DE102020211325A1 - Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure - Google Patents

Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure Download PDF

Info

Publication number
DE102020211325A1
DE102020211325A1 DE102020211325.4A DE102020211325A DE102020211325A1 DE 102020211325 A1 DE102020211325 A1 DE 102020211325A1 DE 102020211325 A DE102020211325 A DE 102020211325A DE 102020211325 A1 DE102020211325 A1 DE 102020211325A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
input
compensation
capacitance
voltage
operational amplifier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020211325.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Andrea Visconti
Andrea Guerrieri
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102020211325.4A priority Critical patent/DE102020211325A1/en
Publication of DE102020211325A1 publication Critical patent/DE102020211325A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Abstract

Es wird ein Sensorsystem beansprucht, umfassend- ein mikromechanisches differentielles Sensorelement mit einer beweglichen Massenstruktur, die zumindest eine erste Teilstruktur und eine zweite Teilstruktur umfasst, wobei die mindestens zwei Teilstrukturen gegensinnig oder gleichsinnig aus einer Ruhelage auslenkbar sind, und wobei das Sensorelement ausgestattet ist mit einer ersten Sensorelektrodenanordnung zum Erfassen von Bewegungen der ersten Teilstruktur und mit einer zweiten Sensorelektrodenanordnung zum Erfassen von Bewegungen der zweiten Teilstruktur, und- eine Ausleseschaltung mit einem ersten Eingang, der an die erste Sensorelektrodenanordnung angeschlossen ist, und einem zweiten Eingang, der an die zweite Sensorelektrodenanordnung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseschaltung Schaltungsmittel umfasst, um auf der Basis der am ersten Eingang anliegenden Spannung Vinpund der am zweiten Eingang anliegenden Spannung Vinnmindestens eine Kompensationsspannung Vazu erzeugen, und um mit Hilfe der Kompensationsspannung Vaeine Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung zu kompensieren, wenn die erste und die zweite Teilstruktur gleichsinnig aus der Ruhelage ausgelenkt werden.A sensor system is claimed, comprising- a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure, which comprises at least a first partial structure and a second partial structure, wherein the at least two partial structures can be deflected in opposite directions or in the same direction from a rest position, and the sensor element is equipped with a first sensor electrode arrangement for detecting movements of the first partial structure and with a second sensor electrode arrangement for detecting movements of the second partial structure, and- a readout circuit with a first input which is connected to the first sensor electrode arrangement and a second input which is connected to the second sensor electrode arrangement is characterized in that the readout circuit comprises circuit means for generating at least one compensation voltage V a, and to use the compensation voltage Va to compensate for a change in charge on the first sensor electrode arrangement and/or on the second sensor electrode arrangement when the first and the second partial structure are deflected in the same direction from the rest position.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a sensor system according to the preamble of claim 1.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie beispielsweise Gyroskope, werden in einer Vielzahl von elektrischen Geräten als Sensoren verwendet. Es ergeben sich dabei kontinuierlich neue und vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise in der Indoor-Navigation oder Augmented Realtiy. Auch in neuartigen Geräten und Produkten, wie beispielsweise Drohnen, werden MEMS integriert.Microelectromechanical systems (MEMS), such as gyroscopes, are used as sensors in a variety of electrical devices. There are constantly new and diverse application possibilities, such as in indoor navigation or augmented reality. MEMS are also being integrated into new types of devices and products, such as drones.

In vielen Anwendungen ist die Umgebung, in der das MEMS verwendet wird, anfällig für externe Vibrationen, die beispielsweise durch Motoren oder Lautsprecher in der Nähe des MEMS verursacht werden können.In many applications, the environment in which the MEMS is used is susceptible to external vibrations, which can be caused, for example, by motors or speakers in the vicinity of the MEMS.

Für diverse MEMS, wie Gyroskope, ist es daher wichtig, Konzepte zu entwickeln, die eine hochwertige Unterdrückung von Störungen ermöglichen, die durch solche externen Vibrationen verursacht werden.For various MEMS, such as gyroscopes, it is therefore important to develop concepts that enable high-quality suppression of interference caused by such external vibrations.

Es sind hierbei Ansätze bekannt, die die negativen Einflüsse externer Vibrationen durch Anpassung der mechanischen Strukturen des Gyroskops zu lösen versuchen. So können vollständig symmetrische Doppel-Massen-Strukturen verwendet werden, die intrinsisch robuster gegenüber Vibrationen sind, und/oder mechanische Strukturen mit erhöhter Steifigkeit entlang der Vibrationsachse. Auf diese Weise regen die Vibrationen eine gleichsinnige Mode (Common Mode) in den beiden Erfassungselektroden an und das Störsignal wird über die beiden Erfassungselektroden am elektrischen Front-End der Erfassung zurückgewiesen. Dabei generiert das Potential, auf dem die Eingangsknoten der elektrischen Erfassung gehalten werden, jedoch auch in diesem Fall eine elektrische Kraft, die auf die MEMS-Elektrodenkondensatoren wirkt, was potentiell zu einer Verschlimmerung der durch die Vibrationen verursachten Störungen führen kann. In verschiedenen Applikationen können somit Probleme, Fehler und Ungenauigkeiten entstehen.Approaches are known here that try to solve the negative influences of external vibrations by adapting the mechanical structures of the gyroscope. Thus, fully symmetrical double-mass structures that are intrinsically more robust to vibrations and/or mechanical structures with increased stiffness along the vibration axis can be used. In this way, the vibrations excite a common mode in the two sensing electrodes and the spurious signal is rejected across the two sensing electrodes at the electrical front end of the sensing. However, even in this case, the potential at which the input nodes of the electrical detection are held generates an electrical force acting on the MEMS electrode capacitors, which can potentially worsen the noise caused by the vibrations. Problems, errors and inaccuracies can therefore arise in various applications.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem bereitzustellen, das eine verbesserte Robustheit gegenüber externen linearen Beschleunigungen und/oder Vibrationen aufweist.It is an object of the present invention to provide a sensor system that has improved robustness to external linear accelerations and/or vibrations.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass bei einer gleichsinnigen Auslenkung der ersten Teilstruktur und der zweiten Teilstruktur aus der Ruhelage, eine Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung kompensiert werden kann, wodurch eine mögliche Feedback-Kraft auf die Sensorelektrodenanordnungen minimiert werden kann. Hierdurch können Störungen durch externe lineare Beschleunigungen, wie Vibrationen, die zu einer gleichsinnigen Auslenkung der Teilstrukturen führen, minimiert bzw. unterbunden werden.The sensor system according to the invention according to the main claim has the advantage over the prior art that when the first partial structure and the second partial structure are deflected from the rest position in the same direction, a change in charge on the first sensor electrode arrangement and/or on the second sensor electrode arrangement can be compensated for, resulting in a possible feedback force on the sensor electrode assemblies can be minimized. As a result, interference from external linear accelerations, such as vibrations, which lead to a deflection of the substructures in the same direction, can be minimized or prevented.

