DE102021204681A1

DE102021204681A1 - Mikromechanischer Inertialsensor

Info

Publication number: DE102021204681A1
Application number: DE102021204681.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Petzold; Sebastian Guenther; Zoltan Szkupien; Reinhold Wolpert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-11-10
Also published as: US20220357357A1; CN115407079A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischer Inertialsensor mit einem ersten Sensorelement (110, 120, 130) zur Messung einer inertialen Größe in einem ersten Frequenzband und mit einem zweiten Sensorelement (115, 125, 135) zur Messung einer periodischen Beschleunigung in einem zweiten Frequenzband, wobei das zweite Frequenzband wenigstens teilweise oberhalb des ersten Frequenzbandes liegt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einen mikromechanischer Inertialsensor mit einem ersten Sensorelement zur Messung einer inertialen Größe in einem ersten Frequenzband.
MEMS Inertialsensoren (Drehraten- und Beschleunigungssensoren) haben seit langer Zeit einen festen Platz in vielen Sicherheitsanwendungen im Kraftfahrzeug und haben mittlerweile auch in vielen Alltagsprodukten wie Smartphones Einzug gehalten.
Ein Problem, dass bei fast allen Anwendungen auftreten kann sind externe Vibrationsstörungen die außerhalb des Sensornutzbandes auftreten. Dies kann zu verschiedenen unerwünschten Sensorfehlern führen. So können beispielsweise Offsetfehler im Signal auftreten, oder das Sensorelement kann in den mechanischen Festanschlag bewegt werden und somit keine zuverlässige Messung der linearen Beschleunigung oder Drehrate ausführen. Diese Zuständen können nicht immer vom Sensor selbst erkannt werden. Das Nutzband des Sensors, auch begrenzt durch die Datenverarbeitung im ASIC, ist meist niedriger als das Frequenzband der Störsignale.
Daher wird bei der Entwicklung und Applikation des Sensors sehr genau untersucht, welche Störungen im gewählten Einbauort auftreten können. Die Umgebung des Sensors wird so genau auf Störquellen untersucht und angepasst, so das ein zuverlässiger Betrieb des Sensors gewährleistet werden kann. Dies ist ein sehr zeit- und kostenaufwendiger Prozess.
Treten am Einsatzort des Sensors Defekte auf, welche hohe Vibrationssignale verursachen, wie beispielsweise Motor- oder Getriebeschäden, so können diese während der Entwicklungsphase nur schlecht oder gar nicht untersucht werden.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, dass der Sensor selbst diese hohen Beschleunigungen erkennen kann und ggf. eine geeignete Kompensation des Sensorsignales aktiviert bzw. im Fall einer mechanischen Überlast im Anschlag das Sensorsignal gezielt als nicht verwendbar kennzeichnet.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischer Inertialsensor mit einem ersten Sensorelement zur Messung einer inertialen Größe in einem ersten Frequenzband und mit einem zweiten Sensorelement zur Messung eines periodischen Beschleunigungssignals in einem zweiten Frequenzband, wobei das zweite Frequenzband wenigstens teilweise oberhalb des ersten Frequenzbandes liegt.
Kern der Erfindung ist, neben den üblicherweise sehr genauen nieder-g Sensorelementen ein weiteres Sensorelement zur Messung hoher Beschleunigungen mit hoher Bandbreiten in den MEMS Sensor zu integrieren. Dies kann entweder auf demselben MEMS Chip oder auf einemem zweiten MEMS Chip, bevorzugt in demselben Gehäuse stattfinden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Sensorelement zur Messung der inertialen Größe in einer ersten Nachweisrichtung eingerichtet ist und das zweite Sensorelement zur Messung der periodischen Beschleunigung in der ersten Nachweisrichtung eingerichtet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Sensorelement ein Beschleunigungsmesser ist, der zur Messung kleinerer Beschleunigungen eingerichtet ist, als das zweite Sensorelement.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Sensorelement ein Drehratenmesser ist.
Vorteilhaft ist auch, dass der Sensor eine Signalverarbeitungseinheit aufweist, welche zur Verarbeitung eines ersten Messsignales des ersten Sensorelements und eines zweiten Messsignales des zweiten Sensorelements eingerichtet ist und zur Ausgabe eines aufgrund des zweiten Messsignals korrigierten und/oder kommentierten ersten Messsignals eingerichtet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensor können Störbeschleunigungen oberhalb des Nutzbandes des low-g Sensors gemessen werden. Vorteilhaft kann die Messung des hoch-g Sensors dazu verwendet werden, im Signal des nieder-g Sensors auftretende Signalfehler von Signalen innerhalb dessen Messbereich zu kompensieren und sicher zu Erkennen, falls die Störbeschleunigung in der Umgebung den low-g Sensor außerhalb dess mechanischen oder elektrischen Messbereichs bewegt und somit keine verlässliche Messung durchgeführt werden kann. Neben der Überwachung der Störbeschleunigung am Einbauort, kann der nieder-g Beschleunigungssenor durch den hoch-g Sensor auch kontinuierlich überwacht oder auch plausibilisiert werden und gegebenenfalls spontan auftretende Hardwaredefekte erkennen. Somit wird die Sicherheit des Gesamtsytemes erhöht. Zudem können mechanische Änderungen am Fahrzeug die zu hohen mechanischen Vibrationen führen oder ein anderer Missusefall erkannt werden. Die Signale des hoch-g Sensors könnten beispielsweise im Motorad auch zur Erkennung und Bewertung einer Unfallsituation verwendet werden (eCall). Die hoch-g Signale stehen zusätzlich für weitere Aplikationen im Steuergerät zur Verfügung.
Zusätzlich können mechanische Defekte in der Anwendung am KFZ oder Motorrad detektiert werden, welche hohe Störbeschleunigungen erzeugen, wie beispielsweise ein Motor- oder Getriebeschaden oder ein Einbau von problematischen mechanischen Zusatzkomponenten. Gerade solche zufällig auftretenden Defekte in der Applikation, können während des Entwicklungsprozesses nur sehr schwer berücksichtigt werden. Hier verbessert die Erfindung die Sicherheit der Gesamtsysteme und vereinfacht den Freigabeprozess, da die Vibrationsumgebung durch den hoch-g Sensor kontinuierlich überwacht wird.
Während des Freigabeprozesses der Kfz-Steuergeräte, können die hoch-g Sensoren zusätzlich Kosten sparen, da ein aufwändiger Verbau von externen Referenzsensoren in vielen Fällen entfallen kann und hier die hoch-g Daten direkt genutzt werden können. Zusätzlich kann man einen möglichen Mißbrauch des Sensors durch fehlerhaften Einbau detektieren.
Auf gleiche Weise kann auch die Störbeschleunigung für Drehratensensoren ermittelt und möglicherweise kompensiert werden. Der zu detektiere Frequenzbereich wäre hier anzupassen und würde auch deutlich über 10 kHz hinaus gehen. Dies stellt grundsätzlich kein Problem dar. Man muss es nur bei der Auslegung des hoch-g Kanales berücksichtigen. Da heute viele Sensoren bereits als mehrkanalige Vorrichtungen mit Beschleunigungs- und Drehratensensoren in mehreren Raumachsen als IMU am Markt verfügbar sind, stünden die hoch-g Informationen des zweiten Sensorelements auch dem Drehratensensor zur Verfügung.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen nieder-g Beschleunigungssensor im Stand der Technik.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensor in einem ersten Ausführungsbeispiel, einem Beschleunigungssensor mit Vibrationsüberwachung.

