DE102020211317A1 - Sensorsystem, Verfahren zur Kompensation eines Offsets eines Drehratensignals - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensorsystem mit einem MEMS-Gyroskop beansprucht, mindestens umfassend:- eine zu Schwingungen anregbare seismische Masse mit mindestens einer Elektrodenanordnung zum kapazitiven Erfassen eines Messsignals,- eine Antriebsschaltung zum Erzeugen einer Antriebsspannung zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse, wobei eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen der Antriebsschaltung und der mindestens einen Elektrodenanordnung besteht,- eine Erfassungsschaltung zum Auslesen des Messsignals und zum Erzeugen eines Drehratensignals auf Basis des Messsignals, gekennzeichnet durch Schaltungsmittel zur Kompensation eines Offsets des Drehratensignals in Abhängigkeit von der Antriebsspannung.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ausgebildete Gyroskope werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten und Anwendungen als Sensoren verwendet.
• Die Offset-Präzision der Sensoren und die Temperaturschwankung des Offsets sind dabei Schlüsselparameter, um Hochleistungsanwendungen zu ermöglichen. Bei MEMS-Gyroskopen hängt der Offset entscheidend vom Quadratur-Demodulationsfehler ab. Es gibt daher diverse Ansätze, um eine präzise Demodulation zu implementieren und den Phasendemodulationsfehler oder das Quadratursignal direkt zu kompensieren. Eine bekannte Architektur, die in Open-Loop-Gyroskopen verwendet wird, ist die Kompensation des Quadratursignals am Front-End-Eingang der Erfassungsschaltung unter Verwendung eines Signals, das von der Antriebsbewegung abgeleitet wird, wie beispielsweise in der US 7290435 B2 beschrieben. Solche Techniken können mit einer Nullraten-Ausgangskompensation (Zero-Rate-Output (ZRO)-Kompensation) kombiniert werden, bei dar das rohe Ratensignal zusammen mit einer korrekt skalierten Version des Quadratursignals kombiniert wird. Die US 9410806 B2 beschreibt eine derartige ZRO-Kompensation. Eine direkte Kombination der beiden Techniken ist in der US 2019/0265036 A1 beschrieben.
• MEMS-Gyroskope sind kapazitive Sensortypen. Daher sind parasitäre kapazitive Kopplungen eine weitere Ursache für Offsets. Eine Quelle von Offset-Fehlern aufgrund parasitärer kapazitiver Kopplung in einem Gyroskop kann dabei die Kopplung der Antriebsschaltung an die Detektion sein, die durch parasitäre Kapazitäten zwischen den Elektroden, elektrischen Leitungen und Bonddrähten entstehen kann. In der Anwendung wird versucht, diesen Effekt durch Abschirmung und perfekte Symmetrie zu minimieren. In der Praxis ist typischerweise dennoch ein Restfehler vorhanden. Dieser wird durch die ständig voranschreitende weitere Miniaturisierung zur Kosteneinsparung und zur Integration von Sensoren in kleinere IOT (Internet-of-Things)-Geräte immer entscheidender.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem bereitzustellen, mit dessen Hilfe Offset-Fehler besonders vorteilhaft reduziert werden können.
• Das erfindungsgemäße Sensorsystem gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine präzise Kompensation des Offsets eines Drehratensignals ermöglicht wird. Insbesondere ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass ein durch parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den Antriebs- und Detektionsmitteln des Gyroskops verursachter Offset im Drehratensignal effektiv korrigiert werden kann.
• Generell ist es in der Praxis möglich, dass eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den Antriebsmitteln und der Elektrodenanordnung zum Erfassen des Messsignals, insbesondere über eine kapazitive Kopplung zwischen Kapazitäten in dem MEMS, den Bonddrähten und/oder den elektrischen Leitungen, vorliegt.