Wenn sich die erste und zweite Teilstruktur aus der Ruhelage gleichsinnig auslenken, ändern sich die Kapazitäten der ersten und zweiten Sensorelektrodenanordnung. Beispielsweise für den Fall, dass eine konstante Spannung am elektronischen Eingang der Ausleseschaltung anliegt, würden sich durch diese Kapazitätsänderungen die Common Mode-Ladungen auf den beiden Sensorelektrodenanordnungen ändern. Hierdurch würde eine Feedback-Kraft entstehen, die bei einer gleichsinnigen Auslenkung der Teilstrukturen die induzierten Störsignale sogar verstärken könnte.If the first and second partial structures deflect in the same direction from the rest position, the capacitances of the first and second sensor electrode arrangements change. For example, in the event that a constant voltage is present at the electronic input of the readout circuit, the common mode charges on the two sensor electrode arrangements would change as a result of these changes in capacitance. This would create a feedback force that could even amplify the induced interference signals if the substructures were deflected in the same direction.

Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß überwunden, da auf der Basis der am ersten Eingang anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang anliegenden Spannung Vinn mindestens eine Kompensationsspannung Va erzeugt wird. Mithilfe dieser Kompensationsspannung Va ist es vorteilhafterweise möglich, eine Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung bei einer gleichsinnigen Auslenkung der erste und zweiten Teilstrukturen aus der Ruhelage zu kompensieren. Es ist somit vorzugsweise möglich, die Ladung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung im Fall von externen Vibrationen konstant zu halten.This disadvantage is overcome according to the invention since at least one compensation voltage V a is generated on the basis of the voltage V inp present at the first input and the voltage V inn present at the second input. With the help of this compensation voltage V a it is advantageously possible to compensate for a change in charge on the first sensor electrode arrangement and/or on the second sensor electrode arrangement when the first and second substructures are deflected in the same direction from the rest position. It is thus preferably possible to keep the charge on the first sensor electrode arrangement and/or on the second sensor electrode arrangement constant in the event of external vibrations.

Erfindungsgemäß kann somit die Kraftrückkopplung, die in aus dem Stand der Technik bekannten Systemen aufgrund eines mechanischen Gleichtaktsignals auf die Elektroden wirkt, reduziert werden. Es kann somit in vorteilhafter Weise ein Aufbau eines mechanischen Gleichtaktsignals auf das MEMS aufgrund von Kraftrückkopplungen vermieden werden. Hierdurch kann ein durch Vibrationen verursachtes Störsignal des MEMS reduziert werden, was eine verbesserte Anwendbarkeit des Sensors in einer Vielzahl von Produkten und Situationen ermöglicht.According to the invention, the force feedback which acts on the electrodes in systems known from the prior art as a result of a mechanical common-mode signal can thus be reduced. A build-up of a mechanical common-mode signal on the MEMS due to force feedback can thus advantageously be avoided. This can reduce noise of the MEMS caused by vibration, enabling improved applicability of the sensor in a variety of products and situations.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous configurations and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Schaltungsmittel mindestens einen Operationsverstärker umfassen, wobei dem mindestens einen Operationsverstärker eine gewichtete oder ungewichtete Summe der am ersten Eingang anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang anliegenden Spannung Vinn als Eingangssignal zugeführt wird, und wobei der mindestens eine Operationsverstärker die mindestens eine Kompensationsspannung Va als Ausgangssignal liefert, ist es vorteilhafterweise möglich, dass die Kompensationsspannung in Abhängigkeit der an den Eingängen anliegenden Spannungen Vinp und Vinn bereitgestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte und effiziente Kompensation der Ladungsänderungen auf den Sensorelektrodenanordnungen. Die Spannungen Vinp und Vinn können beispielsweise durch eine oder mehrere Controller-Schaltungen der Ausleseschaltung an den Eingängen angelegt sein.The fact that, according to one embodiment of the present invention, the circuit means comprises at least one operational amplifier, a weighted or unweighted sum of the voltage V inp present at the first input and the voltage V inn present at the second input being fed to the at least one operational amplifier as an input signal, and wherein the at least one operational amplifier supplies the at least one compensation voltage V a as an output signal, it is advantageously possible for the compensation voltage to be provided as a function of the voltages V inp and V inn present at the inputs. This results in a particularly advantageous and efficient compensation for the charge changes on the sensor electrode arrangements. The voltages V inp and V inn can be applied to the inputs by one or more controller circuits of the readout circuit, for example.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung am ersten Eingang eine erste parasitäre Kapazität Cpp vorliegt und/oder am zweiten Eingang eine zweite parasitäre Kapazität Cp, vorliegt, wobei die mindestens eine Kompensationsspannung Va über eine erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang rückgekoppelt wird und/oder über eine zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang rückgekoppelt wird, ist es vorteilhafterweise möglich, dass ein durch die mechanischen Vibrationen verursachter Stromfluss zwischen den parasitären Kapazitäten und den Sensorelektrodenanordnungen kompensiert werden kann.According to one embodiment of the present invention, a first parasitic capacitance Cpp is present at the first input and/or a second parasitic capacitance Cp is present at the second input, the at least one compensation voltage V a being applied to the first input via a first compensation capacitance Ccp is fed back and/or is fed back to the second input via a second compensation capacitance C cn , it is advantageously possible that a current flow between the parasitic capacitances and the sensor electrode arrangements caused by the mechanical vibrations can be compensated for.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein gemeinsamer Operationsverstärker zum Erzeugen einer gemeinsamen Kompensationsspannung Va vorgesehen ist, wobei die gemeinsame Kompensationsspannung Va über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang rückgekoppelt wird und über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang rückgekoppelt wird, und wobei der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers, die erste Kompensationskapazität Ccp und die zweite Kompensationskapazität Ccn so gewählt sind, dass sich die über die parasitären Kapazitäten Cpp, Cp, induzierten Ströme ipp und ipn und die über die rückgekoppelten Kompensationskapazitäten Ccp, Ccn fließenden Ströme icp und icn gegenseitig aufheben, ist es vorteilhafterweise möglich, eine effiziente Kompensation mithilfe eines gemeinsamen Operationsverstärkers zu ermöglichen. Hierdurch kann ein besonders vorteilhaftes System realisiert werden, wobei eine gemeinsame Kompensationsspannung Va erzeugt wird, die über entsprechende Kompensationskapazitäten sowohl auf den ersten Eingang als auch auf den zweiten Eingang rückgekoppelt wird. Hierbei werden der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers, die erste Kompensationskapazität Ccp sowie die zweite Kompensationskapazität Ccn vorzugsweise aufeinander abgestimmt, um eine hochwertige Ladungsträgerkompensation auf den beiden Sensorelektrodenanordnungen zu erreichen.Because according to one embodiment of the present invention, a common operational amplifier is provided for generating a common compensation voltage V a , the common compensation voltage V a being fed back to the first input via the first compensation capacitance C cp and to the second input via the second compensation capacitance C cn Input is fed back, and wherein the gain factor G of the common operational amplifier, the first compensation capacitance C cp and the second compensation capacitance C cn are selected so that the parasitic capacitances C pp , C p , induced currents i pp and i pn and the If the currents i cp and i cn flowing via the feedback compensation capacitors C cp , C cn cancel each other out, it is advantageously possible to enable efficient compensation using a common operational amplifier. As a result, a particularly advantageous system can be implemented, with a common compensation voltage V a being generated, which is fed back via corresponding compensation capacitances both to the first input and to the second input. In this case, the gain factor G of the common operational amplifier, the first compensation capacitance C cp and the second compensation capacitance C cn are preferably matched to one another in order to achieve high-quality charge carrier compensation on the two sensor electrode arrangements.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Gyroskop im Wesentlichen symmetrisch konfiguriert ist, so dass am ersten Eingang und am zweiten Eingang der Ausleseschaltung im Wesentlichen gleiche parasitäre Kapazitäten Cpp = Cp, = Cp vorliegen, wobei im Wesentlichen gleiche Kompensationskapazitäten Cep = Ccn = Cc zum Rückkoppeln der Kompensationsspannung Va auf den ersten Eingang und den zweiten Eingang vorgesehen sind, und wobei der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der parasitären Kapazität Cp und der Kompensationskapazität Ce gewählt ist als:

