz-Messsituation erfassten Messwerte XV1, XV2 und der zugehörigen Temperaturwerte TV1, TV2 mindestens ein Temperaturkompensationsparameter TC bestimmt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Temperaturkompensationsparametern für eine Sensoreinheit 803 mit aktiver Temperaturregelung. D.h., bei dieser Verfahrensvariante werden die Temperaturwerte TV, zu denen Messwerte XV erfasst werden sollen, aktiv herbeigeführt, indem die Sensoreinheit 803 aktiv beheizt oder abgekühlt wird.
In 5 werden für die in Verbindung mit 4 bereits erläuterten Verfahrensschritte gleiche Bezugszeichen verwendet. Die nachfolgende Erläuterung beschränkt sich auf die Unterschiede zu der in 4 dargestellten Verfahrensvariante.
Falls die Überprüfung im Verfahrensschritt 403 ergibt, dass die aktuelle Temperatur der Sensoreinheit nicht alle Kriterien für eine Messwerterfassung erfüllt, wird in einem weiteren Überprüfungsschritt 405 geprüft, ob überhaupt eine weitere Messwerterfassung erforderlich ist. Falls nein, wird die Überwachung der Temperatur der Sensoreinheit 803 fortgesetzt, indem das Verfahren zurückspringt zum Verfahrensschritt 402. Soll aber eine weitere Messwerterfassung erfolgen, dann wird die Temperatur der Sensoreinheit 803 im Verfahrensschritt 406 solange aktiv beeinflusst, bis die Sensoreinheit 803 eine passende Temperatur erreicht hat. Dazu können beispielsweise Heizmittel des Sensorsystems 800 aktiviert werden.
Sobald die Sensoreinheit 803 eine für die Messwerterfassung geeignete Temperatur erreicht hat, werden der Sensormesswert XV und der dazugehörige Temperaturwert im Verfahrensschritt 404 erfasst.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 800 gemäß einer Ausführungsform.
Gemäß 6 umfasst das Sensorsystem 800 einen Träger 801 zur Aufnahme von Komponenten des Sensorsystems 800, eine Sensoreinheit 803 zur Erfassung von Messwerten XV einer Sensormessgröße X; eine Temperatursensoreinheit 805 zur Überwachung der Temperatur der Sensoreinheit 803 und zum Erfassen von Temperaturwerten TV der Sensoreinheit 803; und eine Signalverarbeitungseinheit 807, die dazu ausgebildet ist, die Messsituation der Sensoreinheit 803 zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße X bekannt ist, die Temperatur TV der Sensoreinheit 803 zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs TR2 liegt, die Sensoreinheit 803 und die Temperatursensoreinheit 805 anzusteuern, so dass mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten TV1, TV2 innerhalb des vorbestimmten Temperaturbetriebsbereichs TR2 zusammen mit den jeweils zugehörigen Messwerten XV1, XV2 der Sensormessgröße X erfasst werden, wenn die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht. Die Signalverarbeitungseinheit 807 ist ferner dazu ausgebildet mindestens einen Temperaturkompensationsparameters TC auf Basis des mindestens einen Referenz-Messwerts der Sensormessgröße X, der mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerte TV1, TV2 und der zugehörigen Messwerte XV1, XV2 der Sensormessgröße X zu bestimmen.
In 6 sind die Sensoreinheit 803, die Temperatursensoreinheit 805 und die Signalverarbeitungseinheit 807 übereinander gestapelt auf dem Träger 801 angeordnet. Alternativ können die Sensoreinheit 803, die Temperatursensoreinheit 805 und die Signalverarbeitungseinheit 807 nebeneinander angeordnet sein.
Darüber hinaus kann das Sensorsystem 800 auch noch weitere Komponenten umfassen und/oder die Sensoreinheiten können in einer anderen Reihenfolge als der in 7 gezeigten aufeinandergestapelt sein, solange eine thermische Kopplung zwischen der Sensoreinheit 803 und dem Temperatursensor 805 besteht. Der Träger 801 kann ein Substrat sein. Alternativ kann der Träger 801 auch als ein Gehäuseteil eines Gehäuses des Sensorsystems 800 ausgebildet sein.
