DE102020211467A1 - Schaltung für ein MEMS-Gyroskop sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Schaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung (100) für ein MEMS-Gyroskop mit mindestens einer zu einer Schwingungsbewegung anregbaren Masse, wobei die Schaltung des Weiteren umfasst: eine Signalgeneratorschaltung (30) zum Erzeugen eines periodischen Testsignals (31), wobei das Testsignal (31) an einem ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) einer Treiberschaltung (10) und/oder an einem zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) einer Ausleseschaltung (20) anlegbar ist und ein Antwort-Messsignal hervorruft, so dass auf Basis des Antwort-Messsignals der Phasenversatz zwischen einem Demodulationssignal (12a, 12b) und dem Antwort-Messsignal bestimmbar ist.Außerdem wird ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Gyroskops beansprucht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für ein MEMS-Gyroskop sowie ein Verfahren zum Betreiben einer entsprechenden Schaltung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltung und ein Verfahren zur Ermittlung eines Phasenversatzes in einer Betriebsschaltung eines MEMS-Gyroskops.
• Stand der Technik
• Eine der wichtigsten Eigenschaften eines MEMS-Gyroskops (Mikro-ElektroMechanisches-System) ist seine Offset-Stabilität in Abhängigkeit der Temperatur, der Belastung und der Lebensdauer. Der Hauptbeitrag des Ausgangsoffsets in einem Gyroskop ist das von der mechanischen Struktur erzeugte Quadratursignal, das dann mit einem Demodulationssignal, das nicht perfekt in Phase mit dem Ratensignal ausgerichtet ist, zum Basisband demoduliert wird. Dies ist im Allgemeinen auf ein Phasenversatz zwischen dem durch die mechanische Antriebsbewegung abgeleiteten Antriebssignal, das zum Abrufen der Synchronität innerhalb der Schaltung zum Betreiben des MEMS-Gyroskops verwendet wird, und den Raten- und Quadratursignalen zurückzuführen, die vom Auslese-Teil der Gyroskop-Mechanik bereitgestellt werden. Das Quadratursignal entsteht durch eine produktionsbedingte Asymmetrie des MEMS-Gyroskops. Hierdurch entstehen Schwingungen nicht nur in Antriebsrichtung, sondern auch in Detektionsrichtung (Leserichtung). Diese Schwingungen haben einen 90° Phasenversatz zueinander.
• Eine grundlegende Aufschlüsselung der Verzögerungen für eine Beispielarchitektur ist in 1 und in 2 dargestellt, wobei in 2 ein Pfad für eine Quadraturkompensation hinzugefügt ist.
• Gewöhnlich wird der restliche Ausgangsversatz im digitalen Datenpfad kompensiert, indem das Quadratursignal mit dem Raten-Signal durch einen passend gewählten Koeffizienten, der idealerweise ein Phasenversatz darstellt, summiert wird. Ein Beispiel für diese Technik ist z.B. im Patent US 9.410,806 B2 oder in der Patentanmeldung US 2019/0265036 A1 beschrieben.
• Um eine gute Kompensation zu erhalten, müssen die oben genannten Koeffizienten berechnet werden. Dies ist möglich:
• • Empirisch, durch Anpassung des in Abhängigkeit der Temperatur gemessenen Offsets: Der Nachteil ist die Notwendigkeit von Temperaturmessungen in der Produktion, die für den Verbrauchermarkt aus Kosten- und Mengengründen normalerweise nicht akzeptabel sind.
• • Mit einer Vorhersage des Verhaltens des Offset in Abhängigkeit der Temperatur, basierend auf einer angemessenen Anzahl von Stichproben, die in Abhängigkeit der Temperatur gemessen wurden, und einer Messung der Einflussfaktoren des Phasenversatzes bei Raumtemperatur, wo möglich.