  • G = (Ce + Cp) / Ce, ist es möglich, eine vorteilhafte Kompensation für ein symmetrisch ausgestaltetes Gyroskop mit symmetrischen parasitären Kapazitäten am ersten und zweiten Eingang zu ermöglichen, wodurch ferner Störsignale durch eine Common Mode besonders vorteilhaft zurückgewiesen werden können.
Due to the fact that, according to one embodiment of the present invention, the gyroscope is configured essentially symmetrically, so that essentially the same parasitic capacitances C pp = C p , = C p are present at the first input and at the second input of the readout circuit, with essentially the same compensation capacitances C ep = C cn = C c are provided for feeding back the compensation voltage V a to the first input and the second input, and wherein the gain factor G of the common operational amplifier is chosen as a function of the parasitic capacitance C p and the compensation capacitance C e as:
  • G=(C e +C p )/C e , it is possible to enable an advantageous compensation for a symmetrically configured gyroscope with symmetric parasitic capacitances at the first and second input, as a result of which interference signals can also be particularly advantageously rejected by a common mode.

Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein erster Operationsverstärker zum Erzeugen einer ersten Kompensationsspannung Va1 vorgesehen ist, und wobei die erste Kompensationsspannung Va1 über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang rückgekoppelt wird, und und wobei ein zweiter Operationsverstärker zum Erzeugen der zweiten Kompensationsspannung Va2 vorgesehen ist, und wobei die zweite Kompensationsspannung Va2 über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang rückgekoppelt wird, ist es möglich, die Kompensation für die erste und die zweite Sensorelektrodenstruktur mithilfe jeweils eigen erzeugter Kompensationsspannungen Va1 und Va2 vorzunehmen.In that, according to one embodiment of the present invention, a first operational amplifier is provided for generating a first compensation voltage V a1 , and the first compensation voltage V a1 is fed back to the first input via the first compensation capacitance C cp , and a second operational amplifier for generating the second compensation voltage V a2 is provided, and with the second compensation voltage V a2 being fed back to the second input via the second compensation capacitance C cn , it is possible to compensate for the first and the second sensor electrode structure using self-generated compensation voltages V a1 and V a2 .

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es dabei denkbar, dass der Verstärkungsfaktor G1 des ersten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der ersten parasitären Kapazität Cpp und der ersten Kompensationskapazität Ccp gewählt ist als: G 1 = ( C cp + C pp ) / C cp

Figure DE102020211325A1_0001
und dass der Verstärkungsfaktor G2 des zweiten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der zweiten parasitären Kapazität Cpn und der zweiten Kompensationskapazität Ccn gewählt ist als: G 2 = ( C cn + C pn ) / C cn .
Figure DE102020211325A1_0002
Somit können für den ersten und zweiten Eingang jeweils eigene Operationsverstärker zur Erzeugung von Kompensationsspannungen vorgesehen sein, was eine besonders hohe Flexibilität bei der Ausgestaltung des Sensorsystems ermöglicht.According to one embodiment of the present invention, it is conceivable that the gain factor G 1 of the first operational amplifier is selected as a function of the first parasitic capacitance Cpp and the first compensation capacitance C cp as: G 1 = ( C cp + C pp ) / C cp
Figure DE102020211325A1_0001
and that the gain factor G 2 of the second operational amplifier depending on the second parasitic capacitance C pn and the second compensation capacitance C cn is chosen as: G 2 = ( C cn + C PM ) / C cn .
Figure DE102020211325A1_0002
Thus, separate operational amplifiers for generating compensation voltages can be provided for the first and second input, which allows a particularly high degree of flexibility in the design of the sensor system.

Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass es sich bei dem Sensorelement um ein Gyroskop handelt. Rückkopplungskräfte und letztendlich Störsignale, die durch externe Vibrationen bei einem MEMS-Gyroskop verursacht werden können, können dementsprechend unterbunden werden, was den Einsatz von MEMS-Gyroskopen in einer Vielzahl von Applikationen, in denen in der Umgebung des Gyroskops mechanische Vibrationen erzeugt werden und/oder auf das Gyroskop übertragen werden, besonders vorteilhaft ermöglicht. Die bewegliche Massenstruktur des Gyroskops ist dabei zur Erfassung von Drehraten eingerichtet.According to one embodiment of the present invention, it is provided that the sensor element is a gyroscope. Feedback forces and ultimately spurious signals that can be caused by external vibrations in a MEMS gyroscope can be suppressed accordingly, which allows the use of MEMS gyroscopes in a variety of applications in which mechanical vibrations are generated in the environment of the gyroscope and / or are transmitted to the gyroscope, particularly advantageously allows. The mobile mass structure of the gyroscope is set up to record yaw rates.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikromechanischen differentiellen Sensorelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 shows a schematic representation of a micromechanical differential sensor element according to an embodiment of the present invention;
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß dem Stand der Technik; 2 shows a schematic representation of a sensor system according to the prior art;
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 3 shows a schematic representation of a sensor system according to an embodiment of the present invention;
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 shows a schematic representation of a sensor system according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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 the various figures, the same parts are provided with the same reference symbols and are therefore usually named or mentioned only once.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen differentiellen Sensorelements 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Sensorelement 10 ist vorzugsweise ein mikroelektromechanisches Gyroskop. Das Sensorelements 10 umfasst eine bewegliche Massenstruktur 11, die zumindest eine erste Teilstruktur 12 und eine zweite Teilstruktur 13 umfasst. Die beiden Teilstrukturen 12, 13 können sowohl gegensinnig als auch gleichsinnig aus einer Ruhelage ausgelenkt werden. Bei den beiden Teilstrukturen 12, 13 kann es sich beispielsweise um zwei Teilmassen der Massenstruktur 11 handeln.In 1 1 is a schematic representation of a micromechanical differential sensor element 10 according to an embodiment of the present invention. The sensor element 10 is preferably a microelectromechanical gyroscope. The sensor element 10 includes a movable mass structure 11 which includes at least a first substructure 12 and a second substructure 13 . The two partial structures 12, 13 can be deflected from a rest position both in opposite directions and in the same direction. The two partial structures 12, 13 can be two partial masses of the mass structure 11, for example.