• Das Drehratensignal des Gyroskops ist in Phase mit der Geschwindigkeit der schwingenden seismischen Masse des Gyroskops. Das Antriebssignal zum Antreiben der schwingenden Masse ist ebenso in Phase mit der Geschwindigkeit der seismischen Masse und daher in Phase mit der Drehrate. Die durch die Antriebsspannung verursachte parasitäre Injektion von Ladung in die Elektrodenanordnung zum Erfassen des Messsignals wird in der Erfassungsschaltung somit äquivalent zur Drehrate detektiert. Das Drehratensignal kann dadurch einen durch die Antriebsspannung induzierten parasitären Offset umfassten. Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft möglich, einen derart induzierten Offset des Drehratensignals zu kompensieren. Die Kompensation ermöglicht dabei den Ausgleich des Offsets bei Raumtemperatur, aber auch das Tracking und die Kompensation der Offset-Variation bzw. -Änderung über die Temperatur, da die Antriebsspannung sich typischerweise innerhalb einer Kontrollschleife befindet und sich mit der Temperatur ändert (bzw. geändert wird), um eine konstante Amplitude der Bewegung der schwingenden Masse zu erhalten.
• Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, die erfindungsgemäße Offset-Kompensation mit anderen Offset-Kompensationsmethoden, wie beispielsweise den eingangs beschriebenen und bereits aus dem Stand der Technik bekannten Quadratur-Kompensationsmethoden und Phasen-Kompensationsmethoden, zu kombinieren. Es ist beispielsweise denkbar, dass das Messsignal des Gyroskops ein zum Drehratensignal phasenverschobenes Quadratursignal umfasst, wobei die Schaltungsmittel - zusätzlich zur Kompensation des Offsets des Drehratensignals in Abhängigkeit von der Antriebsspannung V_Act - zu einer Kompensation eines Quadratur-induzierten Offsets des Drehratensignals in Abhängigkeit des Quadratursignals konfiguriert sind.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schaltungsmittel dazu ausgelegt sind, das analoge Drehratensignal mit der gewichteten oder ungewichteten Antriebsspannung, V_Act, zu beaufschlagen, ist es vorteilhafterweise möglich, dass die Kompensation des Drehratensignals mithilfe bzw. in Abhängigkeit der Antriebsspannung im analogen Teil der Erfassungsschaltung durchgeführt wird, insbesondere bevor das Drehratensignal digitalisiert wird.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Sensorsystem eine digitale Verarbeitungsschaltung umfasst, die dazu ausgelegt ist, den Offset des digitalisierten Drehratensignals in Abhängigkeit von der digitalisierten Antriebsspannung zu kompensieren, ist es vorteilhafterweise möglich, die Kompensation des Drehratensignals mithilfe bzw. in Abhängigkeit der digitalisierten Antriebsspannung im digitalen Backend durchzuführen, insbesondere nachdem das Drehratensignal digitalisiert wurde.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Sensorsystem mindestens einen Temperatursensor zum Erfassen von Temperaturinformationen umfasst und die digitale Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, den Offset des digitalisierten Drehratensignals zusätzlich auch in Abhängigkeit von den digitalisierten Temperaturinformationen, T, zu kompensieren, ist eine besonders vorteilhafte temperaturabhängige Kompensation unter Verwendung von Temperaturinformationen und der Antriebsspannung möglich. Somit kann eine präzise Kompensation über einen Temperaturbereich erfolgen.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, das digitalisierte Drehratensignal mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, zu beaufschlagen, wobei die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, den Kompensations-Offset, Rate_Offset, durch eine Verknüpfung der digitalisierten Temperaturinformationen, T, und der digitalisierten Antriebsspannung, V_Act, gemäß einem vorbestimmten funktionalen Zusammenhang zu erzeugen, ist es vorteilhafterweise möglich, in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen das Gyroskop Temperaturänderungen ausgesetzt sein kann, ein besonders vorteilhaftes Sensorverhalten zu erreichen.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verarbeitungsschaltung dazu ausgelegt ist, das digitalisierte Drehratensignal mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, zu beaufschlagen, der sich ergibt als: $$\text{Rate\_Offset=}\left({\text{c0+c1*T+c2*T}}^{\wedge }\text{2}\right)\text{*V\_Act},$$

  

  wobei c0, c1 und c2 vorab bestimmte Koeffizienten sind,
  ist es besonders vorteilhaft möglich,
  in Abhängigkeit von festlegbaren und/oder ermittelbaren Koeffizienten und der ermittelten Temperatur eine Offsetkompensation des Drehratensignals vorzunehmen. Die Koeffizienten sind dabei insbesondere abhängig vom individuellen Sensorsystem und den individuell vorliegenden parasitären Kapazitäten.
• Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das MEMS-Gyroskop für Messungen in mindestens zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen ausgelegt ist,
  indem das
  MEMS-Gyroskop mindestens zwei antreibbare seismische Massen zum Erfassen von mindestens zwei Messsignalen umfasst, wobei die mindestens zwei seismischen Massen zu Schwingungsbewegungen in jeweils voneinander unabhängigen Raumrichtungen angeregt werden und eine gemeinsame Antriebsschaltung für die mindestens zwei seismischen Massen vorgesehen ist, und
  indem das MEMS-Gyroskop so konfiguriert ist, dass auf Basis der mindestens zwei Messsignale mindestens zwei Drehratensignale für mindestens zwei unabhängige Raumrichtungen generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel zur Offset-Kompensation dazu ausgelegt sind, die von der gemeinsamen Antriebsschaltung erzeugte Antriebsspannung zur Kompensation der Offsets der mindestens zwei Drehratensignale zu verwenden, wobei die Kompensation des Offsets für jedes der mindestens zwei Drehratensignale individuell erfolgt, ist es möglich, eine vorteilhafte Kompensation für ein zwei oder auch dreiachsiges Gyroskop zu erzielen. Die Kompensationen sind dabei für die Achsen vorzugsweise jeweils individuell und insbesondere nicht identisch. Beispielweise ist es denkbar, dass für ein erstes Drehratensignal einer ersten Achse des Gyroskops ein erster Satz von Koeffizienten c0, c1, c2 verwendet wird und für eine zweites Drehratensignal einer zweiten Achse des Gyroskops ein vom ersten Satz von Koeffizienten verschiedener zweiter Satz von Koeffizienten verwendet wird. Hierdurch können die parasitären kapazitiven Kopplungen für die einzelnen Raumrichtungen bzw. Achsen des Gyroskops besonders vorteilhaft individuell berücksichtigt und kompensiert werden.
• Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kompensation eines Offsets eines Drehratensignals, das mithilfe eines Sensorsystems mit einem MEMS-Gyroskop erfasst und erzeugt worden ist, wobei das MEMS-Gyroskop mindestens umfasst:
• - eine zu Schwingungen anregbare seismische Masse mit mindestens einer Elektrodenanordnung zum kapazitiven Erfassen eines Messsignals,
• - eine Antriebsschaltung zum Erzeugen einer Antriebsspannung, V_Act, zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse, wobei eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen der Antriebsschaltung und der mindestens einen Elektrodenanordnung besteht,
• - eine Erfassungsschaltung zum Auslesen des Messsignals und zum Erzeugen eines Drehratensignals auf Basis des Messsignals,
dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Kompensation in Abhängigkeit von der Antriebsspannung, V_Act, erfolgt.
• Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen, dass das analoge Drehratensignal zur Offset-Kompensation mit der gewichteten oder ungewichteten Antriebsspannung, V_Act, beaufschlagt wird.
• Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen, dass Temperaturinformationen erfasst und digitalisiert werden und der Offset-Kompensation des digitalisierten Drehratensignals zugrunde gelegt werden. Die Temperaturinformationen werden vorzugsweise mithilfe eines Temperatursensors erfasst, mithilfe eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert und der digitalen Verarbeitungsschaltung bereitgestellt.
• Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen, dass das digitalisierte Drehratensignal mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, beaufschlagt wird, und dass der Kompensations-Offset, Rate_Offset, durch Verknüpfung der digitalisierten Temperaturinformationen, T, und der digitalisierten Antriebsspannung, V_Act, gemäß einem vorbestimmten funktionalen Zusammenhang erzeugt wird.
• Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen, dass der Kompensations-Offset, Rate_Offset, bestimmt wird als: $$\text{Rate\_Offset=}\left({\text{c0+c1*T+c2*T}}^{\wedge }\text{2}\right)\text{*V\_Act},$$

