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Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorsystem und eine elektronische Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem.
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Stand der Technik
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Ein gegenwärtig sehr starker Technik-Trend sind sogenannte In-Ear-Kopfhörer, welche kabellos direkt im Ohr getragen werden. In einer möglichen technischen Ausführungsform verfügen diese In-Ear-Kopfhörer über mehrere Mikrofone und Beschleunigungssensoren. Die Beschleunigungssensoren müssen hierbei derart betreibbar sein, dass gemessene Signale der Sensoren keine wahrnehmbaren Töne erzeugen. Aufgrund ihrer hohen Performance und ihres guten Signal-Rausch-Verhältnisses kommen in diesem Bereich vermehrt Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler (SD-ADC) zum Einsatz. Bei Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlern ist jedoch das Entstehen eines ungewollten sogenannten Idle-Tone-Verhaltens ein bekanntes Problem, bei dem bei Anliegen eines Idle-Signals, sprich eines Signals mit verschwindender Signalstärke, im Rauschleistungsspektrum des SD-ADC Schwingungen messbar sein können, die deutlich über dem allgemeinen Rauschuntergrundsignal des Sensors liegen können und einen für den Mensch hörbaren Ton erzeugen können.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorsystem und eine elektronische Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem und durch die elektronische Vorrichtung der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorsystem mit einem mikroelektronischen Beschleunigungssensorelement zum Erfassen von auf das Beschleunigungssensorelement einwirkenden Beschleunigungswerten, einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler zum Wandeln der analogen Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements in digitale Ausgangssignale des Sensorsystems und einem ersten Signalgeneratorelement und einem zweiten Signalgeneratorelement bereitgestellt, wobei das erste Signalgeneratorelement zwischen dem Beschleunigungssensorelement und dem Analog-Digital-Wandler geschaltet und eingerichtet ist, die Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements mit einem vorbestimmten Signalwert zu beaufschlagen, wobei der Signalwert des ersten Signalgeneratorelements einem Beschleunigungswert entspricht, der größer ist als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung, und wobei das zweite Signalgeneratorelement in einer Signalverarbeitungsrichtung nach dem Analog-Digital-Wandler verschaltet und eingerichtet ist, die digitalen Ausgangssignale des Analog-Digital-Wandlers um den Signalwert des ersten Signalgeneratorelements zu korrigieren.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorsystem bereitgestellt werden kann, bei dem ein Idle-Ton eines Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers vermieden werden kann. Über ein erstes Signalgeneratorelement werden die Ausgangssignale eines Beschleunigungssensorelements des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems mit einem Signalwert beaufschlagt, der einem Beschleunigungswert entspricht, der größer ist als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung. Durch Beaufschlagung der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements mit dem genannten Signalwert wird erreicht, dass bei Ruhelage des Beschleunigungssensorsystems, in der lediglich die Erdschwerebeschleunigung auf das Beschleunigungssensorsystem einwirkt, verhindert wird, dass ein Nullsignal von dem Beschleunigungssensorelement an den Analog-Digital-Wandler ausgegeben wird. Durch die Beaufschlagung des Signalwerts auf die Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements werden zu jeder Zeit von Null verschiedene Signale an den Analog-Digital-Wandler ausgegeben, sodass ein Idle-Ton des Analog-Digital-Wandlers vermieden wird, der ausschließlich dann auftritt, wenn der Analog-Digital-Wandler sich in einem Idle-Zustand befindet, in dem ein Nullsignal am Analog-Digital-Wandler anliegt. Indem der Signalwert größer ist als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung, ist in jeglicher Ruhelage des Beschleunigungssensorsystems gewährleistet, dass von Null verschiedene Signale am Analog-Digital-Wandler anliegen.
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Nach einer Ausführungsform entspricht der Signalwert der zweifachen Erdschwerebeschleunigung.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die am Analog-Digital-Wandler anliegenden Signale einen möglichst großen Abstand zum Nullsignal aufweisen, sodass mit einer erhöhten Sicherheit gewährleistet sein kann, dass der Analog-Digital-Wandler sich nicht im Idle-Zustand befindet und somit keinen Idle-Ton produziert.
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Nach einer Ausführungsform ist das erste Signalgeneratorelement eingerichtet, nur Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements mit dem vorbestimmten Signalwert zu beaufschlagen, die dem Nullsignal entsprechen.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Analog-Digital-Wandlung erreicht werden kann, indem die Beaufschlagung der Ausgangssignale nur dann sattfindet, wenn ein Idle-Ton durch den Analog-Digital-Wandler zu befürchten ist. Für von Null verschiedene Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements findet keine Beaufschlagung statt. Hierdurch können Fehler durch die Beaufschlagung vermieden werden, was zu einer erhöhten Präzision des Beschleunigungssensorsystems beiträgt.
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Nach einer Ausführungsform ist das Beschleunigungssensorelement als ein dreidimensionales Beschleunigungssensorelement mit drei Messkanälen ausgebildet, wobei das erste Signalgeneratorelement eingerichtet ist, Ausgangssignale jedes Messkanals des Beschleunigungssensorelements mit dem Signalwert zu beaufschlagen, und wobei das zweite Signalgeneratorelement eingerichtet ist, digitale Ausgangssignale des Analog-Digital-Wandlers für jeden Messkanal um den Signalwert zu korrigieren.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass für eine beliebige Lage des Beschleunigungssensorsystems eine Beaufschlagung der jeweiligen Ausgangswerte des Beschleunigungssensorelements mit dem vorbestimmten Signalwert ermöglicht ist und somit für jegliche Lage des Beschleunigungssensorsystems vermieden werden kann, dass der Analog-Digital-Wandler im Idle-Zustand einen Idle-Ton produziert.
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Nach einer Ausführungsform umfasst der Signalwert für jeden Messkanal des Beschleunigungssensors einen Signalteilwert, wobei jeder Signalteilwert einem Beschleunigungswert in eine Raumrichtung des jeweiligen Messkanals entspricht, der größer ist als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung, und wobei Signalteilwerte unterschiedlicher Messkanäle unterschiedliche Werte aufweisen.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass für jeden Messkanal des Beschleunigungssensorelements eine Beaufschlagung der entsprechenden Ausgangssignale mit dem vorbestimmten Signalteilwert ermöglicht ist und somit gewährleistet werden kann, dass bei beliebiger Lage bzw. Orientierung des Beschleunigungssensorsystems ein Idle-Ton des Analog-Digital-Wandlers aufgrund des Anliegens eines Nullsignals vermieden werden kann.
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Nach einer Ausführungsform sind das erste Signalgeneratorelement und das zweite Signalgeneratorelement als Auswerteschaltungen, insbesondere als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen ASIC, ausgebildet.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine technisch einfache Ausbildung der ersten und zweiten Signalgeneratorelemente ermöglicht ist.
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Nach einer Ausführungsform ist das Beschleunigungssensorelement als ein kapazitives Beschleunigungssensorelement ausgebildet.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein technisch robustes und präzises Beschleunigungssensorelement bereitgestellt werden kann.
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Nach einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem ferner einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler, wobei der Kapazitäts-Spannungs-Wandler zwischen dem ersten Signalgeneratorelement und dem Analog-Digital-Wandler verschaltet und eingerichtet ist, die kapazitiven Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements in Spannungssignale zu wandeln.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Verarbeitung der Ausgangssignale des kapazitiven Beschleunigungssensorelements ermöglicht ist.
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Nach einer Ausführungsform ist das Sensorsystem als ein Mikrofon einsetzbar.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine möglichst breite Anwendung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ermöglicht ist.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem nach einer der voranstehenden Ausführungsformen bereitgestellt.
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Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine elektronische Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem mit den oben genannten technischen Vorteilen bereitgestellt werden kann. Die elektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein In-Ear-Kopfhörer sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den schematischen Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems gemäß einer Ausführungsform; und
- 2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Sensorsystem gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt ein Sequenzdiagramm eines erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 ein mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorelement 101, einen Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103, ein erstes Signalgeneratorelement 105, ein zweites Signalgeneratorelement 107 und einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler 109. Das erste Signalgeneratorelement 105 ist zwischen dem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorelement 101 und dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 verschaltet. Das zweite Signalgeneratorelement 107 ist in einer Signalverarbeitungsrichtung D nach dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 verschaltet. Der Kapazitäts-Spannungs-Wandler 109 ist hingegen zwischen dem ersten Signalgeneratorelement 105 und dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 verschaltet.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorelement 101 als ein kapazitives Beschleunigungssensorelement ausgebildet und eingerichtet, Beschleunigungen des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 zu detektieren und entsprechende Kapazitätssignale als Ausgangssignale an das erste Signalgeneratorelement 105 auszugeben.
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Das erste Signalgeneratorelement 105 ist eingerichtet, die Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 mit einem vorbestimmten Signalwert zu beaufschlagen. Der vorbestimmte Signalwert entspricht hierbei einem Beschleunigungswert, der größer als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung ist. Durch das Beaufschlagen der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 mit dem vorbestimmten Signalwert wird erreicht, dass bei einer Ruhelage des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100, bei der das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 unbeschleunigt ist und in der auf das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 ausschließlich die Erdschwerebeschleunigung einwirkt, die Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 einen von Null verschiedenen Wert aufweisen.
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Von dem ersten Signalgeneratorelement 105 werden die mit dem vorbestimmten Signalwert beaufschlagten Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 an den Kapazitäts-Spannungs-Wandler 109 übertragen. Der Kapazitäts-Spannungs-Wandler 109 ist eingerichtet, die kapazitiven Ausgangssignale des kapazitiven Beschleunigungssensorelements 101 in Spannungssignale umzuwandeln. Die von dem Kapazitäts-Spannungs-Wandler 109 umgewandelten Spannungssignale werden darauffolgend an den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 weitergeleitet.
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Der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 ist eingerichtet, die analogen Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 in digitale Ausgangssignale des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 umzuwandeln. Der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 ist hierbei eingerichtet, die Analog-Digital-Wandlung der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 gemäß einer Sigma-Delta-Modulation der analogen Ausgangssignale auszuführen. Der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 kann hierbei in der vorliegenden Ausführungsform ein aus dem Stand der Technik bekannter Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler sein.
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Durch die Beaufschlagung der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 mit dem vorbestimmten Signalwert durch das erste Signalgeneratorelement 105 weisen die an dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 als Eingangssignale anliegenden Signale des Beschleunigungssensorelements 101 zu jeder Zeit einen von Null verschiedenen Wert auf. Selbst in der Ruhelage des Beschleunigungssensorsystems 100, in der das Beschleunigungssensorsystem 100 unbeschleunigt ist und in der ausschließlich die Erdschwerebeschleunigung auf das Beschleunigungssensorsystem 100 einwirkt, weisen die an dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 anliegenden Signale einen von Null verschiedenen Wert auf. Die an dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 anliegenden Signale weisen als Mindestwert wenigstens einen Differenzwert zwischen der durchschnittlichen Erdschwerebeschleunigung, die auf das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 in der Ruhelage einwirkt, und dem vorbestimmten Signalwert, der erfindungsgemäß größer ist als die durchschnittliche Erdschwerebeschleunigung. Aufgrund der zu jeder Zeit von Null verschiedenen, an dem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 anliegenden Eingangssignale kann verhindert werden, dass der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 in den Idle-Zustand schaltet, in dem ausschließlich Null-Signale am Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 anliegen. Indem verhindert wird, dass der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 aufgrund der anliegenden Nullsignale in den Idle-Zustand schalten kann, wird darüber hinaus vermieden, dass durch den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 ein Idle-Ton produziert wird. Da ein derartiger Idle-Ton störhaft für eine Verwendung des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 in einem In-Ear-Kopfhörer ist, für den eine ungewollte Geräuschbildung zu vermeiden ist, kann ein verbessertes mikroelektromechanisches Beschleunigungssensorsystem 100 bereitgestellt werden.
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Durch das zweite Signalgeneratorelement 107 werden die vom Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103 in digitale Signale umgewandelten Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 um den durch das erste Signalgeneratorelement 105 beaufschlagten Signalwert korrigiert. Die von dem mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem 100 ausgegebenen digitalen Ausgangssignale weisen somit keinen zusätzlichen Signalwert auf, sodass in der unbeschleunigten Ruhelage des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 dieses richtigerweise einen Beschleunigungswert von Null ausgibt. Die Messgenauigkeit des mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystems 100 ist somit durch die Beaufschlagung der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 durch das erste Signalgeneratorelement 105 nicht beeinträchtigt und die vom mikroelektromechanischen Beschleunigungssensorsystem 100 ausgegebenen Beschleunigungswerte entsprechen denen durch das Beschleunigungssensorelement 101 gemessenen Beschleunigungswerte. Die Beaufschlagung der Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101 mit dem vorbestimmten Signalwert durch das erste Signalgeneratorelement 105 dienen ausschließlich zur Vermeidung eines Idle-Tons durch den Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler 103.
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Gemäß einer Ausführungsform entspricht der vorbestimmte Signalwert des ersten Signalgeneratorelements 105 der zweifachen Erdschwerebeschleunigung. Alternativ hierzu kann der vorbestimmte Signalwert einem beliebigen anderen Vielfachen der Erdschwerebeschleunigung entsprechen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Beschleunigungssensorelement 101 als ein dreidimensionales Beschleunigungssensorelement mit drei Messkanälen ausgebildet. Das erste Signalgeneratorelement 105 ist in dieser Ausführungsform eingerichtet, Ausgangssignale jedes Messkanals des Beschleunigungssensorelements 101 mit einem entsprechenden Signalwert zu beaufschlagen. Das zweite Signalgeneratorelement 107 ist dementsprechend eingerichtet, die digitalen Ausgangssignale des Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers 103 für jeden Messkanal des dreidimensionalen Beschleunigungssensorelements um den entsprechenden Signalwert zu korrigieren.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Signalwerte, mit denen die Ausgangssignale jedes Messkanals des Beschleunigungssensorelements 101 beaufschlagt werden, unterschiedliche Werte aufweisen. Alternativ hierzu können die Signalwerte, mit denen die Ausgangssignale jedes Messkanals des Beschleunigungssensorelements 101 beaufschlagt werden, einen identischen Wert aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Signalgeneratorelemente 105, 107 als anwendungsspezifische integrierte Schaltungen ASIC ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 als Mikrophon einsetzbar. Insbesondere kann das mikroelektromechanische Beschleunigungssensorsystem 100 in einem In-Ear-Kopfhörer verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das erste Signalgeneratorelement 105 ausgebildet sein, jegliche Ausgangswerte des Beschleunigungssensorelements 101 mit dem vorbestimmten Signalwert zu beaufschlagen. Alternativ hierzu kann das erste Signalgeneratorelement 105 ausgebildet sein, ausschließlich Ausgangssignale des Beschleunigungssensorelements 101, die dem Nullsignal entsprechen, mit einem entsprechenden Signalwert zu beaufschlagen. Das zweite Signalgeneratorelement 107 kann analog ausgebildet sein, die Signalwerte des ersten Signalgeneratorelements 105 für alle Ausgangssignale des Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers 103 zu korrigieren oder eine derartige Korrektur ausschließlich für Ausgangssignale des Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandlers 103, die dem Nullsignal des Beschleunigungssensorelements 101 entsprechen, durchzuführen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung 200 mit einem mikroelektromechanischen Sensorsystem 100 gemäß einer Ausführungsform.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung 200 neben dem Beschleunigungssensorsystem 100 eine Steuereinheit 201, die mit dem Beschleunigungssensorsystem 100 datentechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, die Sensorwerte des Beschleunigungssensorsystems 100 zu verarbeiten. Die elektronische Vorrichtung kann beispielsweise ein Gerät der Konsumerelektronik sein. Beispielsweise kann die elektronische Vorrichtung ein In-Ear-Kopfhörer sein. Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht hierauf beschränkt sein.