In 2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei lediglich eine Hälfte eines differentiellen Sensorsystems dargestellt ist. Das Sensorsystem umfasst einerseits ein Sensorelement 10 mit einer beweglichen Massenstruktur 11, die eine erste und zweiten Teilstruktur 12, 13 umfasst. Eine erste Sensorelektrodenanordnung 15 mit einer Kapazität Cs ist zum Erfassen von Bewegungen der ersten Teilstruktur 12 konfiguriert und eine zweite Sensorelektrodenanordnung 16 ist zum Erfassen von Bewegungen der zweiten Teilstruktur 13 konfiguriert. Ferner ist das Interface zwischen der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 und einem ersten Eingang 21 der Ausleseschaltung 20, die zum Auslesen eines Sensorsignals der Sensorelektrodenanordnung 15 eingerichtet ist, dargestellt. Die Schaltung umfasst Parasitärkapazitäten Cp und eine Kapazität Cf. Der Eingang der Elektronik bzw. Der Ausleseschaltung 20 wird dabei im Stand der Technik häufig mit einem Controller auf einer konstanten Spannung Vin gehalten, da dies typischerweise vorteilhaft für das Biasing der Frontendverstärkers ist. Alternativ wird der Eingang mit einem zeitdiskreten Controller oder einem einfachen periodischen Reset kontrolliert, der den Eingang in einem freien Verhalten bzw. einer freien Bewegung entsprechend der Gleichtaktmode (Common Mode) belässt, basierend auf dem Kapazitäten-Teiler zwischen der Sensorelektrodenkapazität und der Gesamtkapazität des Eingangs. In beiden Fällen ändert sich die Ladung, die auf den Sensorelektrodenanordnung 15 gespeichert ist, bei der gleichsinnigen Auslenkung der Massenstruktur 10 durch die Kapazitätsänderung der Sensorelektrodenanordnung 15. Hierdurch entsteht bei einer gleichsinnigen Bewegung der Teilstrukturen 12, 13 bzw. bei einer Common Mode eine nachteilige Rückkopplungskraft auf die Sensorelektrodenanordnung 15.In 2 1 is a schematic representation of a sensor system according to the prior art, only one half of a differential sensor system being represented. On the one hand, the sensor system comprises a sensor element 10 with a movable mass structure 11 which comprises a first and second partial structure 12, 13. A first sensor electrode arrangement 15 with a capacitance Cs is configured for detecting movements of the first substructure 12 and a second sensor electrode arrangement 16 is configured for detecting movements of the second substructure 13 . The interface between the first sensor electrode arrangement 15 and a first input 21 of the readout circuit 20, which is set up to read out a sensor signal from the sensor electrode arrangement 15, is also shown. The circuit includes parasitic capacitances C p and a capacitance C f . In the prior art, the input of the electronics or the readout circuit 20 is often kept at a constant voltage V in with a controller, since this is typically advantageous for the biasing of the front-end amplifier. Alternatively, the input is controlled with a discrete-time controller or a simple periodic reset that leaves the input behaving freely or moving freely according to the common mode, based on the capacitance divider between the sensor electrode capacitance and the total capacitance of the input . In both cases, the charge stored on the sensor electrode arrangement 15 changes when the mass structure 10 is deflected in the same direction due to the change in capacitance of the sensor electrode arrangement 15. This results in a disadvantageous feedback force when the substructures 12, 13 move in the same direction or in a common mode on the sensor electrode arrangement 15.

Derartige Nachteile können erfindungsgemäß hingegen überwunden werden, wie anhand der folgenden Erläuterungen dargestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mithilfe von zumindest einer Kompensationsspannung Va eine Ladungsänderung auf einer ersten Sensorelektrodenanordnung 15 und/oder auf einer zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 zu kompensieren, wenn die erste und die zweite Teilstruktur 12, 13 gleichsinnig aus der Ruhelage ausgelenkt werden.However, such disadvantages can be overcome according to the invention, as illustrated by the following explanations. According to the present invention, it is possible to use at least one compensation voltage V a to compensate for a change in charge on a first sensor electrode arrangement 15 and/or on a second sensor electrode arrangement 16 when the first and the second partial structure 12, 13 are deflected in the same direction from the rest position.

In einer Ruheposition ist die Ladung Q0, die auf einer Sensorelektrodenanordnung gespeichert ist, Qo = C0V0, wobei C0 die Elektrodenkapazität der Sensorelektrodenanordnung in der Ruheposition ist und wobei V0 die Spannung zwischen den beiden Platten (bzw. Strukturen) der Sensorelektrodenanordnung ist.In a rest position, the charge Q 0 stored on a sensor electrode assembly is Qo = C 0 V 0 , where C 0 is the electrode capacitance of the sensor electrode assembly is in the rest position and where V 0 is the voltage between the two plates (or structures) of the sensor electrode assembly.

Um die Ladung konstant zu halten, wenn sich die Kapazität Cs der Sensorelektrodenanordnung gemäß Cs = C0 + C(u(t)) durch ein externes Signal, wie eine Vibration, ändert, muss die angelegte Spannung V = Q 0 C s

Figure DE102020211325A1_0003
sein.In order to keep the charge constant when the capacitance C s of the sensor electrode assembly changes according to C s =C 0 +C (u(t)) by an external signal such as a vibration, the applied voltage must V = Q 0 C s
Figure DE102020211325A1_0003
be.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann die elektrostatische potentielle Energie Ue, die auf der Sensorelektrodenanordnung gespeichert ist, wie folgt dargestellt werden: U e = 1 2 C s V 2 = Q 0 2 C s .

Figure DE102020211325A1_0004
If this condition is met, the electrostatic potential energy U e stored on the sensor electrode assembly can be represented as follows: u e = 1 2 C s V 2 = Q 0 2 C s .
Figure DE102020211325A1_0004

Für einen parallelen Plattenkondensator gilt: C s = ε A g 0 + u ,

Figure DE102020211325A1_0005
wobei ε die Dielektrizitätskonstante,
A die Fläche der Platte,
g0 der Plattenabstand im Ruhezustand und
u die Änderung des Plattenabstands durch das externe Signal ist.For a parallel plate capacitor: C s = e A G 0 + and ,
Figure DE102020211325A1_0005
where ε is the dielectric constant,
A is the area of the plate,
g 0 the disk spacing at rest and
u is the change in plate spacing due to the external signal.

Die elektrostatische potentielle Energie ergibt sich demnach wie folgt: U e = C 0 C s Q 0 V 0 = ( 1 + u g 0 ) Q 0 V 0 .

Figure DE102020211325A1_0006
The electrostatic potential energy is therefore as follows: u e = C 0 C s Q 0 V 0 = ( 1 + and G 0 ) Q 0 V 0 .
Figure DE102020211325A1_0006

Die auf die Elektrode wirkende elektrostatische Kraft Fe ergibt sich aus der Ableitung der elektrostatischen potentiellen Energie: F e = d U e d u = Q 0 g 0 V 0 .