Die Sensoreinheit 803 kann eine Drehratensensoreinheit, eine Beschleunigungssensoreinheit, eine Drucksensoreinheit, eine Magnetsensoreinheit oder eine vergleichbare Sensoreinheit sein. Die Sensormessgröße X kann entsprechend eine Drehrate, eine Beschleunigung, ein Druck, eine Magnetfeldstärke oder eine weitere physikalische Größe sein, die mittels der Sensoreinheit 803 erfasst werden kann.
Abweichend von dem in 6 Dargestellten kann ein Sensorsystem 800 auch weitere Komponenten, wie beispielswiese analoge Komponenten und gegebenenfalls nicht programmierbare digitale Komponenten, aufweisen. Auch können die in 6 gezeigten Komponenten in einer abweichenden Anordnung angeordnet sein.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer internen Wärmeentwicklung des Sensorsystems 800 in 6. In 7 wird mittels einer thermischen Verbindung zwischen der Signalverarbeitungseinheit 807, der Temperatursensoreinheit 805 und der Sensoreinheit 803 Wärme, die durch den Betrieb der Signalverarbeitungseinheit 807 erzeugt wird, von der Signalverarbeitungseinheit 807 an die Temperatursensoreinheit 805 und an die Sensoreinheit 803 geleitet. Diese Wärmeentwicklung durch den Betrieb der Signalverarbeitungseinheit 807 und die Weiterleitung der Wärme an die Temperatursensoreinheit 805 und die Sensoreinheit 803 kann unter anderem dazu genutzt werden, gemäß dem Ansteuerungsschritt 111 des Verfahrens 100 das MEMS-Sensorsystem 800 auf Temperaturwerte zu erwärmen, zu denen Messwerte XV der Sensormessgröße X zu erfassen sind.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer externen Wärmeentwicklung des Sensorsystems 800 in 6. Über Steuerungsbefehle der Signalverarbeitungseinheit 807 an Systemkomponenten 809 des Sensorsystems 800 werden diese Systemkomponenten 809 zum Betrieb angesteuert. Die durch den Betrieb der Systemkomponenten 809 entstehende Wärme wird mittels einer thermischen Verbindung an die Sensoreinheit 803 und die Temperatursensoreinheit 805 übertragen. Dies führt zu einer Erwärmung der Temperatursensoreinheit 805 und der Sensoreinheit 803. Hierdurch kann das Sensorsystem 800 gemäß dem Ansteuerungsschritt 111 auf einen Temperaturwert TV, zu dem ein Messwert XV zu erfassen ist, erwärmt werden. Die Systemkomponenten 809 können beispielsweise ein Display umfassen, das bei Betrieb eine Wärmeentwicklung aufweist, die zur Erwärmung des Sensorsystems 800 auf einen entsprechenden Temperaturwert TV geeignet ist. Die Systemkomponenten 809 können jedoch ebenfalls weitere Komponenten umfassen, die geeignet sind, durch entsprechende Ansteuerung eine Erwärmung des Sensorsystems 800 zu bewirken.
9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm einer Bestimmung eines Temperaturkompensationsparameters TC gemäß dem Verfahren 100 eines Sensorsystems 800 gemäß verschiedener Modi.
In Punkt 1101 wird das Sensorsystem 800 mit der Sensoreinheit 803 in einer Startphase eingeschaltet. In dem Auswahlpunkt 1103 kann der Nutzer auswählen, ob die Sensoreinheit 803 mit einer hohen Messgenauigkeit oder einer normalen Messgenauigkeit betrieben werden soll. Wird eine normale Messgenauigkeit gewählt, wird in dem Auswahlpunkt 1105 geprüft, welche Temperaturkompensationsparameter zur Verfügung stehen, nämlich ob lediglich die der werkseitigen Kalibrierung zur Verfügung stehen oder auch bereits individualisierte Temperaturkompensationsparameter, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt worden sind. Wenn lediglich die Temperaturkompensationsparameter der werkseitigen Kalibrierung zur Verfügung stehen, dann werden diese im Schritt 1107 zur Kompensation der Temperatureinflüsse auf die Sensormesswerte herangezogen, bis die Sensoreinheit 803 im Schritt 1119 wieder heruntergefahren bzw. abgeschaltet wird. Andernfalls werden im Schritt 1109 die individualisierten Temperaturkompensationsparameter genutzt, bis die Sensoreinheit im Schritt 1119 deaktiviert wird. In jedem Fall wird auf bereits vorliegende Temperaturkompensationsparameter zurückgegriffen, wenn die Sensoreinheit 803 mit normaler Datenqualität, also mit normaler Messgenauigkeit betrieben werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen von individualisierten Temperaturkompensationsparametern wird in diesem Fall nicht angestoßen.