• Das Problem mit dem bestehenden Ansätzen besteht darin, dass die Messung der Einflussfaktoren des Phasenversatzes normalerweise auf indirekte Messungen beschränkt ist, die zu einem signifikanten Fehler im Vergleich zu der Präzision führen können, die von den immer strengeren Anforderungen an Gyroskope verlangt wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wird eine Schaltung zum Betreiben eines MEMS-Gyroskops mit mindestens einer zu einer Schwingungsbewegung anregbaren Masse zur Verfügung gestellt, welche mindestens umfasst:
1. a) eine Treiberschaltung mit einem ersten MEMS-seitigen Signaleingang zum Überwachen der Schwingungsbewegung der Masse, wobei die Treiberschaltung eine Phasenregelschleife umfasst, die der Schwingungsbewegung der Masse folgt, und wobei die Treiberschaltung dazu konfiguriert ist, ein Treibersignal zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Antriebsschwingung der Masse zu erzeugen,
2. b) eine Ausleseschaltung mit einem zweiten MEMS-seitigen Signaleingang zum Erfassen von Auslenkungen der Masse in einer Detektionsrichtung und zum Umwandeln der Auslenkungen in ein elektrisches Messsignal, wobei die Ausleseschaltung dazu konfiguriert ist, aus dem Messsignal ein Nutzsignal und ein Quadratursignal zu erzeugen, indem das Messsignal mit Hilfe mindestens eines von der Phasenregelschleife zur Verfügung gestellten Demodulationssignals demoduliert wird,
3. c) eine Signalgeneratorschaltung zum Erzeugen eines periodischen Testsignals, wobei das Testsignal an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang der Treiberschaltung und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang der Ausleseschaltung anlegbar ist und ein Antwort-Messsignal hervorruft, so dass auf Basis des Antwort-Messsignals der Phasenversatz zwischen dem Demodulationssignal und dem Antwort-Messsignal bestimmbar ist.
• Die Messung des Phasenversatzes wird dank einer Signalgeneratorschaltung realisiert, die ein vorzugsweise sinusförmiges Signal erzeugt, das dann sowohl an die Eingänge der Lese- als auch der Treiberschaltung angelegt wird.
• Die beschriebene Erfindung erlaubt es:
• - den Phasenversatz des Schaltkreises ohne Unterstützung durch externe Geräte genau zu charakterisieren.
• - den Korrekturkoeffizienten für die Offset-Kompensation genauer abschätzen zu können.
• - die Möglichkeit zu schaffen, den Phasenversatz auch auf Benutzerseite mit einem automatisch eingebauten Verfahren zu messen und schließlich die für die Offset-Korrektur verwendeten Koeffizienten zu aktualisieren.
• Phasenversatz wird auch Phasenverschiebung genannt.
• Vorzugweise ist die Signalgeneratorschaltung wahlweise aktivierbar und abschaltbar / deaktivierbar.
• Vorzugsweise wird zeitlich direkt ein Phasenversatz aus dem Demodulationssignal und dem Antwort-Messsignal bestimmt. Alternativ werden Demodulationssignale und Antwort-Messsignale in Abhängigkeit der Zeit gespeichert, wobei dann an einem späteren Zeitpunkt ein Phasenversatz bestimmt werden kann. Hierbei kann z.B. von einer Person Messungen gemacht werden und dann an einem späteren Zeitpunkt von einer anderen Person der Phasenversatz bestimmt werden.
• Vorzugsweise ist die Signalgeneratorschaltung dafür konfiguriert, ein sinusförmiges Testsignal zu erzeugen, und/oder dafür konfiguriert, ein Testsignal mit der zu erwartenden Frequenz der Antriebsschwingung zu erzeugen.
• Die einfachste Lösung in Bezug auf das anzuwendende Signal wäre, entweder ein Rechteck- oder ein Dreiecksignal zu verwenden. Da jedoch das vom MEMS-Gyroskop kommende reale Signal ein Sinussignal ist, sollte ein Sinussignal verwendet werden, um das gleiche Verhalten der Schaltungen wie im Normalbetrieb (Messbetrieb) und damit eine zuverlässigere Messung zu erhalten.
• Vorzugsweise umfasst die Signalgeneratorschaltung eine Oszillatorschaltung und / oder einen Funktionsgenerator.