Figure DE102020211325A1_0007
The electrostatic force F e acting on the electrode results from the derivation of the electrostatic potential energy: f e = i.e u e i.e and = Q 0 G 0 V 0 .
Figure DE102020211325A1_0007

Wenn die Bedingung erfüllt ist, dass die Ladung auf der Sensorelektrodenanordnung konstant ist, ist die Kraft Fe, die auf die Sensorelektrodenanordnung wirkt, konstant und unabhängig von der Änderung des Plattenabstands u und somit insbesondere auch unabhängig von dem externen mechanischen Signal (bzw. der Vibration).If the condition is met that the charge on the sensor electrode arrangement is constant, the force F e that acts on the sensor electrode arrangement is constant and independent of the change in the plate distance u and thus in particular also independent of the external mechanical signal (or the Vibration).

In 3 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, mit dem die Ladung auf einer Sensorelektrodenanordnung konstant gehalten werden kann. In 3 ist dabei aus Darstellungsgründen nur eine Hälfte des Sensorsystems 1 bzw. des differentiellen Sensorelements 10 gezeigt. Das Sensorsystem 1 umfasst das Sensorelement 10 mit einer beweglichen Massenstruktur 10, die eine erste und zweite Teilstruktur 12, 13 umfasst. Eine erste Sensorelektrodenanordnung 15 mit einer Kapazität Csp ist zum Erfassen von Bewegungen der ersten Teilstruktur 12 konfiguriert. Ferner ist die erste Schnittstelle 22 zwischen der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 und einem ersten Eingang 21 der Ausleseschaltung 20 gezeigt. Die Ausleseschaltung 20 ist zum Auslesen von Signalen der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 eingerichtet. Das System weist eine Controller-Schaltung 40 auf, die eine, insbesondere konstante, Spannung Vinp am ersten Eingang 21 anlegt.In 3 1 is a schematic representation of a sensor system 1 according to an embodiment of the present invention, with which the charge on a sensor electrode arrangement can be kept constant. In 3 only one half of the sensor system 1 or of the differential sensor element 10 is shown for reasons of representation. The sensor system 1 includes the sensor element 10 with a movable mass structure 10, which includes a first and second partial structure 12,13. A first sensor electrode arrangement 15 with a capacitance C sp is configured to detect movements of the first substructure 12 . Furthermore, the first interface 22 between the first sensor electrode arrangement 15 and a first input 21 of the readout circuit 20 is shown. The readout circuit 20 is set up to read out signals from the first sensor electrode arrangement 15 . The system has a controller circuit 40 which applies a voltage V inp , in particular a constant voltage, to the first input 21 .

Anhand der in 3 gezeigten Ausführungsform wird das Konzept der vorliegenden Erfindung für die dargestellte Hälfte des differentiellen Sensorelements weiter erläutert. Da der Strom isp, der aus (oder in) die Kapazität Csp der Sensorelektrodenanordnung 15 fließt, der Ableitung der Ladung Qsp nach der Zeit entspricht, muss - um eine konstante Ladung Qsp auf der Sensorelektrodenanordnung 15 zu erzielen - gelten, dass der Strom isp = 0 ist.Based on the in 3 shown embodiment, the concept of the present invention for the illustrated half of the differential sensor element is further explained. Since the current i sp flowing out of (or into) the capacitance C sp of the sensor electrode assembly 15 corresponds to the derivative of the charge Q sp with respect to time, it must - in order to achieve a constant charge Q sp on the sensor electrode assembly 15 - that the current isp = 0.

Dies ergibt die Bedingung: i c p = i p p ,

Figure DE102020211325A1_0008
wobei icp der über der die erste Kompensationskapazität Ccp rückgekoppelte Strom ist und ipp der über die ersten parasitären Kapazitäten Cpp fließende Strom ist.This gives the condition: i c p = i p p ,
Figure DE102020211325A1_0008
where i cp is the current fed back via the first compensation capacitance C cp and ipp is the current flowing via the first parasitic capacitances Cpp.

Durch Einbeziehung einer ersten Kompensationsspannung Va1, die auf den ersten Eingang 21 rückgekoppelt wird, ergibt sich: d C c p ( V i n p V a 1 ) d t = d C p p V i n p d t V a 1 = C c p + C p p C c p V i n p .

Figure DE102020211325A1_0009
By including a first compensation voltage V a1 , which is fed back to the first input 21, the result is: i.e C c p ( V i n p V a 1 ) i.e t = i.e C p p V i n p i.e t V a 1 = C c p + C p p C c p V i n p .
Figure DE102020211325A1_0009

Die erste Kompensationsspannung Va1 kann daher aus der am ersten Eingang 21 anliegenden Spannung Vinp erzeugt werden, insbesondere mit einem Verstärker mit folgender Verstärkung G: G = C c p + C p p C c p .

Figure DE102020211325A1_0010
The first compensation voltage V a1 can therefore be generated from the voltage V inp present at the first input 21, in particular using an amplifier with the following gain G: G = C c p + C p p C c p .
Figure DE102020211325A1_0010

Diese Verstärkung G wird durch den Operationsverstärker 30 bereitgestellt, der die erste Kompensationsspannung Va1 als Ausgangssignal liefert. Die so erzeugte erste Kompensationsspannung Va1 wird über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang 21 rückgekoppelt.This gain G is provided by the operational amplifier 30, which supplies the first compensation voltage V a1 as an output signal. The first compensation voltage V a1 generated in this way is fed back to the first input 21 via the first compensation capacitance C cp .

Somit kann die Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 kompensiert werden.The change in charge on the first sensor electrode arrangement 15 can thus be compensated for.

Die gleichen Überlegungen gelten für den zweiten Eingang 23 der Ausleseschaltung 20, an dem das Signal der zweiten Sensorelektrodenanordnungen 16 erfasst wird (in 3 nicht dargestellt).The same considerations apply to the second input 23 of the readout circuit 20, at which the signal of the second sensor electrode arrangement 16 is detected (in 3 not shown).

In 4 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei ist ein differentielles System mit den beiden Sensorelektrodenanordnung 15, 16 für die beiden Teilstrukturen 12, 13 sowie den beiden Eingänge 21, 23 der Ausleseschaltung 20 dargestellt. Die erste Sensorelektrodenanordnung 15 mit ihrer Kapazität Csp ist zum Erfassen von Bewegungen der ersten Teilstruktur 12 konfiguriert und an den ersten Eingang 21 der Ausleseschaltung 20 angeschlossen. Die zweite Sensorelektrodenanordnung 16 mit ihrer Kapazität Csn ist zum Erfassen von Bewegungen der zweiten Teilstruktur 13 konfiguriert und an den zweiten Eingang 23 der Ausleseschaltung 20 angeschlossen. Die erste Schnittstelle 22 und die zweite Schnittstelle 24 stellen die Grenze bzw. den Anschluss der Ausleseschaltung 20 an das Sensorelement 10 dar.In 4 a schematic representation of a sensor system 1 according to an embodiment of the present invention is shown. A differential system with the two sensor electrode arrangements 15, 16 for the two substructures 12, 13 and the two inputs 21, 23 of the readout circuit 20 is shown here. The first sensor electrode arrangement 15 with its capacitance C sp is configured to detect movements of the first partial structure 12 and is connected to the first input 21 of the readout circuit 20 . The second sensor electrode arrangement 16 with its capacitance C sn is configured to detect movements of the second partial structure 13 and is connected to the second input 23 of the readout circuit 20 . The first interface 22 and the second interface 24 represent the boundary or the connection of the readout circuit 20 to the sensor element 10.