  

  wobei c0, c1 und c2 vorab bestimmte Koeffizienten sind.
• Für das Verfahren zur Kompensation eines Offsets eines Drehratensignals können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsystems beschrieben worden sind.
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Figurenliste
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Ausführungsformen der Erfindung
• In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
• In 1 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Sensorsystem 100 umfasst ein mikroelektromechanisches Gyroskop (MEMS-Gyroskops) 1 mit einer zu Schwingungen anregbaren seismische Masse 21. Zusätzlich umfasst das Gyroskop eine zweite und dritte zu Schwingungen anregbare seismische Masse 21', 21''. Mithilfe der Massen 21, 21', 21'' können Messsignale 200, 200', 200” für drei unabhängige Raumrichtungen detektiert werden und mit Erfassungsschaltungen 20, 20', 20'' jeweils Drehratensignale aus den Messsignalen 200, 200', 200 für die drei Raumrichtungen erhalten werden. Die Drehratensignale können digitalisiert werden und einer digitalen Verarbeitungsschaltung 40 als digitalisierte Drehratensignale 210, 210', 210'' bereitgestellt werden. Die seismischen Massen 21, 21', 21'' können über eine gemeinsame Antriebsschaltung 10 angetrieben werden.
• Im Folgenden wird das System anhand des Messsignals 200 bzw. digitalisierten Drehratensignals 210, also für eine der drei Detektionsachsen, beschrieben. Für die Messsignale 200', 200" der weiteren Massen 21', 21'' können jedoch entsprechende Kompensationsmethoden angewandt werden, wobei die Kompensation für die drei Raumrichtungen und drei Messsignale 200, 200', 200'' vorzugsweise jeweils individuell und insbesondere mit eigenen Parametern erfolgt.
• Das Sensorsystem 100 umfasst eine Antriebsschaltung 10, die zum Erzeugen einer Antriebsspannung, V_Act, zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse 21 konfiguriert ist. Auf Grundlage der Antriebsspannung, V_Act, wird in Phase mit einer Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_VEL, mithilfe entsprechender Schaltungsmittel 11, 12 das Antriebssignal 300 erzeugt und an die seismische Masse 21 angelegt, sodass die seismische Masse 21 zu Schwingungen angetrieben wird. Die Antriebsschaltung umfasst einen C/V-Konverter 15, mit dessen Hilfe die Antriebsbewegung der Antriebsmasse detektiert wird. Eine nachgeschaltete Phasenregelschleife 13 (Phase-Locked-Loop, PLL) führt eine Phasendemodulation des Signals durch. Die Phasendemodulation wird mit einem Clock- bzw. Taktsignal in Phase mit der Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_VEL, durchgeführt. Die Phasenregelschleife 13 misst die Frequenz und die Phase des Inputs und stellt eine geschlossene Schleife (closed loop) bereit. Die Phasenregelschleife 13 kann dafür typischerweise einen Demodulationsblock (Phasendetektor), einen PLL-Filter 13' und einen spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) 13'' umfassen. Das vom VCO 13'' ausgegebene Clocksignal wird mithilfe eines Frequenzteilers (1/N) 13''' auf den Phasendetektor zurückgekoppelt. Die Phasenregelschleife 13 stellt ferner das Clocksignal, DIG-CLK, für die digitale Verarbeitungsschaltung 40 bereit.
• Ferner umfasst die Antriebsschaltung 10 einen Amplitudenregulator 14 zur Amplitudendemodulation. Die Amplitudendemodulation erfolgt mithilfe eines Signals, das in Phase mit der Position der Masse 21 ist, also um 90° phasenverschoben zur Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_VEL. Der Amplitudenregulator 14 vergleicht die Bewegung der Masse 21 mit einer Referenz, REF, und treibt die Masse 21 derart an, dass eine konstante Amplitude der Massenschwingung erhalten wird. Die vom Amplitudenregulator 14 ausgegebene Antriebsspannung, V_Act, wird dann über Schaltungsmittel 11 in Phase mit der Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_VEL, moduliert und als Antriebssignal 300 an die seismische Masse 21 angelegt. Die Modulation kann beispielsweise mit einem Rechtecksignal oder einem Sinussignal erfolgen.
• Das MEMS-Gyroskop 1 reagiert auf eine anliegende Drehrate über die Corioliskraft, wodurch eine Bewegung orthogonal zur Antriebsbewegung und proportional zur Geschwindigkeit der Masse 21 erzeugt wird. Das Messignal 200 betreffend die seismische Masse 21 wird mit mindestens einer Elektrodenanordnung kapazitiv erfasst und der analogen Erfassungsschaltung 20 über einen C/V-Konverter 24 bereitgestellt. Durch eine Demodulation mithilfe einer Demodulationseinrichtung 23 wird aus dem Messsignal 200 das Drehratensignal erzeugt. Diese Demodulation erfolgt in Phase mit der Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_VEL. Durch einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 22 wird das erhaltene Drehratensignal digitalisiert und einer digitalen Verarbeitungsschaltung 40 bereitgestellt.
• Zwischen der Antriebsschaltung 10, 11, 12 und der Elektrodenanordnung, die zum kapazitiven Erfassen des Messsignals eingerichtet ist, und dabei insbesondere zwischen Bonddrähten, elektrischen Leitungen und/oder Elektroden der Antriebsschaltung 10, 11, 12 und der Elektrodenanordnung, liegt eine parasitäre kapazitive Kopplung vor, sodass durch die Antriebsspannung, V_Act, eine parasitäre Ladung in der Elektrodenanordnung der Erfassung induziert werden kann. Die Antriebsspannung, V_Act, des Antriebssignals 300 ist dabei, wie bereits beschreiben, in Phase mit der Geschwindigkeit der seismischen Masse 21, CLK_Vel, und somit in Phase mit dem Drehratensignal, welches aus dem Messsignal 200 erhalten wird. Dementsprechend führt die kapazitive Kopplung zwischen der Antriebsschaltung 10, 11, 12 und der Elektrodenanordnung dazu, dass durch die Antriebsspannung, V_Act, ein parasitärer Offset in dem Drehratensignal erzeugt wird, da beide jeweils in Phase mit der Geschwindigkeit der Masse 21, CLK_Vel, sind.
• Bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel wird der Offset des digitalisierten Drehratensignals 210, also nachdem das Drehratensignal digitalisiert wurde, in Abhängigkeit von der digitalisierten Antriebsspannung, V_Act, kompensiert. Das in der Erfassungsschaltung 20 erzeugte Drehratensignal wird dafür durch den Analog-Digital-Wandler 22 digitalisiert und in der digitalen Verarbeitungsschaltung 40 mit einem Filter 41 gefiltert. Die von dem Amplitudenregulator 14 ausgegebene Antriebsspannung, V_Act, wird über einen Analog-Digital-Wandler 30 digitalisiert, mit einem Filter 42 gefiltert, und ebenfalls der digitalen Verarbeitungsschaltung 40 bereitgestellt. Die Kompensation erfolgt ferner unter Verwendung von Temperaturinformationen 220, die durch einen Temperatursensor 50 erfasst werden und mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers 51 und eines Filters 43 digitalisiert und gefiltert werden. Die so erhaltenen digitalisierten Temperaturinformationen werden der digitalen Verarbeitungsschaltung 40 bereitgestellt. Zur Offset-Kompensation beaufschlagt die digitale Verarbeitungsschaltung 40 das digitalisierte Drehratensignal mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset. Der Kompensations-Offset, Rate_Offset, kann insbesondere über den folgenden Zusammenhang erhalten werden: $$\text{Rate\_Offset=}\left({\text{c0+c1*T+c2*T}}^{\wedge }\text{2}\right)\text{*V\_Act},$$

  

  wobei T die durch die Temperaturinformationen angegebene Temperatur ist,
  wobei c0, c1 und c2 vorab bestimmte Koeffizienten sind. Die Koeffizienten c0, c1, c2 sind typischerweise für jede der Achsen des Gyroskops und somit für jedes der Messsignale 200, 200', 200'' der unterschiedlichen Achsen des Gyroskops individuell und insbesondere unterschiedlich, da die parasitären Kapazitäten für die unterschiedlichen Kanäle typischerweise nicht identisch sind. Es ist daher besonders vorteilhaft, dass pro Kanal des Gyroskops ein eigener Satz von Koeffizienten c0, c1, c2 ausgewählt werden kann bzw. vorhanden ist.
• Alternativ zu dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Kompensationsprinzip in ASIC Architekturen zu benutzen, in denen für den Antrieb und/oder die Erfassung die Demodulation im digitalen Bereich stattfindet, beispielsweise in der digitalen Verarbeitungsschaltung 40. In diesem Fall kann der Analog-Digital-Wandler beispielsweise direkt dem C/V-Konverter nachgeschaltet sein oder gar direkt an die Detektionselektroden angebunden sein. Die Kompensation des Offsets in Abhängigkeit der Antriebsspannung, V_Act, kann somit erfindungsgemäß unabhängig von der genauen Realisierung der Signalerfassung, insbesondere der Erfassungsschaltung und digitalen Verarbeitungsschaltung, implementiert werden.
• Ferner sind auch alternative Implementierungen für die Antriebsschaltung 10 denkbar. Im Falle einer Antriebscontroller-Architektur, bei der der Amplitudenregulator 14 in der digitalen Domäne realisiert ist, kann die digitalisierte Antriebsspannung, V_Act, direkt von dem Controller bzw. Amplitudenregulator 14 in der digitalen Domäne erhalten werden, ohne dass eine Analog-Digital-Wandlung mithilfe des Analog-Digital-Wandlers 30 nötig ist.
• In 2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird der Offset des Drehratensignals 210 - im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der 1 - in der analogen Erfassungsschaltung 200 kompensiert, nachdem das analoge Drehratensignal durch die Demodulationseinrichtung 23 aus dem Messsignal 200 erhalten wurde. Die Kompensation erfolgt somit vor der Digitalisierung des Drehratensignals durch den Analog-Digital-Wandler 22. Die Kompensation des Offsets erfolgt dabei unter Zuhilfenahme und in Abhängigkeit der Antriebsspannung, V_Act, die von dem Amplitudenregulator 14 ausgegeben wird. Zur Offset-Kompensation wir das Drehratensignal vorzugsweise mit der gewichteten Antriebsspannung, V_Act, unter Verwendung eines oder mehrerer Koeffizienten A2 beaufschlagt. Nachdem das derart kompensierte analoge Drehratensignal digitalisiert wurde, ist es möglich, dass in der digitalen Verarbeitungsschaltung 40 zusätzlich eine Temperaturabhängige Kompensation in Abhängigkeit der digitalisierten Temperaturinformationen des Temperatursensors 50 durchgeführt wird.
• Der im Zuge der Ausführungsformen und -beispiele beschriebene Offset des Drehratensignals durch parasitäre kapazitive Kopplungen ist unabhängig von Offsets, die durch Quadratureffekte induziert werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Kompensation der durch parasitäre Kapazitäten induzierten Offsets kann daher mit anderen Kompensationsmethoden zur Kompensation von quadraturinduzierten Offsets kombiniert werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 7290435 B2 [0003]
• US 9410806 B2 [0003]
• US 2019/0265036 A1 [0003]

Claims (12)

1. Sensorsystem (100) mit einem MEMS-Gyroskop (1), mindestens umfassend: - eine zu Schwingungen anregbare seismische Masse (21) mit mindestens einer Elektrodenanordnung zum kapazitiven Erfassen eines Messsignals (200), - eine Antriebsschaltung (10) zum Erzeugen einer Antriebsspannung (V_Act) zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse (21), wobei eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen der Antriebsschaltung (10) und der mindestens einen Elektrodenanordnung besteht, - eine Erfassungsschaltung (20) zum Auslesen des Messsignals (200) und zum Erzeugen eines Drehratensignals auf Basis des Messsignals (200), gekennzeichnet durch Schaltungsmittel zur Kompensation eines Offsets des Drehratensignals in Abhängigkeit von der Antriebsspannung (V_Act).
2. Sensorsystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel dazu ausgelegt sind, das analoge Drehratensignal mit der gewichteten oder ungewichteten Antriebsspannung (V_Act) zu beaufschlagen.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine digitale Verarbeitungsschaltung (40), die dazu ausgelegt ist, den Offset des digitalisierten Drehratensignals (210) in Abhängigkeit von der digitalisierten Antriebsspannung (V_Act) zu kompensieren.
4. Sensorsystem nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch mindestens einen Temperatursensor (50) zum Erfassen von Temperaturinformationen und durch eine digitale Verarbeitungsschaltung (40), die dazu ausgelegt ist, den Offset des digitalisierten Drehratensignals (210) zusätzlich auch in Abhängigkeit von den digitalisierten Temperaturinformationen, T, zu kompensieren.
5. Sensorsystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung (40) dazu ausgelegt ist, das digitalisierte Drehratensignal (210) mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, zu beaufschlagen, und dass die Verarbeitungsschaltung (40) dazu ausgelegt ist, den Kompensations-Offset, Rate_Offset, durch eine Verknüpfung der digitalisierten Temperaturinformationen, T, und der digitalisierten Antriebsspannung (V_Act) gemäß einem vorbestimmten funktionalen Zusammenhang zu erzeugen.
6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsschaltung (40) dazu ausgelegt ist, das digitalisierte Drehratensignal (210) mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, zu beaufschlagen, der sich ergibt als: $$\text{Rate\_Offset=}\left({\text{c0+c1*T+c2*T}}^{\wedge }\text{2}\right)\text{*V\_Act},$$

   

   wobei c0, c1 und c2 vorab bestimmte Koeffizienten sind.
7. Sensorsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das MEMS-Gyroskop (1) für Messungen in mindestens zwei voneinander unabhängigen Raumrichtungen ausgelegt ist, indem das MEMS-Gyroskop (1) mindestens zwei antreibbare seismische Massen (21, 21', 21'') zum Erfassen von mindestens zwei Messsignalen (200, 200', 200'') umfasst, wobei die mindestens zwei seismischen Massen (21, 21', 21'') zu Schwingungsbewegungen in jeweils voneinander unabhängigen Raumrichtungen angeregt werden und eine gemeinsame Antriebsschaltung (10) für die mindestens zwei seismischen Massen (21, 21', 21'') vorgesehen ist, und indem das MEMS-Gyroskop (1) so konfiguriert ist, dass auf Basis der mindestens zwei Messsignale (200, 200', 200'') mindestens zwei Drehratensignale (210, 210', 210'') für mindestens zwei unabhängige Raumrichtungen generiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel zur Offset-Kompensation dazu ausgelegt sind, die von der gemeinsamen Antriebsschaltung (10) erzeugte Antriebsspannung (V_Act) zur Kompensation der Offsets der mindestens zwei Drehratensignale (210, 210', 210'') zu verwenden, wobei die Kompensation des Offsets für jedes der mindestens zwei Drehratensignale (210, 210', 210'') individuell erfolgt.
8. Verfahren zur Kompensation eines Offsets eines Drehratensignals (210), das mithilfe eines Sensorsystems (100) mit einem MEMS-Gyroskop (1) erfasst und erzeugt worden ist, wobei das MEMS-Gyroskop (1) mindestens umfasst: - eine zu Schwingungen anregbare seismische Masse (21) mit mindestens einer Elektrodenanordnung zum kapazitiven Erfassen eines Messsignals (200), - eine Antriebsschaltung (10) zum Erzeugen einer Antriebsspannung (V_Act) zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse (21), wobei eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen der Antriebsschaltung (10) und der mindestens einen Elektrodenanordnung besteht, - eine Erfassungsschaltung (20) zum Auslesen des Messsignals (200) und zum Erzeugen eines Drehratensignals auf Basis des Messsignals (200), dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Kompensation in Abhängigkeit von der Antriebsspannung (V_Act) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Drehratensignal zur Offset-Kompensation mit der gewichteten oder ungewichteten Antriebsspannung (V_Act) beaufschlagt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturinformationen erfasst und digitalisiert werden und der Offset-Kompensation des digitalisierten Drehratensignals (210) zugrunde gelegt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das digitalisierte Drehratensignal (210) mit einem Kompensations-Offset, Rate_Offset, beaufschlagt wird, und dass der Kompensations-Offset, Rate_Offset, durch Verknüpfung der digitalisierten Temperaturinformationen, T, und der digitalisierten Antriebsspannung (V_Act) gemäß einem vorbestimmten funktionalen Zusammenhang erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensations-Offset, Rate_Offset, bestimmt wird als: $$\text{Rate\_Offset=}\left({\text{c0+c1*T+c2*T}}^{\wedge }\text{2}\right)\text{*V\_Act},$$

    

    wobei c0, c1 und c2 vorab bestimmte Koeffizienten sind.

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