Wird im Auswahlpunkt 1103 eine hohe Messgenauigkeit ausgewählt, so wird im Auswahlpunkt 1111 ebenfalls geprüft, ob lediglich die Temperaturkompensationsparameter der werkseitigen Kalibrierung zur Verfügung stehen oder auch bereits individualisierte Temperaturkompensationsparameter, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt worden sind. Liegen bereits individualisierte Temperaturkompensationsparameter vor, dann werden die Temperaureinflüsse auf die Sensormesswerte im Schritt 1117 unter Zugrundelegung dieser individualisierten Temperaturkompensationsparameter kompensiert. Falls aber noch keine individualisierten Temperaturkompensationsparameter zur Verfügung stehen, dann wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung solcher individualisierten Temperaturkompensationsparameter im Schritt 1113 angestoßen und im laufenden Betrieb der Sensoreinheit 803 bis zur Bestimmung individualisierter Temperaturkompensationsparameter durchgeführt. Danach wird im Schritt 1115 eine Temperaturkompensation auf Basis dieser individualisierten Temperaturkompensationsparameter durchgeführt, um so die geforderte hohe Messgenauigkeit bzw. Datenqualität zu erreichen. Im Unterschied zu dem vorab beschriebenen Modus mit normaler Datenqualität, wird das Verfahren zu Bestimmung individualisierter Temperaturkompensationsparameter hier also automatisch angestoßen, wenn noch keine solchen individualisierten Temperaturkompensationsparameter vorliegen.

Claims

Verfahren (100) zum Bestimmen mindestens eines Temperaturkompensationsparameters zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte eines Sensorsystems (800), wobei das Sensorsystem (800) mindestens umfasst: a. eine Sensoreinheit (803) zur Erfassung von Messwerten (XV) einer Sensormessgröße (X), b. eine Temperatursensoreinheit (805) zum Erfassen der Temperatur (TV) der Sensoreinheit (803) und c. eine Signalverarbeitungseinheit (807) zur Bestimmung mindestens eines Temperaturkompensationsparameters und zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Messwerte (XV) der Sensoreinheit (803); wobei das Verfahren umfasst: ◯ Überwachen (101) der Messsituation der Sensoreinheit (803) und Bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße (X) bekannt ist, o Überwachen (103) der Temperatur (TV) der Sensoreinheit (803) und Bestimmen, ob die aktuelle Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs (TR2) liegt, ◯ Erfassen (105) von mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2) innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs (TR2) und Erfassen der jeweils zugehörigen Messwerte (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X), wenn die aktuelle Messsituation einer ReferenzMesssituation entspricht; o Bestimmen (107) mindestens eines Temperaturkompensationsparameters (TC) auf Basis des mindestens einen Referenz-Messwerts der Sensormessgröße (X), der mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2) und der zugehörigen Messwerte (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messsituation mit Hilfe mindestens einer weiteren Sensorkomponente und/oder mit einer Schaltungsanordnung überwacht wird, die Bestandteil des Sensorsystems oder der Vorrichtung sind, mit der das Sensorsystem verbaut ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Differenz zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2) größer ist als ein vorgegebener Schwellwert ΔT.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Temperaturkompensationsparameter (TC) als Modellparameter für ein Modell bestimmt wird, das den Temperatureinfluss auf die Sensormessgröße (X) beschreibt, so dass auf Basis dieses Modells für einen beliebigen Temperaturwert (TV) eine Temperaturkompensationsgröße für den bei diesem Temperaturwert (TV) erfassten Messwert (MV) bestimmbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Temperaturkompensationsparameter (TC) als Koeffizient und/oder Konstante einer Funktion bestimmt wird, die den funktionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Sensormessgröße (X) in einer Referenz-Messsituation innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs (TR2) beschreibt, so dass auf Basis dieser Funktion für einen beliebigen Temperaturwert (TV) eine Temperaturkompensationsgröße für den bei diesem Temperaturwert (TV) erfassten Messwert (MV) bestimmbar ist.