• Eine Oszillatorschaltung ist ein elektronisch realisierter Oszillator (daher auch kurz Oszillator genannt) zur Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung und ein Funktionsgenerator ist ein Gerät zum Erzeugen periodischer elektrischer Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen, insbesondere Sinus, Rechteck, Dreieck und Sägezahn, mit einstellbarer Frequenz (üblicherweise bis einige MHz) und Amplitude.
• Vorzugsweise umfasst die Ausleseschaltung mindestens zwei Analog-Digital-Wandler zum Umwandeln eines analogen gleichphasigen Signals und / oder zum Umwandeln eines analogen quadraturphasigen Signals in entsprechende digitale Signale.
• Digitale Signale können leichter von einem Steuermittel, welches an der erfindungsgemäßen Schaltung anschließbar ist, verarbeitet werden. Es könnte sich hierbei um einen Computer oder ein Mikrocontroller handeln.
• Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Schaltung mindestens zwei Kapazität-Spannungswandler zum Umwandeln von vom MEMS-Gyroskop empfangenen Kapazitätswerten in Spannungssignale.
• Vorzugsweise ist eine Quadraturkompensationsschaltung zur Kompensation eines Quadraturfehlers im analogen Messsignal vorgesehen, wobei die Quadraturkompensationsschaltung auf Basis des MEMS-seitigen Eingangssignals der Treiberschaltung ein analoges Quadraturkompensationssignal erzeugt, mit dem das Messsignal vor der Demodulation beaufschlagt wird.
• Mit der Beaufschlagung mit dem Quadraturkompensationssignal wird vorzugsweise das Quadratursignal verringert, noch bevorzugter ausgelöscht.
• Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Schaltung als integrierte Schaltung realisiert, bevorzugter als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch: application-specific integrated circuit, ASIC, auch Custom Chip).
• Vorzugsweise umfasst die Treiberschaltung einen Amplitudenregler, wobei der Amplitudenregler die Amplitude der definierten Antriebsschwingung der Masse einstellt.
• Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Schaltung Steuermittel vorgesehen zum Auswählen eines Betriebsmodus von mehreren vorgegebenen Betriebsmodi, die mindestens umfassen:
• • einen Messmodus, indem die Signalgeneratorschaltung kein Testsignal liefert und in dem das MEMS-Gyroskop Eingangssignale an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang der Treiberschaltung und an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang der Ausleseschaltung liefert, und
• • einen Testmodus, in dem das MEMS-Gyroskop keine Eingangssignale an die Treiberschaltung und an die Ausleseschaltung liefert und in dem die Signalgeneratorschaltung ein Testsignal an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang der Treiberschaltung und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang der Ausleseschaltung liefert.
• Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltung in einem Testmodus, umfasst grundsätzlich folgende Schritte:
1. a) Deaktivieren des MEMS-Gyroskops,
2. b) Anlegen eines von der Signalgeneratorschaltung erzeugten periodischen Testsignals an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang der Treiberschaltung und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang der Ausleseschaltung, wodurch ein Antwort-Messsignal hervorgerufen wird,
3. c) Demodulation des Antwort-Messsignals mit Hilfe eines von der Phasenregelschleife der Treiberschaltung zur Verfügung gestellten Demodulationssignals.
• Vorzugsweise bedeutet das Deaktivieren des MEMS-Gyroskops, dass des MEMS-Gyroskops keine Eingangssignale an die Treiberschaltung und an die Ausleseschaltung liefert. Daher könnte entweder die Verbindung unterbrochen werden und / oder das eigentliche MEMS-Gyroskop abgeschaltet werden. Das Deaktivieren des MEMS-Gyroskops wird benötigt um nur die Einflüsse der erfindungsgemäßen Schaltung selbst auf ein periodisches bekanntes Signal zu ermitteln.
• Vorzugsweise wird bei der Demodulation des Antwort-Messsignals ein Antwort-Nutzsignal erzeugt, und auf Basis des Antwort-Nutzsignals wird der Phasenversatz zwischen dem Demodulationssignal und dem Antwort-Messsignal bestimmt.
• Vorzugsweise wird bei einer erfindungsgemäßen Schaltung, wenn diese eine Quadraturkompensationsschaltung zur Kompensation eines Quadraturfehlers im analogen Messsignal umfasst, das periodische Testsignal nur an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang der Treiberschaltung angelegt und nicht an den MEMS-seitigen Eingang der Ausleseschaltung, und auf Basis des so gewonnenen Antwort-Nutzsignals der Beitrag der Quadraturkompensationsschaltung zum Phasenversatz zwischen Demodulationssignal und Antwort-Messsignal bestimmt.
• Vorzugsweise wird der im Testmodus bestimmte Phasenversatz zwischen Demodulationssignal und Antwort-Messsignal einer Kalibrierung und/oder Re-Kalibrierung eines MEMS-Gyroskops zugrunde gelegt, insbesondere einer Offset-Kompensation eines MEMS-Gyroskops.
• Vorzugsweise findet eine regelmäßige und / oder automatische Kalibrierung des MEMS-Gyroskops statt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System umfassend einem MEMS-Gyroskops und einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Betreiben des MEMS-Gyroskops vorgesehen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, umfassend Befehle, die bewirken, dass die erfindungsgemäße Schaltung das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
• Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Insbesondere sind Darstellungen und Beschreibungen zu bevorzugten Ausgestaltungen und Ausführungsformen des Verfahrens stets entsprechend auf die Vorrichtung, das System und das Computerprogramm übertragbar und vice versa.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines MEMS-Gyroskops mit einer Schaltung zum Betreiben des Gyroskops nach Stand der Technik,
• 2 ein weiteres Blockschaltbild eines MEMS-Gyroskops mit einer Schaltung zum Betreiben des Gyroskops nach Stand der Technik mit einer Quadraturkompensationsschaltung , und
• 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung .
• Ausführungsformen der Erfindung
• In der 1 und 2 sind Blockschaltbilder eines MEMS-Gyroskops 40 mit einer Schaltung 10, 20 zum Betreiben des Gyroskops nach Stand der Technik dargestellt. Das MEMS-Gyroskop umfasst eine Treiberachse 43, mehrere Leseachsen 42 und einen Lese-Übertragungsfunktion 44. Das MEMS-Gyroskop 40 ist über Verbindungskabel 41 auf der Treiberseite und auf der Leseseite mit der Betriebsschaltung 10, 20 verbunden. Die Treiberseite des MEMS-Gyroskops 40 ist mit einem ersten Kapazitäts-Spannungswandler 14 verbunden und die Leseseite ist mit einem zweiten Kapazitäts-Spannungswandler 24 verbunden. Der erste Kapazitäts-Spannungswandler 14 ist über eine optionale Verstärkerschaltung 18 mit einem Demodulator 17 verbunden und der zweite Kapazitäts-Spannungswandler 24 ist über eine optionale Verstärkerschaltung 18 mit einem Demodulator 25 verbunden. Der Demodulator 17 ist mit einer Phasenregelschleife 15 und über eine Schaltung 19 die die Phase von eingehenden Signalen um 90° versetzt am Demodulator 25 verbunden.
• Basierend auf der in dargestellten Beispielarchitektur wird der Phasenversatzfehler des Systems aus MEMS-Gyroskop 40 und Betriebsschaltung 10, 20 als die Verzögerung am Ratendemodulator 25 zwischen dem Demodulationstakt 12b von der Phasenregelschleife 15 und dem vom MEMS-Gyroskop 40 kommenden zu demodulierenden Signal definiert: $${\phi }_{Treiber}={\phi }_{WD}+{\phi }_{CVD}+{\phi }_{AD}+{\phi }_{CLK}$$

  

  $${\phi }_{Lese}={\phi }_{MEMS}+{\phi }_{WS}+{\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}$$

  

  $${\phi }_{Fehler}={\phi }_{Treiber}-{\phi }_{Lese}$$

  
• Wobei φ_MEMS die Verzögerung ist, die durch die Lese-Transfer-Funktion 44 des MEMS-Gyroskops eingeführt wird, während φ_WD und φ_WS die Verzögerungen sind, die durch die Verdrahtung 41 zwischen den MEMS-Elektroden und dem Eingang des Schaltung 10, 20 für den Treiber-Pfad 43 bzw. Lese-Pfad 42 eingeführt werden. Diese Ausdrücke sind dem mechanischen Teil des Gyroskops eigen, und ihre Abschätzung ist nicht Teil dieser Erfindung.
• Die Begriffe im Zusammenhang mit der Betriebsschaltung 10, 20 sind: φ_CVD und φ_CVS, Verzögerungen des Treiber- Kapazitäts-Spannungswandlers 14 und Lese-Kapazitäts-Spannungswandlers 24 (oder Verstärkerschaltung 18), φ_AD und φ_AS, Verzögerungen der Betriebsschaltung 10, 20 zwischen der Verstärkerschaltung 18 und der Demodulation für Antrieb 17 bzw. Abtastung 25 und φ_CLK, die Verzögerung der Demodulationssignale durch die Schaltung 19 zwischen dem Phasenreferenzpunkt der Phasenregelschleife 15 und dem Ratendemodulator 25.
• In der in dargestellten Architektur gibt es den zusätzlichen Begriff φ_QC, bei dem es sich um die Verzögerung einer zusätzlichen Quadraturkompensationsschaltung 50 handelt, die einen zusätzlichen Verzögerungspfad einführt: $${\phi }_{Kompensation}={\phi }_{WD}+{\phi }_{CVD}+{\phi }_{QC}+{\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}$$

  
• Die Phasenverschiebungen, welche nur die Betriebsschaltung 10, 20 betreffen sind: $${\phi }_{ATreiber}={\phi }_{CVD}+{\phi }_{AD}+{\phi }_{CLK}$$

  

  $${\phi }_{ALese}={\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}$$

  

  $${\phi }_{AKompensation}={\phi }_{CVD}+{\phi }_{QC}+{\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}$$

  
• Es wäre möglich den Betriebsschaltung 10, 20 bezogenen Teil der Phasenverzögerungen zu messen, indem ein identisches periodisches Signal am Eingang der Treiberschaltung 10 und Leseschaltung 20 angelegt wird. Dieses periodische Signal würde von der Treiberschaltung 10 gelesen, wodurch die Phasenregelschleife 15 gesperrt und das Demodulationssignal 12b erzeugt würde. Auf der Seite der Leseschaltung 20 wäre es ein Quadratursignal und würde dann durch den Raten-Demodulator 25 demoduliert werden. Der Ausgang des Ratenpfades wäre also: $$Rate=Quadratur\ast \text{sin}\left({\phi }_S\right)$$

  