Beschreibung
1 zeigt schematisch einen nieder-g Beschleunigungssensor im Stand der Technik. Dargestellt ist ein Inertialsensor 1, hier ein dreikanaliger nieder g Beschleunigungssensor mit einem MEMS Chip 10 und einem ASIC 20. Auf dem MEMS Chip sind erste kapazitive Sensorelemente 110, 120, 130 zur nieder g Beschleunigungsmessung in den Raumrichtungen x, y, z integriert. Auf dem ASIC 20 ist ein erster Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V Wandler) 210 zur Erzeugung einer Spannung entsprechend der anliegenden Beschleunigung je Kanal integriert, der ein erstes Messsignal 220 liefert. Weiter ist ein erster Signalprozessor 230 zur Signalverarbeitung integriert, der dazu eingerichtet ist, ein nieder-g Beschleunigungssignal 300 auszugeben.
Diese Sensoren haben typischerweise Bandbreiten von 50-400 Hz. Die Bandbreite wird durch den ASIC auf das gewünschte Maß reduziert, um das Rauschen des Sensors so gering wie möglich zu halten. Die typische Bandbreite des MEMS Sensor Elementes ist 3-5 kHz. In einem Bereich von 400Hz bis einige kHz können so Beschleunigungen vom Sensor gemessen werden, die für das Nutzsignal (50-400 Hz) nicht erwünscht sind. Diese Signale können zu Sensorfehlern (Signal Bias) oder zum mechanischen Clipping des Sensorelementes führen. Im Fall des Sensorfehler kann man unter Kenntnis der Störbeschleunigungsfrequenz und Amplitude eine gute Vorhersage über die Größe des Sensorfehlers machen. Deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz des MEMS Elementes (f>10 kHz) nimmt die Übertragungsfunktion des MEMS Elements durch das PT2 Verhalten schnell ab. Hier wird das MEMS Element unempfindlich gegenüber Störbeschleunigungen. In einem Frequenzbereich von 400 Hz bis 10 kHz ist eine Kenntnis der anliegenden Störbeschleunigungen sehr vorteilhaft, um erstens das Sensorsignal teileindividuell bezüglich Sensorfehlern zu kompensieren, und zweitens den mechanischen Überlastbereich des Sensorelementes sicher zu detektieren.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Inertialsensor in einem ersten Ausführungsbeispiel, einem Beschleunigungssensor mit Vibrationsüberwachung. Zusätzlich zu den aus 1 bekannten Elementen sind auf dem MEMS Chip 10 zweite kapazitive Sensorelemente 115, 125, 135 zur hoch g Beschleunigungsmessung in den Raumrichtungen x, y, z integriert. Die Signale werden im ASIC 10 parallel zum nieder-g Signal gemessen und ausgewertet.
Dazu ist auf dem ASIC ein zweiter Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V Wandler) 215 zur Erzeugung einer Spannung entsprechend der anliegenden Beschleunigung je Kanal integriert, der ein zweites Messsignal 225 liefert. Weiter ist ein zweiter Signalprozessor 240 zur Signalverarbeitung integriert. Im Signalprozessor 240 des hoch-g Signales können jetzt die Lage der Störfrequenzen und deren Amplituden analysiert werden, beispielsweise mittels FFT, Hochpass, Tiefpass, Bandpass Filter, ...) und als Informationen 305 über das Störspektrum an den DSP des nieder-g Teils, einen Signalprozessor rmit Signalkorrektur 235, übergeben werden. Hier kann eine Kompensation des Offsetsignals durchgeführt oder auch bei einer zu hohen mechanischen Überlast ein Überlastindikator gesetzt werden. Der Signalprozessor 235 gibt dann ein nieder-g Beschleunigungssignal 310, korrigiert oder auch ergänzt um Informationen zu Überlast aus.
Auch die Detektion von hochfrequenten Störsignalen (> 10 kHz) kann speziell für Drehratensensoren wichtig sein. Das es sich hier um Oszillatoren mit hoher Güte G handelt, können hier Störfrequenzen bis zu einigen 100 kHz eine wichtige Rolle spielen.
Bezugszeichenliste

1: mikromechanischer Inertialsensor
10: MEMS Chip
20: ASIC
110: x Kanal nieder-g Beschleunigungs-Sensorelement
115: x Kanal hoch-g Beschleunigungs-Sensorelement
120: y Kanal nieder-g Beschleunigungs-Sensorelement
125: y Kanal hoch-g Beschleunigungs-Sensorelement
130: z Kanal nieder-g Beschleunigungs-Sensorelement
135: z Kanal hoch-g Beschleunigungs-Sensorelement
210: erster Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V Wandler) nieder-g
215: zweiter Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V Wandler) hoch-g
220: erstes Messsignal
225: zweites Messsignal
230: erster Signalprozessor (nieder-g)
235: Signalprozessor mit Signalkorrektur
240: zweiter Signalprozessor
300: nieder-g Beschleunigungssignal
305: Informationen über Störspektrum
310: nieder-g Beschleunigungssignal, korrigiert, ergänzt um Informationen zu Überlast

Claims

Mikromechanischer Inertialsensor mit einem ersten Sensorelement (110, 120, 130) zur Messung einer inertialen Größe in einem ersten Frequenzband und mit einem zweiten Sensorelement (115, 125, 135) zur Messung einer periodischen Beschleunigung in einem zweiten Frequenzband, wobei das zweite Frequenzband wenigstens teilweise oberhalb des ersten Frequenzbandes liegt.
Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement zur Messung der inertialen Größe in einer ersten Nachweisrichtung eingerichtet ist und das zweite Sensorelement zur Messung der periodischen Beschleunigung in der ersten Nachweisrichtung eingerichtet ist.
Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement ein Beschleunigungsmesser ist, der zur Messung kleinerer Beschleunigungen eingerichtet ist, als das zweite Sensorelement.
Mikromechanischer Inertialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement ein Drehratenmesser ist.
Mikromechanischer Inertialsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Signalverarbeitungseinheit (235, 240) aufweist, welche zur Verarbeitung eines ersten Messsignales (220) des ersten Sensorelements und eines zweiten Messsignales (225) des zweiten Sensorelements eingerichtet ist und zur Ausgabe eines aufgrund des zweiten Messsignals korrigierten und/oder kommentierten ersten Messsignals (310) eingerichtet ist.