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Signalverarbeitungseinheit und/oder mindestens eine weitere Komponente des Sensorsystems gezielt angesteuert wird, um die Sensoreinheit (803) auf mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Temperaturwert (TV1, TV2) innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereichs (TR2) aufzuheizen und/oder abzukühlen und die jeweils zugehörigen Messwerte (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X) zu erfassen.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren bei Installation und/oder in einer Startphase des Sensorsystems (800) und/oder wiederholt, in regelmäßigen Zeitintervallen und/oder automatisch ereignisgesteuert und/oder benutzerinitiiert durchgeführt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf der Basis des mindestens einen Temperaturkompensationsparameters (TC) ein temperaturabhängiger Offset der Sensormessgröße (X) und/oder die Temperaturabhängigkeit des Ansprechverhaltens der Sensoreinheit (803) kompensiert wird.
Sensorsystem (800), mindestens umfassend: - eine Sensoreinheit (803) zur Erfassung von Messwerten (XV) einer Sensormessgröße (X); - eine Temperatursensoreinheit (805) zur Erfassung eines Temperaturwerts (TV) des Sensorsystems (800); und - eine Signalverarbeitungseinheit (807), die dazu ausgebildet ist o die Messsituation der Sensoreinheit (803) zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht, für die mindestens ein Referenz-Messwert der Sensormessgröße (X) bekannt ist, o die Temperatur (TV) der Sensoreinheit (803) zu überwachen und zu bestimmen, ob die aktuelle Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs (TR2) liegt, ◯ die Sensoreinheit (803) und die Temperatursensoreinheit (805) anzusteuern, so dass mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2) innerhalb des vorbestimmten Temperaturbetriebsbereichs (TR2) zusammen mit den jeweils zugehörigen Messwerten (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X) erfasst werden, wenn die aktuelle Messsituation einer Referenz-Messsituation entspricht; und ◯ mindestens eines Temperaturkompensationsparameters (TC) auf Basis des mindestens einen Referenz-Messwerts der Sensormessgröße (X), der mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2) und der zugehörigen Messwerte (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X) zu bestimmen.
Sensorsystem (800) nach Anspruch 9, mit mindestens einer weiteren Sensorkomponente und/oder mit einer Schaltungsanordnung zum Überwachen der Messsituation der Sensoreinheit (803).
Sensorsystem (800) nach Anspruch 9 oder 10, mit mindestens einem Datenspeicher für die erfassten mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerte (TV1, TV2) und jeweils zugehörigen Messwerte (XV1, XV2) der Sensormessgröße (X) und/oder für den mindestens einen Temperaturkompensationsparameter (TC) und/oder für einen vorgegebenen Schwellwert ΔT für die Differenz zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Temperaturwerten (TV1, TV2).
Sensorsystem (800) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 11, mit mindestens einer weiteren durch die Signalverarbeitungseinheit (807) ansteuerbaren Komponente zum gezielten Beeinflussen der Temperatur der Sensoreinheit (803).
Sensorsystem (800) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, wobei die Signalverarbeitungseinheit (807) ausgebildet ist, in einem Messbetrieb des Sensorsystems (800) erfasste Messwerte (XV) der Sensormessgröße (X) mit entsprechenden Temperaturkompensationsgrößen (T) zu korrigieren und temperaturkorrigierte Messwerte (XV) der Sensormessgröße (X) auszugeben.
Sensorsystem (800) nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 13, wobei die Sensoreinheit (803) eine MEMS-Drehratensensoreinheit, eine MEMS-Beschleunigungssensoreinheit, eine Magnetsensoreinheit oder eine MEMS-Drucksensoreinheit ist.