Für den ersten Eingang 21 und die Ladungskompensation der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 gelten die vorstehenden Überlegungen.The above considerations apply to the first input 21 and the charge compensation of the first sensor electrode arrangement 15 .

Entsprechend gilt für den zweiten Eingang 23 und die zweite Sensorelektrodenanordnung 16, dass der Strom isn, der aus (oder in) die Kapazität Csn der zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 fließt, der Ableitung der Ladung Qsn auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 nach der Zeit entspricht. Um eine konstante Ladung Qsn zu erzielen, muss gelten, dass der Strom isn = 0 ist.Correspondingly, for the second input 23 and the second sensor electrode arrangement 16, the current i sn flowing out of (or into) the capacitance C sn of the second sensor electrode arrangement 16 corresponds to the derivative of the charge Q sn on the second sensor electrode arrangement 16 with respect to time . In order to achieve a constant charge Q sn it must be true that the current i sn = 0.

Dies ergibt die Bedingung: i c n = i p n ,

Figure DE102020211325A1_0011
wobei ien der über der die zweite Kompensationskapazität Ccn rückgekoppelte Kompensationsstrom ist und ipn der aus der zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 in die zweiten parasitären Kapazitäten Cpn fließende Strom ist (oder umgekehrt aus den zweiten parasitären Kapazitäten Cpn in die zweite Sensorelektrodenanordnung 16).This gives the condition: i c n = i p n ,
Figure DE102020211325A1_0011
where i en is the compensation current fed back via the second compensation capacitance C cn and i pn is the current flowing from the second sensor electrode arrangement 16 into the second parasitic capacitances C pn (or vice versa from the second parasitic capacitances C pn into the second sensor electrode arrangement 16).

Durch Einbeziehung einer zweiten Kompensationsspannung Va2, die auf den zweiten Eingang 23 rückgekoppelt wird, ergibt sich: d C c n ( V i n n V a 2 ) d t = d C p n V i n n d t V a 2 = C c n + C p n C c n V i n n .

Figure DE102020211325A1_0012
By including a second compensation voltage V a2 , which is fed back to the second input 23, the result is: i.e C c n ( V i n n V a 2 ) i.e t = i.e C p n V i n n i.e t V a 2 = C c n + C p n C c n V i n n .
Figure DE102020211325A1_0012

Die zweite Kompensationsspannung Va2 kann daher aus der am zweiten Eingang 23 anliegenden Spannung Vinn erzeugt werden, insbesondere mit einer Verstärkungsstufe mit folgender Verstärkung G: G = C c n + C p n C c n .

Figure DE102020211325A1_0013
The second compensation voltage V a2 can therefore be generated from the voltage V inn present at the second input 23, in particular with an amplification stage with the following amplification G: G = C c n + C p n C c n .
Figure DE102020211325A1_0013

Diese Verstärkung G wird durch den Operationsverstärker 30 (oder einen zweiten Operationsverstärker) bereitgestellt, der die zweite Kompensationsspannung Va2 als Ausgangssignal liefert. Die so erzeugte zweite Kompensationsspannung Va2 wird über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang 23 rückgekoppelt. Somit kann die Ladungsänderung auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 kompensiert werden.This gain G is provided by the operational amplifier 30 (or a second operational amplifier), which provides the second compensation voltage V a2 as an output signal. The second compensation voltage V a2 generated in this way is fed back to the second input 23 via the second compensation capacitance C cn . The change in charge on the second sensor electrode arrangement 16 can thus be compensated for.

Es werden somit die Ladungsänderungen auf den Sensorelektrodenanordnungen 15, 16 bzw. in den Kapazitäten Csp und Csn für eine Gleichtaktmode bzw. eine gleichsinnige Auslenkung der Teilstrukturen 12, 13 kompensiert. Hingegen kann die differentielle Ladung, die das gewünschte Signal (beispielsweise eine Drehratensignal) darstellt, mit einem C/V-Konverter oder einer anderen vollständig differentiellen Ausleseschaltung ausgelesen werden.The charge changes on the sensor electrode arrangements 15, 16 or in the capacitances C sp and C sn are thus compensated for a common-mode mode or a deflection of the partial structures 12, 13 in the same direction. In contrast, the differential charge representing the desired signal (e.g., a yaw rate signal) can be read out with a C/V converter or another fully differential readout circuit.

Bei der in der 4 dargestellten Ausführungsform ist ein gemeinsamer Operationsverstärker 30 zum Erzeugen einer gemeinsamen Kompensationsspannung Va = Va1 = Va2 implementiert. Auf der Basis der am ersten Eingang 21 anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang 23 anliegenden Spannung Vinn wird durch den gemeinsamen Operationsverstärker 30 somit die gemeinsame Kompensationsspannung Va erzeugt. Diese Kompensationsspannung Va wird über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang 21 rückgekoppelt und über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang 23 rückgekoppelt. Der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers 30, die erste Kompensationskapazität Ccp und die zweite Kompensationskapazität Ccn sind dabei so gewählt, dass sich die durch die parasitären Kapazitäten Cpp, Cp, induzierten Ströme ipp und ipn und die über die rückgekoppelten Kompensationskapazitäten Ccp, Ccn fließenden Ströme icp und icn gegenseitig aufheben. Alternativ ist es auch denkbar, dass ein erster Operationsverstärker zum Erzeugen der ersten Kompensationsspannung Va1 vorgesehen ist, und dass die erste Kompensationsspannung Va1 über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang 21 rückgekoppelt wird, wobei ein zweiter Operationsverstärker zum Erzeugen der zweiten Kompensationsspannung Va2 vorgesehen ist, und wobei die zweite Kompensationsspannung Va2 über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang 23 rückgekoppelt wird.At the in the 4 The illustrated embodiment implements a common operational amplifier 30 for generating a common compensation voltage V a =V a1 =V a2 . On the basis of the voltage V inp present at the first input 21 and the voltage V inn present at the second input 23, the common operational amplifier 30 thus generates the common compensation voltage V a . This compensation voltage V a is fed back to the first input 21 via the first compensation capacitance C cp and fed back to the second input 23 via the second compensation capacitance C cn . The amplification factor G of the common operational amplifier 30, the first compensation capacitance C cp and the second compensation capacitance C cn are chosen in such a way that the currents ipp and i pn induced by the parasitic capacitances C pp , C p , and the currents ipp and i pn via the feedback compensation capacitances C cp , C cn currents i cp and i cn cancel each other out. Alternatively, it is also conceivable that a first operational amplifier is provided for generating the first compensation voltage V a1 and that the first compensation voltage V a1 is fed back to the first input 21 via the first compensation capacitance C cp , with a second operational amplifier for generating the second compensation voltage V a2 is provided, and wherein the second compensation voltage V a2 via the second compensation capacitor capacity C cn is fed back to the second input 23 .