  Ist also das Eingangssignal (Quadratur) bekannt, könnte die Gesamtphasenverzögerung φ_S der Betriebsschaltung 10, 20 bestimmt werden.
• 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung 100 zur Ermittlung eines Phasenversatzes in einer Betriebsschaltung 10, 20 eines MEMS-Gyroskops.
• Die erfindungsgemäße Schaltung 100 umfasst eine Treiberschaltung 10, eine Leseschaltung 20, eine Signalgeneratorschaltung 30 und optional eine Quadraturkompensationsschaltung 50. Die Treiberschaltung 10 umfasst einen Kapazitäts-Spannungswandler 14, eine Phasenregelschleife 15, einen Amplitudenregler 16 und einen Modulator 17. Die Treiberschaltung 10 umfasst mindestens drei Ausgänge und einen Eingang 13. Die Leseschaltung 20 umfasst einen Kapazitäts-Spannungswandler 24, zwei Demodulatoren 25, 26, zwei Analog-Digital-Wandler 21, 22 und optional einen Signaladdierer 27. Ein MEMS-Gyroskop 40 kann mehrere Schwingungsachsen (allgemein: x, y und z) aufweisen. Je Schwingungsachse wird eine Leseschaltung 20 benötigt. In 3 wird beispielhaft nur eine Leseschaltung 20 dargestellt. Die Leseschaltung 20 hat einen Eingang 23 für eine Schwingungsachse des MEMS-Gyroskops 40 und Ausgänge für das Ratensignal R_x und das Quadratursignal Q_X. Die Signalgeneratorschaltung 30 umfasst eine Oszillatorschaltung 33 und einen Funktionsgenerator 32 welche ein periodisches Signal 31 erzeugen.
• Die einfachste Lösung in Bezug auf das anzuwendende Signal wäre, entweder ein Rechtecksignal oder eine Dreiecksignal zu verwenden. Da das vom MEMS-Gyroskop 40 kommende reale Signal jedoch ein Sinussignal ist, sollte ein Sinussignal verwendet werden, um das gleiche Verhalten der Schaltungen 10, 20 wie im Normalbetrieb und damit eine zuverlässigere Messung zu erhalten.
• Die Phasenregelschleife 15 der Treiberschaltung 10 stellt den Demodulatoren 25, 26 der Leseschaltung 20 jeweils Demodulationssignale 12b und 12a bereit, wobei die Signale 12a und 12b zueinander einen Phasenversatz von 90° haben. Die am Eingang 23 der Leseschaltung 20 ankommenden Signale werden, optional über den Signaladdierer 27, an den Kapazitäts-Spannungswandler 24 bereitgestellt. Der Kapazitäts-Spannungswandler 24 erzeugt aus den an ihn bereitgestellten Signalen ein Messsignal M_R,Q. Das Messsignal M_R,Q wird zusammen mit dem Demodulationssignal 12b an den Demodulator 25 bereitgestellt und das Messsignal M_R,Q wird zusammen mit dem Demodulationssignal 12a an den Demodulator 26 bereitgestellt. Der Demodulator 25 erzeugt aus dem Messsignal M_R,Q und dem Demodulationssignal 12b ein Nutzsignal (Ratensignal) R_A und der Demodulator 26 erzeugt aus dem Messsignal M_R,Q und dem Demodulationssignal 12a ein Quadratursignal Q_A. Das Nutzsignal R_A wird an den Analog-Digital-Wandler 21 bereitgestellt und dieser erzeugt daraus ein digitales gleichphasiges Signal R_X und Quadratursignal Q_A wird an den Analog-Digital-Wandler 22 bereitgestellt und dieser erzeugt daraus ein digitales quadraturphasiges Signal Q_X. Die Signale R_X und Q_X stehen an Ausgängen der Ausleseschaltung 20 bereit.
• Die am Eingang 13 der Treiberschaltung 10 ankommenden Signale werden an den Kapazitäts-Spannungswandler 14 bereitgestellt. Der Kapazitäts-Spannungswandler 14 erzeugt aus den an ihn bereitgestellten Signalen Spannungssignale, welche an den Amplitudenregler 16, die Phasenregelschleife 15 und optional an die Quadraturkompensationsschaltung 50 bereitgestellt werden. Phasenregelschleife 15 und der Amplitudenregler 16 erzeugen zusammen über einen an ihnen angeschlossenen Modulator 17 das Treibersignal 11 zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Anregungsschwingung der Masse des MEMS-Gyroskops 40 basierend auf den an sie bereitgestellten Spannungssignalen. Die optionale Quadraturkompensationsschaltung 50 erzeugt aus dem Spannungssignal des Kapazitäts-Spannungswandlers 14 ein analoges Quadraturkompensationssignal 51 welches zusammen mit den am Eingang 23 der Leseschaltung 20 ankommenden Signalen am optionalen Signaladdierer 27 bereitgestellt wird. Im Idealfall gleicht das Quadraturkompensationssignal 51 die quadraturanteile des am Eingang 23 eingehenden Signals vollständig aus. In der Realität bleiben dennoch Anteile übrig.
• Das periodische Signal 31 ist am Eingang 13 der Treiberschaltung 10 und / oder am Eingang 23 der Leseschaltung 20 angeschlossen. Das periodische Signal 31 ist vorzugsweise genau dem Antriebssignal des MEMS-Gyroskops 40 angeglichen.
  Das Anlegen eines solchen Sinussignals 31 sowohl an den Treibereingang 13 als auch an den Leseeingang 23 ermöglicht die Messung des gesamten Phasendemodulationsfehlers, der durch die Schaltungen 10, 20, ohne Quadraturkompensation 50, eingeführt wird: $${\phi }_{AFehler}={\phi }_{ALese}-{\phi }_{ATreiber}={\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}-\left({\phi }_{CVD}+{\phi }_{AD}+{\phi }_{CLK}\right)$$

  
• Wird das periodische Signal 31 nur auf den Eingang 13 der Treiberschaltung mit aktiver Quadraturkompensation 50 angewendet, ermöglicht es die Messung des Phasendemodulationsfehlers, der durch die Schaltungen 10, 20 auf dem Quadraturkompensationspfad eingeführt wird: $$\begin{array}{c}{\phi }_{AFehlerQC}={\phi }_{AKompensation}-{\phi }_{ATreiber}\\ ={\phi }_{CVD}+{\phi }_{QC}+{\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}-\left({\phi }_{CVD}+{\phi }_{AD}+{\phi }_{CLK}\right)\\ ={\phi }_{QC}+{\phi }_{CVS}+{\phi }_{AS}-{\phi }_{AD}-{\phi }_{CLK}\end{array}$$

  
• Wenn die Schaltungen 10, 20 und optional Schaltung 50 zusammen als ASIC realisiert werden, können sie in jeder Testumgebung und sogar auf der Anwenderseite durchgeführt werden, wo die Messung dann mit einer digitalen Routine zur Aktualisierung der Kompensationskoeffizienten der Ratenverschiebungskorrektur verwendet werden kann.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 9410806 B2 [0004]
• US 2019/0265036 A1 [0004]

Claims (10)

1. Schaltung (100) für ein MEMS-Gyroskop mit mindestens einer zu einer Schwingungsbewegung anregbaren Masse, mindestens umfassend: a) eine Treiberschaltung (10) mit einem ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) zum Überwachen der Schwingungsbewegung der Masse, wobei die Treiberschaltung (10) eine Phasenregelschleife (15) umfasst, die der Schwingungsbewegung der Masse folgt, und wobei die Treiberschaltung (10) dazu konfiguriert ist, ein Treibersignal (11) zum Anregen und Aufrechterhalten einer definierten Anregungsschwingung der Masse zu erzeugen, b) eine Ausleseschaltung (20) mit einem zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) zum Erfassen von Auslenkungen der Masse in einer Detektionsrichtung und zum Umwandeln der Auslenkungen in ein elektrisches Messsignal (M_R,Q), wobei die Ausleseschaltung (20) dazu konfiguriert ist, aus dem Messsignal (M_R,Q) ein Nutzsignal (R_A) und ein Quadratursignal (Q_A) zu erzeugen, indem das Messsignal (M_R,Q) mit Hilfe mindestens eines von der Phasenregelschleife (15) zur Verfügung gestellten Demodulationssignals (12a, 12b) demoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung des Weiteren umfasst: c) eine Signalgeneratorschaltung (30) zum Erzeugen eines periodischen Testsignals (31), wobei das Testsignal (31) an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) der Treiberschaltung (10) und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) der Ausleseschaltung (20) anlegbar ist und ein Antwort-Messsignal hervorruft, so dass auf Basis des Antwort-Messsignals der Phasenversatz zwischen dem Demodulationssignal (12a, 12b) und dem Antwort-Messsignal bestimmbar ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dass die Signalgeneratorschaltung (30) wahlweise aktivierbar und abschaltbar ist.
3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalgeneratorschaltung (30) dafür konfiguriert ist, ein sinusförmiges Testsignal (31) zu erzeugen, und/oder dafür konfiguriert ist, ein Testsignal (31) mit der zu erwartenden Frequenz der Antriebsschwingung zu erzeugen.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quadraturkompensationsschaltung (50) zur Kompensation eines Quadraturfehlers im analogen Messsignal (M_R,Q) vorgesehen ist, wobei die Quadraturkompensationsschaltung (50) auf Basis des MEMS-seitigen Eingangssignals (13) der Treiberschaltung (10) ein analoges Quadraturkompensationssignal (51) erzeugt, mit dem das Messsignal (M_R,Q) vor der Demodulation beaufschlagt wird.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als integrierte Schaltung realisiert ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind zum Auswählen eines Betriebsmodus von mehreren vorgegebenen Betriebsmodi, die mindestens umfassen: einen Messmodus, indem die Signalgeneratorschaltung (30) kein Testsignal (31) liefert und in dem das MEMS-Gyroskop Eingangssignale an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) der Treiberschaltung (10) und an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) der Ausleseschaltung (20) liefert, und einen Testmodus, in dem das MEMS-Gyroskop keine Eingangssignale an die Treiberschaltung (10) und an die Ausleseschaltung (20) liefert und in dem die Signalgeneratorschaltung (30) ein Testsignal (31) an den erste MEMS-seitigen Signaleingang (13) der Treiberschaltung (10) und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) der Ausleseschaltung (20) liefert.
7. Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Gyroskops in einem Testmodus, wobei das MEMS-Gyroskop mit einer Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Gyroskop deaktiviert wird, dass ein von der Signalgeneratorschaltung (30) erzeugtes periodisches Testsignal (31) an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) der Treiberschaltung (10) und/oder an den zweiten MEMS-seitigen Signaleingang (23) der Ausleseschaltung (20) angelegt wird, wodurch ein Antwort-Messsignal hervorgerufen wird, und dass das Antwort-Messsignal mit Hilfe eines von der Phasenregelschleife (15) der Treiberschaltung (10) zur Verfügung gestellten Demodulationssignals (12) demoduliert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Demodulation des Antwort-Messsignals ein Antwort-Nutzsignal erzeugt wird, und dass auf Basis des Antwort-Nutzsignals der Phasenversatz zwischen dem Demodulationssignal und dem Antwort-Messsignal bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Schaltung (100) eine Quadraturkompensationsschaltung (50) zur Kompensation eines Quadraturfehlers im analogen Messsignal (M_R,Q) gemäß Anspruch 4 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das periodische Testsignal (31) nur an den ersten MEMS-seitigen Signaleingang (13) der Treiberschaltung (10) angelegt wird und nicht an den MEMS-seitigen Eingang (23) der Ausleseschaltung (20), und dass auf Basis des so gewonnenen Antwort-Nutzsignals der Beitrag der Quadraturkompensationsschaltung (50) zum Phasenversatz zwischen Demodulationssignal und Antwort-Messsignal bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Testmodus bestimmte Phasenversatz zwischen Demodulationssignal und Antwort-Messsignal einer Kalibrierung und/oder Re-Kalibrierung des MEMS-Gyroskops zugrunde gelegt wird, insbesondere einer Offset-Kompensation des MEMS-Gyroskops.

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