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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Mikroelektromechanische Bauelemente sind ein unabkömmlicher Bestandteil vieler Produkte aus den Bereichen der Gebrauchs- und Unterhaltungselektronik. Die Anwendungen sind hier breit gefächert und reichen von Beschleunigungs- und Drehratensensoren in Smartphones bis zur Simulation eines dreidimensionalen Höreindrucks bei Raumklang-Kopfhörern. Ein allgemeiner Trend bei solchen Anwendungen besteht darin, einen korrelierten Betrieb anzustreben, d.h. einen Betrieb, bei dem die jeweiligen Software-Prozesse und die mikroelektromechanischen Bauelemente auf einer gemeinsamen Zeitbasis operieren. Beispielsweise ergibt sich bei über Inertialsensoren gesteuerten Videospielen ein als besonders flüssig wahrgenommener Ablauf, wenn die Datenrate des Inertialsensors exakt mit der Bildrate des Videospiels übereinstimmt. Die Anforderung, einen solchen korrelierten Betrieb zu ermöglichen, ergibt sich beispielsweise auch aus dem „Synchronous Time Control Mechanism“ der I3C-Spezifikation, bei dem das Master-System ein periodisches Synchronisationssignal („SYNC Tick“) aussendet, der es den Slave-Geräten ermöglicht, ihr jeweiliges Daten-Sampling zeitlich aufeinander abzustimmen.
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Eine ähnliche Aufgabenstellung ergibt sich bei kombinierten Sensorsystemen wie einer inertialen Messeinheit (IMU „inertial measurement unit“), bei der parallel Messdaten von Beschleunigungs- und Drehratensensoren ausgelesen werden und eine gemeinsame Zeitbasis daher von Vorteil ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensoren wird eine schwingungsfähige Struktur mit einem alternierenden Spannungssignal angetrieben und die resultierende Ladungsänderung gemessen. Die Frequenz des Spannungssignals kann dabei in einem gewissen Bereich frei gewählt werden. Beispielsweise kann ein Beschleunigungssensor so ausgelegt werden, dass er mit einer Frequenz von 3,2 kHz ± 10 % betrieben werden kann, ohne dass sich daraus merkliche Nachteile ergeben. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, den Sensor innerhalb dieses Frequenzbereichs mit einer extern vorgegeben Zeitbasis zu betreiben. Wenn die interne Frequenz des Sensors deutlich höher als die externe Zeitbasis ist, ist es auch möglich eine Phasenregelschleife (PPL, „phase-locked loop“) einzusetzen, um die entsprechende interne Frequenz zu generieren.
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Für Drehratensensoren stellt sich der Sachverhalt jedoch komplizierter dar, da die schwingungsfähige Struktur hier mit einer PLL auf der Resonanzfrequenz der Antriebsmode betrieben wird, so dass die Struktur sensitiv auf Coriolisbeschleunigungen reagieren kann. Die Auswerteschaltung muss das Detektionssignal exakt auf dieser Antriebsfrequenz auslesen, um das Drehratensignal durch Demodulation bestimmen zu können. Daraus folgt, dass alle Sensorprozesse bis hin zur Analog-Digital-Wandlung auf der PLL-Frequenz ablaufen, so dass die Datenrate des Sensor-Ausgangssignals von der Eigenfrequenz des mikroelektromechanischen Systems abhängt. Im Falle einer inertialen Messeinheit ist die Ausgangsdatenrate damit ebenfalls von den Eigenfrequenzen der einzelnen Sensoren abhängig. Die Datenraten können dabei zwar durch verschiedene Techniken an eine externe Zeitbasis angeglichen werden, eine exakte Übereinstimmung der Frequenzen ist aber nur mit sehr aufwändigen und entsprechend kostenintensiven Konversionsfiltern möglich. Solche Konversionsfilter haben neben dem erhöhten Raumbedarf den zusätzlichen Nachteil, dass sie unerwünschte Latenzen in das System einbringen. Im Allgemeinen lässt sich eine Angleichung der Frequenzen bei den bekannten Lösungen nur näherungsweise erreichen. Eine exakte Übereinstimmung ist im Rahmen der technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen dagegen nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die interne Frequenz eines mikrolektromechanischen Systems an eine von außen vorgegebene Zeitbasis anpassen lässt.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 1 erlaubt es, eine exakte Frequenz- und Phasenbeziehung zwischen der schwingungsfähigen Struktur und einer extern vorgegebenen Zeitbasis herzustellen. Zu diesem Zweck wird die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Struktur über die Elektrodenanordnung auf elektrostatischem Wege auf das äußere Synchronisationssignal abgestimmt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass gegenüber Verfahren aus dem Stand der Technik kein zusätzlicher Eingriff in den Datenpfad, etwa durch Interpolationsfilter, notwendig ist. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Latenzerhöhung bzw. Phasenverzögerung vorteilhafterweise vermieden. Eine geringe Latenz ist insbesondere im Falle von Drehratensensoren ein wichtiges Designziel, da diese häufig in eine Regelschleife eingebunden sind (z.B. für eine optomechanische Bildstabilisierung bei Kameras) und eine hohe Latenz in diesem Fall die Leistungsfähigkeit erheblich einschränkt.
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Das Synchronisationssignal kann dabei beispielsweise periodisch sein und insbesondere aus einer zeitlichen Abfolge von Spannungsimpulsen bestehen. Die Regelung der Elektrodenspannung kann dabei so erfolgen, dass die Resonanzfrequenz in einem festen ganzzahligen Verhältnis zur Frequenz des Synchronisationssignals (Referenzfrequenz) steht und/oder eine feste Phasenbeziehung zum Synchronisationssignal aufweist. Die Anpassung der Resonanzfrequenz erfolgt erfindungsgemäß über die an der Elektrodenanordnung anliegende Spannung, wobei die Regelung dieser Spannung insbesondere unabhängig von der Regelung der Antriebsspannung erfolgt, mit der die Antriebsschwingung der schwingungsfähigen Struktur angeregt und betrieben wird. Verfahren zur Veränderung der Resonanzfrequenz sind hierzu aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere kann die Manipulation der Resonanzfrequenz durch eine elektrostatisch erzeugte Verringerung der Rückstellkraft („electrostatic softening“) erfolgen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine zeitabhängige Amplitude der Antriebsschwingung in ein Messsignal umgewandelt und die an der Elektrodenanordnung anliegende Spannung in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen dem Messsignal und dem Synchronisationssignal geregelt. Die zeitabhängige Amplitude der Antriebsschwingung wird dabei beispielsweise über eine differentielle Messung der Kapazitätsänderung zwischen der schwingungsfähigen Struktur und einer substratfesten Detektionselektrodenanordnung bestimmt und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Der oszillierende zeitliche Verlauf des Messsignals gibt dabei die Antriebsschwingung wieder und kann als Grundlage für den Regelmechanismus dienen, mit dem die Elektrodenspannung bzw. die Resonanzfrequenz angepasst wird. Der Vergleich zwischen Messsignal und Synchronisationssignal kann dabei insbesondere über einen Diskriminator erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Vergleich zwischen dem Messsignal und dem Synchronisationssignal über einen Phasendiskriminator erfolgt, wobei ein Ausgangssignal des Phasendiskriminators proportional zu einem Phasenfehler zwischen dem Synchronisationssignal und dem Messsignal ist, wobei das Ausgangssignal des Phasendiskriminators insbesondere in ein Kontrollsignal zur Regelung der an der Elektrodenanordnung anliegenden Spannung umgewandelt wird. Durch die Verwendung des Phasendiskriminators lässt sich der Vergleich zwischen dem Synchronisationssignal und dem Schwingungsverhalten der mikroelektromechanischen Struktur in technisch einfacher Weise realisieren. Der Regelkreis für die Anpassung der Resonanzfrequenz kann dementsprechend so gestaltet sein, dass der Phasenfehler zwischen Synchronisationssignal und Messsignal und damit die Diskrepanz zwischen der extern vorgegebenen Zeitbasis und der Frequenz der mikroelektromechanischen Struktur minimiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Regelung der Antriebsschwingung der schwingungsfähigen Struktur durch eine Phasenregelschleife („phase-locked loop“, PLL). Über die Phasenregelschleife lässt sich in einfacher Weise erreichen, dass die Phasenabweichung zwischen der Antriebsschwingung und dem Synchronisationssignal konstant gehalten wird. Insbesondere wird dazu der Phasenfehler ermittelt und in ein Kontrollsignal umgewandelt. Das Kontrollsignal selbst liegt dann wiederum als Potentialdifferenz Vtune („tuning voltage“) an der Elektrodenanordnung an, so dass auf diese Weise der Regeleingriff zur Änderung der Resonanzfrequenz realisiert wird.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Drehratensensor ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass sowohl der Antrieb der schwingungsfähigen Struktur als auch die Regelung der Resonanzfrequenz jeweils durch eine Phasenregelschleife realisiert werden. Die erste Phasenregelschleife regelt dabei in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise die Antriebsfrequenz derart, dass die schwingungsfähige Struktur resonant angeregt und betrieben wird. Die zweite Phasenregelschleife regelt auf Systemebene dagegen das Resonanzverhalten der schwingungsfähigen Struktur selbst. Dabei führt die, durch die zweite Phasenregelschleife hervorgerufene Veränderung der Elektrodenspannung Vtune zu einer Änderung der Resonanzfrequenz, so dass die „eingerastete“ („locked“) Frequenz der ersten Phasenregelschleife entsprechend mitwandert und eine bestmögliche Übereinstimmung mit der durch das Synchronisationssignal gegebenen Referenzfrequenz erreicht wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Frequenz des Messsignals vor dem Vergleich zwischen Messsignal und Synchronisationssignal durch einen Frequenzteiler vermindert wird und/oder die Umwandlung des Ausgangssignals des Phasendiskriminators in das Kontrollsignal durch einen Schleifenfilter erfolgt. Durch den Frequenzteiler lässt sich insbesondere erreichen, dass die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Struktur auf ein (durch die Frequenzteilung bestimmtes) ganzzahliges Vielfaches der Referenzfrequenz des Synchronisationssignals geregelt wird. Über die Verwendung eines Schleifenfilters lassen sich verschiedene Übertragungsfunktionen zur Umwandlung des Ausgangssignals des Phasendiskriminators in das Kontrollsignal implementieren. Dazu wird das Ausgangssignal des Phasendiskriminators zunächst dem Schleifenfilter zugeführt. Beispielsweise kann hier ein Proportionalregler gewählt werden, der das Ausgangssignal des Phasendiskriminators einfach verstärkt und als Kontrollsignal ausgibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verändert das von der Elektrodenanordnung erzeugte elektrostatische Feld eine Rückstellkraft der schwingungsfähigen Struktur. Diese elektrostatisch erzeugte Rückstellkraft erlaubt über die Abstimmung der an der Elektrodenanordnung anliegenden Gleichspannung eine kontrollierte Veränderung („Tuning“) der Eigenfrequenz der schwingungsfähigen Struktur. Vorzugsweise weist die Elektrodenanordnung dazu mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, wobei die erste Elektrode an der schwingungsfähigen Struktur angeordnet ist und die zweite Elektrode fest mit einem Substrat des mikroelektromechanischen Bauelements verbunden ist. Die elektrostatische Kopplung zwischen der ersten und zweiten Elektrode führt zu einer rückstellenden Kraft, die in linearer Ordnung proportional zur Auslenkung der schwingungsfähigen Struktur ist. Gegenüber der Federkonstante k
m der mechanischen Federn, mit denen die schwingungsfähige Struktur mit dem Substrat verbunden ist, ergibt sich damit durch die elektrostatische Rückstellkraft eine zusätzliche Federkonstantek
e, die für eine Elektrodenanordnung der Kapazität C
tune und Elektrodenabstand x
g quadratisch von der Elektrodenspannung V
tune abhängt:
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Die effektive Gesamtfederkonstante ergibt sich damit zu
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Eine Erhöhung der Elektrodenspannung Vtune bewirkt damit eine Reduzierung der Federkonstante („Aufweichung“ der Federsteifigkeit; „electrostatic spring softening“), so dass sich über die Abstimmung der Spannung eine kontrollierte Verringerung der Eigenfrequenz erreichen lässt. Aus Sicht der Systemkonzeptionierung muss die mikroelektromechanische Struktur daher immer mit Hinblick auf die höchste zu erwartenden Frequenz ausgelegt werden, die durch das Synchronisationssignal vorgegeben werden kann. Die minimale Einstellung von Vtune sollte dabei einer Resonanzfrequenz entsprechen, die höher als die erwartete äußere Maximalfrequenz ist, so dass sich durch Reduzierung der elektrostatischen Federkonstante der gesamte erforderliche Frequenzbereich abdecken lässt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikroelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 7.
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Für das erfindungsgemäße mikroelektromechanische Bauelement ergeben sich dieselben Gestaltungsmöglichkeiten und Vorteile, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauelements ist vorgesehen, dass die Kontrolleinheit dazu konfiguriert ist, eine zeitabhängige Amplitude der Antriebsschwingung in ein Messsignal umzuwandeln und die an der Elektrodenanordnung anliegende Spannung in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen dem Messsignal und dem Synchronisationssignal zu regeln, wobei die Kontrolleinheit insbesondere eine Phasenregelschleife, einen Phasendiskriminator, einen Schleifenfilter und/oder einen Frequenzteiler aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Elektrodenanordnung mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, wobei die erste Elektrode an der schwingungsfähigen Struktur angeordnet ist und die zweite Elektrode fest mit einem Substrat des mikroelektromechanischen Bauelements verbunden ist, wobei das von der Elektrodenanordnung erzeugte elektrostatische Feld insbesondere eine Rückstellkraft der schwingungsfähigen Struktur verändert. Elektrodenanordnungen zur Veränderung der der Resonanzfrequenz sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die elektrostatische Kraft zwischen der (zusammen mit der schwingungsfähigen Struktur) mitbewegten ersten Elektrode und der (substratfesten) unbewegten zweiten Elektrode führt zur einer effektiven Reduzierung der Federsteifigkeit der schwingungsfähigen Struktur und damit zu einer Verringerung der Resonanzfrequenz (siehe weiter oben). Bei den Elektroden kann es sich beispielsweise um parallel zueinander angeordnete Platten oder um Kammelektroden handeln. Vorzugsweise ist die Kontrolleinheit dazu konfiguriert, eine Gleichspannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode zu regeln, über die sich die Resonanzfrequenz in kontrollierter Weise beeinflussen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mikroelektromechanische Bauelement ein Inertialsensor, insbesondere ein Drehraten- oder Beschleunigungssensor oder ein Mikrospiegelaktor.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Drehratensensors.
- 2 illustriert die elektrostatische Beeinflussung der Resonanzfrequenz.
- 3 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Drehratensensors dargestellt. Die schwingungsfähige Struktur 1 wird durch eine seismische Masse 16 gebildet, die über elastisch verformbare Federstrukturen 17 über die Ankerpunkte 20 mit dem Substrat verbunden ist. Die Masse 15 ist damit durch die Federn 17 derart gelagert, dass die Masse 16 Schwingungen parallel zum Substrat ausführen kann. In der schematischen Darstellung sind hierbei zwei Schwingungsmoden zu unterscheiden, die durch die Pfeile 4, 18 angedeutet sind. Zunächst wird die schwingungsfähige Struktur 1 durch eine (nicht dargestellte) Antriebsstruktur zu Schwingungen 4 angeregt, die in Antriebsrichtung (die horizontale Richtung der Zeichenebene) verlaufen. Der Antrieb wird üblicherweise über Antriebselektroden realisiert und durch eine Phasenregelschleife (PPL, „phase-locked loop“) derart geregelt, dass schwingungsfähige Struktur 1 mit ihrer Resonanzfrequenz angetrieben wird.
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Wirkt nun auf den Sensor eine senkrecht zum Substrat (d.h. senkrecht zur Zeichenebene) verlaufende äußere Drehrate, wirken auf die seismische Masse 16 Corioliskräfte, die eine Auslenkung 18 in Detektionsrichtung (vertikale Richtung der Zeichenebene) bewirken. Diese Auslenkung lässt sich wiederum über eine Detektionselektrodenanordnung 23, 24 detektieren, indem die durch die Auslenkung 18 hervorgerufene Änderung der Kapazität zwischen den substratfesten Elektroden 24 und den mitbewegten Elektroden 23 gemessen wird. Aus diesem Detektionssignal kann das Drehratensignal durch Demodulation bestimmt werden, jedoch muss die Auswerteschaltung dafür das Detektionssignal exakt auf der Antriebsfrequenz auslesen werden. Dadurch wird es erforderlich, dass alle Sensorprozesse bis hin zur Analog-Digital-Wandlung auf der PLL-Frequenz ablaufen, so dass die schließlich auch die Datenrate des Sensor-Ausgangssignals von der Eigenfrequenz des mikroelektromechanischen Systems abhängt.
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Eine Anpassung der Zeitbasis ist nur in sehr eingeschränkter Weise möglich. Die Datenraten können zwar durch verschiedene Techniken beeinflusst werden, im Allgemeinen lässt sich eine Angleichung der Frequenzen bei den bekannten Lösungen jedoch nur näherungsweise erreichen. Eine exakte Übereinstimmung ist im Rahmen der technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen dagegen nicht möglich.
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In 2 ist die Beeinflussung der Resonanzfrequenz durch eine zusätzliche Elektrodenanordnung 2 dargestellt. Die Elektrodenanordnung 2 besteht aus substratfesten Elektroden 22 und Elektroden 21, die mit der seismischen Masse 16 verbunden sind. Die Elektroden 21, 22 sind hier im Vergleich zu 1 so angeordnet, dass eine Auslenkung 4 in Antriebsrichtung zu einer Abstandsänderung zwischen den Elektroden 21, 22 führt. Die mitbewegten Elektroden 21 liegen dabei zusammen mit der Masse 16 auf Nullpotential, während die substratfesten Elektroden 22 auf einem, im Punkt 5 angelegten, regelbaren Potential Vtune liegen. Bei dieser Anordnung wirkt auf die seismische Masse 16 eine elektrostatische Kraft, die zur Amplitude 7 der Auslenkung 4 proportional ist und die die von den mechanischen Federn 17 erzeugte Rückstellkraft reduziert. Auf diese Weise ergibt sich eine effektive Verringerung der Federkonstante bezüglich der Antriebsschwingung und damit ein Verschiebung der Eigenfrequenz zu niedrigeren Werten hin.
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3 illustriert eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Sensorkern ist hier ein Drehratensensor mit einer schwingungsfähigen Masse 1 und einer Elektrodenanordnung 2, wie sie in 1 abgebildet sind. Die Antriebsschwingung der schwingungsfähigen Struktur 1 wird durch die Phasenschleife 12 des Drehratensensors angetrieben. Die Phasenschleife 12 liefert dabei insbesondere ein zeitabhängiges elektrisches Signal, das zur Auslenkung der schwingungsfähigen Struktur 1 proportional ist. Die Periodizität dieses Signals liefert für das Verfahren die Information über das momentane Resonanzverhalten der schwingungsfähigen Struktur 1 und wird anschließend mit der Referenzfrequenz verglichen. Die Referenzfrequenz wird dabei durch ein Synchronisationssignal 6 vorgegeben, das beispielsweise aus einer Abfolge von Spannungsimpulsen („sync pulses“) bestehen kann. Das Ausgangssignal der Phasenschleife 12 wird dazu über einen Frequenzteiler 13 dem Phasendiskriminator 9 zugeführt, der wiederum ein Signal liefert welches proportional zum Phasenfehler zwischen dem Synchronisationssignal 6 und der gemessenen Frequenz des Drehratensensors ist. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators wird dem Schleifenfilter 14 zugeführt, durch den sich verschiedene Übertragungsfunktionen implementieren lassen. Beispielsweise kann hier ein einfacher Proportionalregler gewählt werden, welcher das Signal des Phasendiskriminators verstärkt als Vtune ausgibt. Der Ausgang des Schleifenfilters 14 trägt nun das Kontrollsignal Vtune und damit den Regeleingriff zur Veränderung der Resonanzfrequenz. Der gesamte dargestellte Regelkreis bildet damit eine Phasenregelschleife, mit dem sich die Resonanzfrequenz des Drehratensensors an die von außen vorgegebene Zeitbasis anpassen lässt.