Die 3 und 4 zeigen somit Ausführungsformen, bei denen auf der Basis der am ersten Eingang 21 anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang 23 anliegenden Spannung Vinn mindestens eine Kompensationsspannung Va erzeugt wird, wobei mit Hilfe der Kompensationsspannung Va eine Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung 15 und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung 16 kompensiert wird, wenn die erste und die zweite Teilstruktur 12, 13 gleichsinnig aus der Ruhelage ausgelenkt werden.the 3 and 4 thus show embodiments in which at least one compensation voltage V a is generated on the basis of the voltage V inp present at the first input 21 and the voltage V inn present at the second input 23, with the compensation voltage V a being used to produce a charge change on the first sensor electrode arrangement 15 and/or is compensated for on the second sensor electrode arrangement 16 when the first and the second partial structure 12, 13 are deflected in the same direction from the rest position.

Claims (8)

Sensorsystem (1), umfassend - ein mikromechanisches differentielles Sensorelement (10) mit einer beweglichen Massenstruktur (11), die zumindest eine erste Teilstruktur (12) und eine zweite Teilstruktur (13) umfasst, wobei die mindestens zwei Teilstrukturen (12, 13) gegensinnig oder gleichsinnig aus einer Ruhelage auslenkbar sind, und wobei das Sensorelement (10) ausgestattet ist mit einer ersten Sensorelektrodenanordnung (15) zum Erfassen von Bewegungen der ersten Teilstruktur (12) und mit einer zweiten Sensorelektrodenanordnung (16) zum Erfassen von Bewegungen der zweiten Teilstruktur (13), und - eine Ausleseschaltung (20) mit einem ersten Eingang (21), der an die erste Sensorelektrodenanordnung (15) angeschlossen ist, und einem zweiten Eingang (23), der an die zweite Sensorelektrodenanordnung (16) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseschaltung (20) Schaltungsmittel umfasst, um auf der Basis der am ersten Eingang (21) anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang (23) anliegenden Spannung Vinn mindestens eine Kompensationsspannung Va zu erzeugen, und um mit Hilfe der Kompensationsspannung Va eine Ladungsänderung auf der ersten Sensorelektrodenanordnung (15) und/oder auf der zweiten Sensorelektrodenanordnung (16) zu kompensieren, wenn die erste und die zweite Teilstruktur (12, 13) gleichsinnig aus der Ruhelage ausgelenkt werden.Sensor system (1), comprising - a micromechanical differential sensor element (10) with a movable mass structure (11) which comprises at least a first partial structure (12) and a second partial structure (13), the at least two partial structures (12, 13) being in opposite directions or can be deflected in the same direction from a rest position, and wherein the sensor element (10) is equipped with a first sensor electrode arrangement (15) for detecting movements of the first partial structure (12) and with a second sensor electrode arrangement (16) for detecting movements of the second partial structure ( 13), and - a readout circuit (20) having a first input (21) connected to the first sensor electrode arrangement (15) and a second input (23) connected to the second sensor electrode arrangement (16), characterized in that that the readout circuit (20) comprises circuit means, on the basis of the first input (21) applied voltage V inp and the second n input (23) applied voltage V inn to generate at least one compensation voltage V a , and to use the compensation voltage V a to compensate for a charge change on the first sensor electrode arrangement (15) and/or on the second sensor electrode arrangement (16) when the first and the second partial structure (12, 13) are deflected in the same direction from the rest position. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel mindestens einen Operationsverstärker (30) umfassen, dass dem mindestens einen Operationsverstärker (30) eine gewichtete oder ungewichtete Summe der am ersten Eingang (21) anliegenden Spannung Vinp und der am zweiten Eingang (23) anliegenden Spannung Vinn als Eingangssignal zugeführt wird, und dass der mindestens eine Operationsverstärker (30) die mindestens eine Kompensationsspannung Va als Ausgangssignal liefert.sensor system claim 1 , characterized in that the circuit means comprise at least one operational amplifier (30), in that the at least one operational amplifier (30) receives a weighted or unweighted sum of the voltage V inp present at the first input (21) and the voltage V inn is supplied as an input signal, and that the at least one operational amplifier (30) supplies the at least one compensation voltage V a as an output signal. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei am ersten Eingang (21) eine erste parasitäre Kapazität Cpp vorliegt und/oder am zweiten Eingang (23) eine zweite parasitäre Kapazität Cpn vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kompensationsspannung Va über eine erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang (21) rückgekoppelt wird und/oder über eine zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang (23) rückgekoppelt wird.Sensor system according to one of Claims 1 or 2 , wherein a first parasitic capacitance Cpp is present at the first input (21) and/or a second parasitic capacitance C pn is present at the second input (23), characterized in that the at least one compensation voltage V a is applied via a first compensation capacitance C cp to the first Input (21) is fed back and / or via a second compensation capacitance C cn is fed back to the second input (23). Sensorsystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsamer Operationsverstärker (30) zum Erzeugen einer gemeinsamen Kompensationsspannung Va vorgesehen ist, dass die gemeinsame Kompensationsspannung Va über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang (21) rückgekoppelt wird und über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang (23) rückgekoppelt wird, und dass der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers (30), die erste Kompensationskapazität Ccp und die zweite Kompensationskapazität Ccn so gewählt sind, dass sich die über die parasitären Kapazitäten Cpp, Cpn induzierten Ströme ipp und ipn und die über die rückgekoppelten Kompensationskapazitäten Ccp, Ccn fließenden Ströme icp und icn gegenseitig aufheben.sensor system according to claims 2 and 3 , characterized in that a common operational amplifier (30) is provided for generating a common compensation voltage V a , that the common compensation voltage V a is fed back to the first input (21) via the first compensation capacitance C cp and via the second compensation capacitance C cn is fed back to the second input (23), and that the gain factor G of the common operational amplifier (30), the first compensation capacitance C cp and the second compensation capacitance C cn are selected in such a way that the currents ipp. induced via the parasitic capacitances Cpp, C pn and i pn and the currents i cp and i cn flowing via the feedback compensation capacitances C cp , C cn cancel each other out. Sensorsystem nach Anspruch 4, wobei das Gyroskop (10) im Wesentlichen symmetrisch konfiguriert ist, so dass am ersten Eingang (21) und am zweiten Eingang (23) der Ausleseschaltung (20) im Wesentlichen gleiche parasitäre Kapazitäten Cpp = Cpn = Cp vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen gleiche Kompensationskapazitäten Ccp = Ccn = Cc zum Rückkoppeln der Kompensationsspannung Va auf den ersten Eingang (21) und den zweiten Eingang (23) vorgesehen sind, und dass der Verstärkungsfaktor G des gemeinsamen Operationsverstärkers (30) in Abhängigkeit von der parasitären Kapazität Cp und der Kompensationskapazität Ce gewählt ist als: G = ( C c + C p ) / C c .
Figure DE102020211325A1_0014
sensor system claim 4 , wherein the gyroscope (10) is configured essentially symmetrically, so that the first input (21) and the second input (23) of the readout circuit (20) have essentially the same parasitic capacitances C pp = C pn = C p , characterized in that that substantially equal compensation capacitances C cp = C cn = C c are provided for feeding back the compensation voltage V a to the first input (21) and the second input (23), and that the gain factor G of the common operational amplifier (30) depends from the parasitic capacitance C p and the compensation capacitance C e is chosen as: G = ( C c + C p ) / C c .
Figure DE102020211325A1_0014
Sensorsystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Operationsverstärker zum Erzeugen einer ersten Kompensationsspannung Va1 vorgesehen ist, und dass die erste Kompensationsspannung Va1 über die erste Kompensationskapazität Ccp auf den ersten Eingang (21) rückgekoppelt wird, und und dass ein zweiter Operationsverstärker zum Erzeugen der zweiten Kompensationsspannung Va2 vorgesehen ist, und dass die zweite Kompensationsspannung Va2 über die zweite Kompensationskapazität Ccn auf den zweiten Eingang (23) rückgekoppelt wird.sensor system according to claims 2 and 3 , characterized in that a first operational amplifier is provided for generating a first compensation voltage V a1 , and in that the first compensation voltage V a1 is fed back to the first input (21) via the first compensation capacitance C cp , and and in that a second operational amplifier for generating the second compensation voltage V a2 is provided, and that the second compensation voltage V a2 is fed back to the second input (23) via the second compensation capacitance C cn . Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor G1 des ersten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der ersten parasitären Kapazität Cpp und der ersten Kompensationskapazität Ccp gewählt ist als: G 1 = ( C cp + C pp ) / C cp
Figure DE102020211325A1_0015
und dass der Verstärkungsfaktor G2 des zweiten Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der zweiten parasitären Kapazität Cpn und der zweiten Kompensationskapazität Ccn gewählt ist als: G 2 = ( C cn + C pn ) / C cn .
Figure DE102020211325A1_0016
sensor system claim 6 , characterized in that the gain factor G 1 of the first operational amplifier depending on the first parasitic capacitance Cpp and the first compensation capacitance C cp is chosen as: G 1 = ( C cp + C pp ) / C cp
Figure DE102020211325A1_0015
and that the gain factor G 2 of the second operational amplifier depending on the second parasitic capacitance C pn and the second compensation capacitance C cn is chosen as: G 2 = ( C cn + C PM ) / C cn .
Figure DE102020211325A1_0016
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Sensorelement (10) um ein Gyroskop handelt.Sensor system according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the sensor element (10) is a gyroscope.
DE102020211325.4A 2020-09-09 2020-09-09 Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure Pending DE102020211325A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211325.4A DE102020211325A1 (en) 2020-09-09 2020-09-09 Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211325.4A DE102020211325A1 (en) 2020-09-09 2020-09-09 Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020211325A1 true DE102020211325A1 (en) 2022-03-10

Family

ID=80266676

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020211325.4A Pending DE102020211325A1 (en) 2020-09-09 2020-09-09 Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020211325A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030052699A1 (en) 2001-07-17 2003-03-20 Stmicroelectronics S.R.L. Method and circuit for detecting displacements using micro-electromechanical sensors with compensation of parasitic capacitances and spurious displacements
DE69829022T2 (en) 1997-07-30 2006-02-09 Litton Systems, Inc., Woodland Hills Biaxial, micro-mechanical rotary sensor system fulfilling navigation requirements
US20070163815A1 (en) 2005-11-29 2007-07-19 Stmicroelectronics S.R.I. Detection circuit using a differential capacitive sensor with input-common-mode control in a sense interface
US20100095768A1 (en) 2008-10-20 2010-04-22 Custom Sensors & Technologies, Inc. Micromachined torsional gyroscope with anti-phase linear sense transduction
DE102013218973A1 (en) 2013-09-20 2015-04-09 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Method and circuit for time-continuous detection of the position of the sensor mass with simultaneous feedback for capacitive sensors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69829022T2 (en) 1997-07-30 2006-02-09 Litton Systems, Inc., Woodland Hills Biaxial, micro-mechanical rotary sensor system fulfilling navigation requirements
US20030052699A1 (en) 2001-07-17 2003-03-20 Stmicroelectronics S.R.L. Method and circuit for detecting displacements using micro-electromechanical sensors with compensation of parasitic capacitances and spurious displacements
US20070163815A1 (en) 2005-11-29 2007-07-19 Stmicroelectronics S.R.I. Detection circuit using a differential capacitive sensor with input-common-mode control in a sense interface
US20100095768A1 (en) 2008-10-20 2010-04-22 Custom Sensors & Technologies, Inc. Micromachined torsional gyroscope with anti-phase linear sense transduction
DE102013218973A1 (en) 2013-09-20 2015-04-09 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Method and circuit for time-continuous detection of the position of the sensor mass with simultaneous feedback for capacitive sensors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009027897B4 (en) Micromechanical rotation rate sensor
DE102007030120B4 (en) Yaw rate sensor
EP3047233B1 (en) Method and circuit to continuously detect the position of a sensor mass and simultaneously provide feedback for capacitive sensors
CN103842829B (en) Offset the linear capacitance-electric pressure converter of the single amplifier of the use for transducer front end of the spurious force contributed by sensor circuit
DE102012101285B4 (en) Sensor with moving parts and preload
EP2547985B1 (en) Method for the decoupled control of the quadrature and the resonance frequency of a micro-mechanical rotation rate sensor by means of sigma-delta-modulation
EP1697696A1 (en) Method for measuring a rotation/acceleration velocity with the aid of a rotary rate coriolis gyroscope and a coriolis gyroscope for carrying out said method
EP1844552B1 (en) Delta sigma modulator
DE102008040855A1 (en) Three-axis accelerometer
DE2326233C2 (en) Method for linearizing the automatic electrostatic force compensation
EP3698195A1 (en) Micromechanical micromirror array and corresponding operating method
DE102012222225B3 (en) DRIVE AND COMPENSATION CIRCUIT FOR CAPACITIVE MEMS STRUCTURES
DE102004061804B4 (en) Micromechanical rotation rate sensor with error suppression
EP1019690B1 (en) Sensor and method for operating the same
DE102008054749A1 (en) Rotation rate sensor and method for operating a rotation rate sensor
DE102020211325A1 (en) Sensor system comprising a micromechanical differential sensor element with a movable mass structure
DE19929767C2 (en) Accelerometer
DE112015001953T5 (en) Angular rate sensor
EP1332374B1 (en) Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component
EP2425208B1 (en) Measuring element
DE102010038919B4 (en) Micromechanical system
EP2876412B1 (en) Inertial sensor and device and method for operating an inertial sensor
DE102020210121A1 (en) Micromechanical system, method for operating a micromechanical system
WO2012130541A1 (en) Control circuit, sensor array, and method for operating a control circuit
DE10046649C2 (en) vibratory gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified