DE102022212208A1

DE102022212208A1 - Betreibervorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors

Info

Publication number: DE102022212208A1
Application number: DE102022212208.9A
Authority: DE
Inventors: Angelo Dati; Burkhard Kuhlmann; Joan GINER; Mirko Hattass; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2024-05-16
Also published as: CN118049981A; US20240159533A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betreibervorrichtung (10) für einen kapazitiven Sensor mit einer Elektronikeinrichtung (10b), mittels welcher unter Berücksichtigung von zumindest einer ersten konstanten Spannung (U1), einer ersten Eigenfrequenz (f1) einer ersten harmonischen Schwingung einer seismischen Masse (12) entlang einer die seismische Masse (12) und mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender erster konstanter Spannung (U1) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14), einer zweiten konstanten Spannung (U2) und einer zweiten Eigenfrequenz (f2) einer zweiten harmonischen Schwingung der seismischen Masse (12) entlang der die seismische Masse (12) und die mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender zweiter konstanter Spannung (U2) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) ein Ist-Spaltabstand (d) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) und/oder eine Ist-Größe (Se) bezüglich einer Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors festlegbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betreibervorrichtung für einen kapazitiven Sensor und einen kapazitiven Sensor. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sensoren, wie beispielsweise der in der DE 10 2014 211 646 A1 offenbarte Drehratensensor, bekannt. Ein derartiger kapazitiver Sensor weist mindestens eine seismische Masse und mindestens eine unverstellbar an und/oder in dem kapazitiven Sensor befestigte Detektor-Elektrode auf, so dass eine von einer externen Kraft ausgelöste Auslenkung der jeweiligen ruhenden oder in eine harmonische Antriebsschwingung versetzten seismischen Masse in Bezug zu der jeweils zugeordneten Detektor-Elektrode detektierbar ist. Optionaler Weise kann ein derartiger kapazitiver Sensor auch noch mindestens eine unverstellbar an und/oder in dem kapazitiven Sensor befestigte Antriebs-Elektrode haben, wodurch seine mindestens eine seismische Masse mittels einer zwischen der jeweiligen seismischen Masse und der mindestens einen zugeordneten Antriebs-Elektrode angelegten Spannung in die harmonische Antriebsschwingung versetzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Betreibervorrichtung für einen kapazitiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen kapazitiven Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum verlässlichen Bestimmen eines Ist-Spaltabstands zwischen einer seismischen Masse eines kapazitiven Sensors und mindestens einer Elektrode des gleichen kapazitiven Sensors und/oder einer Ist-Größe bezüglich einer Sensitivität des kapazitiven Sensors. Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, können der Ist-Spaltabstand zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen benachbarten Elektrode und/oder die Ist-Größe bezüglich der Sensitivität mittels der vorliegenden Erfindung ohne eine Erweiterung einer Hardware des jeweiligen kapazitiven Sensors verlässlich bestimmt werden. Insbesondere entfällt bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung die herkömmliche Notwendigkeit zum Ausstatten des jeweiligen kapazitiven Sensors mit mindestens einer zusätzlichen Elektrode, welche ausschließlich zum Messen des Ist-Spaltabstands und/oder der Ist-Größe bezüglich der Sensitivität eingesetzt ist, jedoch für einen Betrieb des kapazitiven Sensors weiter nicht genutzt werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit auch eine Miniaturisierung des kapazitiven Sensors durch einen Verzicht auf einen derartigen Elektrodentyp. Damit trägt die vorliegende Erfindung auch zur Vereinfachung eines Designs des sie nutzenden kapazitiven Sensors bei. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung, wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, mittels einer vergleichsweise kostengünstigen und relativ wenig Bauraum benötigenden Elektronik ausgeführt werden.
Der mittels der vorliegenden Erfindung verlässlich bestimmbare Ist-Spaltabstand zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen benachbarten Elektrode und die alternativ oder ergänzend bestimmbare Ist-Größe bezüglich der Sensitivität eignen sich nicht nur zum Ermitteln von Auswirkungen einer Stressbelastung des jeweiligen kapazitiven Sensors, sondern auch zum Neueinstellen/Rekalibrieren des kapazitiven Sensors zum Minimieren oder Beheben der Auswirkungen der Stressbelastungen. Derartige „herauskorrigierbare“ Stressbelastungen sind beispielsweise mechanische Einwirkungen auf den kapazitiven Sensor durch einen Lötprozess, mechanische Einwirkungen auf den kapazitiven Sensor durch dessen Umspritzen mit einer Moldmasse, eine Aussetzung des kapazitiven Sensors an Feuchtigkeit und/oder ein Einwirken einer externen Kraft auf den kapazitiven Sensor. Derartige Stressbelastungen führen herkömmlicherweise häufig zu einer Änderung des Ist-Spaltabstands zwischen der seismischen Masse des jeweiligen kapazitiven Sensors und der mindestens einen benachbarten Elektrode und/oder der Sensitivität des jeweiligen kapazitiven Sensors. Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, kann jedoch mittels der vorliegenden Erfindung der jeweilige kapazitive Sensor trotz seiner Aussetzung an Stressbelastungen, welche den Ist-Spaltabstand und/oder die Sensitivität verändern, nachfolgend so neu eingestellt/rekalibriert werden, dass weiterhin ein verlässlicher Betrieb des jeweiligen kapazitiven Sensors gewährleistet bleibt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Betreibervorrichtung ist die Elektronikeinrichtung derart ausgelegt und/oder programmiert, dass mittels der Elektronikeinrichtung der Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen Elektrode unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ festlegbar ist gemäß der Gleichung: $\frac{1}{d^{3}} = \frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}} * K_{1},$
wobei die Konstante K₁ auf einer Speichereinrichtung der Betreibervorrichtung hinterlegt ist. Mittels der hier beschriebenen Auslegung der Elektronikeinrichtung kann somit der „wahre“ Ist-Spaltabstand d, bzw. dessen Veränderung durch mechanische Stresseinwirkungen, verlässlich bestimmt werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Elektronikeinrichtung auch derart ausgelegt und/oder programmiert sein, dass mittels der Elektronikeinrichtung eine Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode des kapazitiven Sensors als Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ festlegbar ist gemäß der Gleichung: $S_{e} = {(\frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}})}^{\frac{2}{3}} * K_{2},$
S_e wobei die Konstante K₂ auf der Speichereinrichtung der Betreibervorrichtung hinterlegt ist. Die Ansprech-Sensitivität S_e (Electrical Sensitivity) hat einen wesentlichen Einfluss auf die (Gesamt-)Sensitivität des kapazitiven Sensors. Ihre relativ genaue Bestimmbarkeit mittels der hier beschriebenen Ausbildung der Elektronikeinrichtung ist deshalb von großem Vorteil.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Elektronikeinrichtung derart ausgelegt und/oder programmiert sein, dass mittels der Elektronikeinrichtung mindestens einmalig ein festgelegter Ist-Spaltabstand als Referenz-Spaltabstand und/oder eine festgelegte Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe auf der Speichereinrichtung der Betreibervorrichtung abspeicherbar sind, und zu mindestens einem späteren Zeitpunkt ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand mit dem Referenz-Spaltabstand und/oder eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe vergleichbar sind. Somit kann sowohl während eines Weiterverarbeitungsprozesses des jeweiligen kapazitiven Sensors als auch während dessen gesamter Lebensdauer immer wieder mittels des Vergleichs des neu-festgelegten Ist-Spaltabstands mit dem Referenz-Spaltabstand und/oder mittels des Vergleichs der neu-festgelegten Ist-Größe mit der Referenz-Größe untersucht werden, ob sich der „wahre“ Spaltabstand zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen benachbarten Elektrode und/oder die Sensitivität S des kapazitiven Sensors geändert haben.
Bevorzugter Weise ist in diesem Fall die Elektronikeinrichtung zusätzlich derart ausgelegt und/oder programmiert, dass mittels der Elektronikeinrichtung unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand verglichenen Ist-Spaltabstands und/oder der mit der Referenz-Größe verglichenen Ist-Größe und unter zusätzlicher Berücksichtigung einer auf der Speichereinrichtung der Betreibervorrichtung hinterlegten Soll-Größe bezüglich eines Soll-Verstärkungsfaktors eines Signalpfades des kapazitiven Sensors mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart einstellbar oder regelbar ist, dass ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe entspricht. Mittels der Kenntnis des „wahren“ Spaltabstands und/oder der geänderten Sensitivität des kapazitiven Sensors kann dessen Signalpfad derart nachgeregelt werden, dass eine resultierende Funktionsfähigkeit des kapazitiven Sensors optimiert ist.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem kapazitiven Sensor mit einer derartigen Betreibervorrichtung gewährleistet.
Der kapazitive Sensor kann beispielsweise ein Drehratensensor sein. Damit ist die vorliegende Erfindung für einen häufig genutzten Sensortyp einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht auf Drehratensensoren beschränkt ist.
Auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben eines kapazitiven Sensors bewirkt die oben beschriebenen Vorteile. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen der Betreibervorrichtung weitergebildet werden kann.
Vorzugsweise wird ein Frequenzvariierungsgradient von spannungsabhängigen Eigenfrequenzen der seismischen Masse unter Berücksichtigung zumindest der ersten konstanten Spannung, der bestimmten ersten Eigenfrequenz, der zweiten konstanten Spannung und der bestimmten zweiten Eigenfrequenz bestimmt, wobei der Ist-Spaltabstand zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen Elektrode und/oder die Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung des bestimmten Frequenzvariierungsgradienten festgelegt werden. Die hier beschriebene Vorgehensweise ermöglicht eine relativ verlässliche und fehlerfreie Festlegung des Ist-Spaltabstands und/oder der Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird, während die seismische Masse in eine resonante harmonische Antriebsschwingung mit einer Antrieb-Eigenfrequenz versetzt ist oder wird, zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz jeweils eine variable Wechselspannung mit einer variierenden Testfrequenz zwischen der seismischen Masse und mindestens einer Quadraturelektrode des kapazitiven Sensors angelegt, und untersucht, bei welcher Testfrequenz die seismische Masse mittels der variablen Wechselspannung in eine resonante Schwingung versetzt wird. Dies ermöglicht eine verlässliche Bestimmung der ersten Eigenfrequenz und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz.
Alternativ kann, während die seismische Masse in eine resonante harmonische Antriebsschwingung mit einer Antrieb-Eigenfrequenz versetzt ist oder wird, zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz jeweils ein kurzes konstantes Spannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer Quadraturelektrode des kapazitiven Sensors angelegt werden. Auch auf diese Weise können die erste Eigenfrequenz und zumindest noch die zweite Eigenfrequenz verlässlich bestimmt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden mindestens einmalig ein festgelegter Ist-Spaltabstand als Referenz-Spaltabstand und/oder eine festgelegte Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe auf einer Speichereinrichtung abgespeichert, und zu mindestens einem späteren Zeitpunkt werden ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand mit dem Referenz-Spaltabstand und/oder eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe bezüglich der Sensitivität des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe verglichen. Auf diese Weise ist verlässlich erkennbar, ob mechanische Belastungen während einer Weiterverarbeitung des kapazitiven Sensors oder während dessen Betrieb den „wahren“ Spaltabstand und/oder dessen Sensitivität S verändert haben.
Bevorzugter Weise wird, gegebenenfalls, unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand verglichenen Ist-Spaltabstands und/oder der mit der Referenz-Größe verglichenen Ist-Größe und unter zusätzlicher Berücksichtigung einer auf der Speichereinrichtung hinterlegten Soll-Größe bezüglich eines Soll-Verstärkungsfaktors eines Signalpfades des kapazitiven Sensors mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart eingestellt oder geregelt, bis ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe entspricht. Auf diese Weise ist auch eine Neueinstellung/Nachkalibrierung des kapazitiven Sensors/seines Signalpfades möglich, durch welche Auswirkungen von mechanischen Stressbelastungen minimiert/behoben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a bis 1c schematische Darstellungen eines kapazitiven Sensors zum Erläutern einer Funktionsweise einer damit zusammenwirkenden Ausführungsform der Betreibervorrichtung;
2a bis 2c ein Flussdiagramm, eine schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors und ein Koordinatensystem zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des kapazitiven Sensors.

Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1c zeigen schematische Darstellungen eines kapazitiven Sensors zum Erläutern einer Funktionsweise einer damit zusammenwirkenden Ausführungsform der Betreibervorrichtung.
Der in 1a bis 1c schematisch wiedergegebene kapazitive Sensor ist lediglich beispielhaft ein Drehratensensor. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die im Weiteren beschriebene Betreibervorrichtung 10 des kapazitiven Sensors mit (nahezu) jedem Sensortyp von kapazitiven Sensoren zusammenwirken kann, welcher zumindest eine seismische Masse 12 und mindestens eine Elektrode 14 aufweist, wobei die mindestens eine Elektrode 14 derart kontaktierbar und so zu der seismischen Masse 12 angeordnet ist, dass eine Spannung ungleich Null zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 angelegt werden kann. Eine Verwendbarkeit der Betreibervorrichtung 10 ist somit nicht auf Drehratensensoren limitiert.
Unter der seismischen Masse 12 ist eine verstellbar an und/oder in dem kapazitiven Sensor angeordnete Masse 12 zu verstehen. Vorzugsweise ist die seismische Masse 12 über mindestens eine Feder 16 derart an einer Substratoberfläche 18a eines Substrats 18 angebunden, dass die seismische Masse 12 unter einer Verformung der mindestens einen Feder 16 in Bezug zu dem Substrat 18 verstellt werden kann. Die Ausrichtung der Substratoberfläche 18a des Substrats 18 in 1a bis 1c senkrecht zur z-Achse ist nur beispielhaft zu interpretieren. Bei der Ausführungsform der 1a bis 1c ist die seismische Masse 12 zusätzlich über einen nicht bildlich wiedergegebenen Antriebsmechanismus des kapazitiven Sensors in eine mittels der Pfeile 20 wiedergegebene harmonische Antriebsschwingung, insbesondere in eine resonante harmonische Antriebsschwingung, versetzbar (siehe 1a). Beispielsweise kann der kapazitive Sensor mindestens eine unverstellbar an und/oder in dem kapazitiven Sensor befestigte Antriebs-Elektrode aufweisen, wobei ein variierendes Spannungssignal derart zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen zugeordneten Antriebs-Elektrode anlegbar ist, dass die seismische Masse 12 in die harmonische Antriebsschwingung versetzbar ist/versetzt wird. Bevorzugter Weise ist die harmonische Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 parallel zu der Substratoberfläche 18a des Substrats 18. Lediglich beispielhaft verläuft in 1a die harmonische Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 entlang der y-Achse.
Wie in der 1b bildlich wiedergegeben ist, bewirkt eine Rotation des kapazitiven Sensors mit einer senkrecht zu der Substratoberfläche 18a des Substrats 18 ausgerichteten Rotationskomponente ungleich Null eine Auslenkung der in die harmonische Antriebsschwingung versetzten seismischen Masse, welche mittels der Pfeile 22 angezeigt ist. Insbesondere kann die Corioliskraft in diesem Fall eine Auslenk-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 parallel zu der Substratoberfläche 18a des Substrats 18 und senkrecht zu der harmonischen Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 auslösen. In dem Beispiel der 1b ist deshalb die Auslenk-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 entlang der x-Achse ausgerichtet.
Anhand der 1b und 1c ist erkennbar, dass die mindestens eine Elektrode 14 derart unverstellbar an und/oder in dem kapazitiven Sensor befestigt ist, dass die mittels der Corioliskraft bewirkte Auslenk-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 bei dem kapazitiven Sensor zu einer Variation eines jeweiligen Abstands der seismischen Masse 12 zu der mindestens einen Elektrode 14 führt. Die mindestens eine Elektrode 14 kann z.B. mindestens eine sogenannte „Detektor-Elektrode“ sein, welche während eines Nachweis- und/oder Messbetriebs des kapazitiven Sensors zum Nachweisen und/oder Detektieren der Auslenk-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 verwendet wird.
Der in den 1a bis 1c bildlich wiedergegebene kapazitive Sensor hat eine (Gesamt-) Sensitivität S, auf welche insbesondere eine sogenannte Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode 14 des kapazitiven Sensors einen wesentlichen Einfluss hat. Die Ansprech-Sensitivität S_e wird häufig auch als „Electrical Sensitivity“ bezeichnet. Die Ansprech-Sensitivität S_e ist gemäß Gleichung (Gl. 1) definiert mit: $S_{e} \approx \frac{ε_{0} * A}{d^{2}} = \frac{C_{0}}{d}$
Die Ansprech-Sensitivität S_e ist damit abhängig von einem Ist-Spaltabstand d der seismischen Masse 12 zu der mindestens einen Elektrode 14, welcher vorliegt, wenn die seismische Masse 12 keine Auslenk-Schwingbewegung ausführt (z.B. bei einer Corioliskraft gleich Null). Die weiteren in Gleichung (Gl. 1) angegebenen Größen sind ein jeweiliger Flächeninhalt A jeder zu der seismischen Masse 12 ausgerichteten Elektrodenfläche der mindestens einen Elektrode 14 des kapazitiven Sensors und die elektrische Feldkonstante im Vakuum ε₀.
Allerdings können während einer Weiterverarbeitung des kapazitiven Sensors, wie beispielsweise bei einer Befestigung des kapazitiven Sensors an einer Kontaktierelektronik und/oder bei einer Verpackung des kapazitiven Sensors, und während eines Betriebs des kapazitiven Sensors Änderungen an dem Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 auftreten. Wie anhand der Gleichung (Gl. 1) deutlich wird, haben Änderungen an dem Ist-Spaltabstand d auch Einfluss auf die Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode 14 des kapazitiven Sensors, und damit ebenso auf seine (Gesamt-)Sensitivität S. Mittels der im Weiteren beschriebenen Ausbildung der Betreibervorrichtung 10 ist jedoch eine vorteilhafte Reaktion auf derartige Änderungen des Ist-Spaltabstands d ermöglicht.
Die Betreibervorrichtung 10 kann wahlweise eine Untereinheit des kapazitiven Sensors oder extern von dem kapazitiven Sensor angeordnet sein. Die Betreibervorrichtung 10 weist eine Spannungsanlegeeinrichtung 10a auf, welche derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Spannungsanlegeeinrichtung 10a wahlweise zumindest eine erste konstante Spannung U₁ ungleich Null oder eine zweite konstante Spannung U₂ ungleich Null (und ungleich der ersten konstanten Spannung U₁) zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 anlegbar sind/angelegt werden. Die seismische Masse 12 und die mindestens eine Elektrode 14 bilden einen harmonischen Oszillator, bei welchem die seismische Masse 12 in harmonische Schwingungen entlang der die seismische Masse 12 und die mindestens eine Elektrode 14 mittig schneidenden x-Achse versetzbar ist. Bei anliegender erster konstanter Spannung U₁ hat eine erste harmonische Schwingung der seismischen Masse 12 entlang der x-Achse eine erste Eigenfrequenz f₁. Entsprechend weist bei anliegender zweiter konstanter Spannung U₂ eine zweite harmonische Schwingung der seismischen Masse 12 eine zweite Eigenfrequenz f₂ auf, welche von der ersten Eigenfrequenz f₁ abweicht.
Die Betreibervorrichtung 10 hat auch eine Elektronikeinrichtung 10b, welche derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung 10b unter Berücksichtigung von zumindest der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ der Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 und/oder eine Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors festlegbar sind/festgelegt werden. Die erste Eigenfrequenz f₁ und/oder die zweite Eigenfrequenz f₂ können beispielsweise von der Elektronikeinrichtung 10b selbstbestimmt sein. Auf vorteilhafte Möglichkeiten zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz f₁ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ wird unten noch eingegangen. Alternativ kann der kapazitive Sensor auch mit einer (nicht skizzierten) Sensorik ausgestattet sein, welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, die erste Eigenfrequenz f₁ und/oder die zweite Eigenfrequenz f₂ zu bestimmen und an die Elektronikeinrichtung 10b bereitzustellen.
Die hier beschriebene Betreibervorrichtung 10 kann somit mit dem Ist-Spaltabstand d und/oder der Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors Daten bestimmen, deren Kenntnis zum weiteren Betrieb des kapazitiven Sensors vorteilhaft ist. Da der Ist-Spaltabstand d und die Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S von Stressbelastungen auf den kapazitiven Sensor beeinflusst werden, kann die Kenntnis dieser Daten insbesondere auch dazu genutzt werden, die Auswirkungen der Stressbelastungen auf den kapazitiven Sensor zu minimieren oder zu beheben. Derartige Stressbelastungen, welche mittels der Betreibervorrichtung 10 minimierbar oder behebbar sind, treten beispielsweise bei einem Lötprozess, bei einem Umspritzen des kapazitiven Sensors mit einer Moldmasse, bei einer Aussetzung des kapazitiven Sensors an Feuchtigkeit oder bei einer Einwirkung einer externen Kraft auf den kapazitiven Sensor häufig auf. Mittels der hier erläuterten Ausbildung der Betreibervorrichtung 10 müssen jedoch die herkömmlichen Nachteile derartiger Stressbelastungen während eines weiteren Betriebs des kapazitiven Sensors nicht/kaum in Kauf genommen werden.
Die von der Elektronikeinrichtung 10b zur Festlegung des Ist-Spaltabstands d und/oder der Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors ausgewerteten Werte U₁, U₂, f₁ und f₂ eignen sich vorteilhaft zu deren verlässlicher Festlegung. Im Allgemeinen ist eine Eigenfrequenz f einer Masse m eines harmonischen Oszillators gemäß Gleichung (Gl. 2) definiert mit: $f = \frac{1}{2 π} * \sqrt{\frac{k_{m} + k_{e}}{m}},$
wobei k_m eine mechanische Federsteifigkeit und k_e eine Steifigkeit aufgrund von elektrostatischen Kräften ist. Für den Koeffizienten k_e gilt nach dem Hookeschen Gesetz (Hooke's Law) Gleichung (Gl. 3) mit: $k_{e} = \frac{\partial F_{e}}{\partial x}$
Die elektrostatische Kraft F_e ist nach Gleichung (Gl. 4) definiert mit: $F_{e} = \frac{1}{2} \frac{\partial C}{\partial x} U^{2}$
wobei C eine Kapazität des jeweiligen Plattenkondensators und U eine an dem jeweiligen Plattenkondensator anliegende Spannung sind. Damit kann Gleichung (Gl. 3) umgewandelt werden zu Gleichung (Gl. 5) mit: $k_{e} = - \frac{C_{0}}{d^{2}} U^{2}$
Die Konstante C₀ wurde in Gleichung (Gl. 1) schon eingeführt. Entsprechend kann Gleichung (Gl. 2) umgewandelt werden zu Gleichung (Gl. 6) mit: $f \approx f_{0} (1 - \frac{1}{2} * \frac{C_{0}}{k_{m} * d^{2}} U^{2}),$
wobei f₀ eine Grund-Eigenfrequenz ist. Anhand der Gleichung (Gl. 6) kann für einen Frequenzvariierungsgradienten (Frequency Tuning Capability) Δ von spannungsabhängigen Eigenfrequenzen der seismischen Masse 12 die Gleichung (Gl. 7) hergeleitet werden mit: $Δ = \frac{\partial f}{\partial U^{2}} = f_{0} * \frac{1}{2} * \frac{C_{0}}{k_{m} * d^{2}} \sim \frac{1}{d^{3}}$
Gemäß Gleichung (Gl. 7) ist somit der Frequenzvariierungsgradient Δ der spannungsabhängigen Eigenfrequenzen der seismischen Masse 12 proportional zum Kehrwert der dritten Potenz des Ist-Spaltabstands d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen benachbarten Elektrode 14. Deshalb kann eine Änderung des Ist-Spaltabstands d mittels der Werte U₁, U₂, f₁ und f₂ mit einer vergleichsweise hohen Verlässlichkeit und einer relativ geringen Fehlerabweichung ermittelt werden. Wie anhand der Gleichung (Gl. 1) außerdem deutlich wird, ist auch die Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors mittels einer entsprechenden Auswertung der Werte U₁, U₂, f₁ und f₂ verlässlich bestimmbar.
Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung 10b derart ausgelegt und/oder programmiert sein, dass mittels der Elektronikeinrichtung 10b der Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ gemäß der Gleichung (Gl. 8) festlegbar ist mit: $\frac{1}{d^{3}} = \frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}} * K_{1},$
wobei die Konstante K₁ auf einer Speichereinrichtung 10c der Betreibervorrichtung 10 hinterlegt ist. Die einzelnen Werte der Konstante K₁ können anhand der Gleichung (Gl. 7) abgeleitet werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Elektronikeinrichtung 10b auch dazu ausgelegt und/oder programmiert sein, die Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode des kapazitiven Sensors (als Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors) unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ gemäß der Gleichung (Gl. 9) festzulegen mit: $S_{e} = {(\frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}})}^{\frac{2}{3}} * K_{2}$
Auch die Konstante K₂, deren einzelne Werte aus den Gleichungen (Gl. 1) und (Gl. 7) abgeleitet werden können, kann auf der Speichereinrichtung 10c der Betreibervorrichtung 10 abgespeichert sein.
Sofern die Betreibervorrichtung 10 die Speichereinrichtung 10c umfasst, kann die Elektronikeinrichtung 10b als vorteilhafte Weiterbildung auch dazu ausgelegt/programmiert sein, mindestens einmalig einen festgelegten Ist-Spaltabstand d als Referenz-Spaltabstand do und/oder eine festgelegte Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe S_e0 auf der Speichereinrichtung 10c abzuspeichern. Zu mindestens einem späteren Zeitpunkt können dann ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand d mit dem Referenz-Spaltabstand do und/oder eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe S_e0 verglichen werden. Auf diese Weise kann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit erkannt werden, wann eine Stressbelastung auf den kapazitiven Sensor während dessen Weiterverarbeitung oder während dessen Betrieb zu einer Änderung des Ist-Spaltabstands d und/oder der Sensitivität S des kapazitiven Sensors führt.
Ein weiterer Vorteil der Ausstattung der Betreibervorrichtung 10 mit der Speichereinrichtung 10c liegt darin, dass in diesem Fall die Betreibervorrichtung 10 zusätzlich dazu beitragen kann, Auswirkungen der jeweiligen Stressbelastung auf den weiteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils zu minimieren oder zu verhindern. Vorzugsweise ist in diesem Fall die Elektronikeinrichtung 10b zusätzlich derart ausgelegt und/oder programmiert, dass mittels der Elektronikeinrichtung 10b unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand d₀ verglichenen Ist-Spaltabstands d und/oder der mit der Referenz-Größe S_e0 verglichenen Ist-Größe S_e und unter zusätzlicher Berücksichtigung einer auf der Speichereinrichtung 10c der Betreibervorrichtung 10 hinterlegten Soll-Größe Ω bezüglich eines Soll-Verstärkungsfaktors eines (nicht dargestellten) Signalpfades des kapazitiven Sensors mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart einstellbar oder regelbar ist, dass ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe Ω entspricht. Unter dem Signalpfad kann auch ein Verstärkungspfad des kapazitiven Sensors und/oder ein Datenpfad des kapazitiven Sensors verstanden werden. Beispielsweise wird durch Multiplizieren mit einem digitalen Verstärkungsfaktor bewirkt, dass eine IST-Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors einer als Soll-Größe Ω vorgegebenen Referenz- oder Ziel-Empfindlichkeit entspricht.
Die in dem vorausgehenden Absatz beschriebene vorteilhafte Ausbildung der Betreibervorrichtung 10 zur Neu-Einstellung der später angewendeten Verstärkung des kapazitiven Sensors ermöglicht somit eine Neueinstellung/Rekalibrierung des kapazitiven Sensors so, dass Auswirkungen von mechanischen Stressbelastungen auf den kapazitiven Sensor „herauskorrigiert“ werden. Selbst bei einer Deformation des kapazitiven Sensors, beispielsweise seiner MEMS-Struktur und/oder seiner Verpackung, kann die Betreibervorrichtung 10 mittels der vorteilhaften Neueinstellung/Nachkalibrierung des kapazitiven Sensors noch dessen Funktionsweise hinsichtlich einer gewünschten Soll-Funktionsweise optimieren.
2a bis 2c zeigen ein Flussdiagramm, eine schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors und ein Koordinatensystem zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben des kapazitiven Sensors.
In einem Verfahrensschritt S1-1 des hier beschriebenen Verfahrens wird eine erste konstante Spannung U₁ ungleich Null zwischen einer seismischen Masse 12 des kapazitiven Sensors und mindestens einer Elektrode 14 des (gleichen) kapazitiven Sensors angelegt. In einem (meistens gleichzeitig) ausgeführten Verfahrensschritt S2-1 wird eine erste Eigenfrequenz f₁ einer ersten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 12 entlang einer die seismische Masse 12 und die mindestens eine Elektrode 14 mittig schneidenden Raumrichtung bei anliegender erster konstanter Spannung U₁ zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 bestimmt.
In einem nachfolgend ausgeführten Verfahrensschritt S1-2 wird noch eine zweite konstante Spannung U₂ ungleich Null (und ungleich der ersten konstanten Spannung U₁) zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 angelegt. Außerdem wird in einem Verfahrensschritt S2-2, welcher (in der Regel gleichzeitig) mit dem Verfahrensschritt S1-2 ausgeführt wird, eine zweite Eigenfrequenz f₂ einer zweiten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 12 entlang der die seismische Masse 12 und die mindestens eine Elektrode 14 mittig schneidenden Raumrichtung bei anliegender zweiter konstanter Spannung U₂ zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 gemessen.
Optionaler Weise kann noch in mindestens einem später ausgeführten Verfahrensschritt S1-n mindestens eine weitere konstante Spannung U_n ungleich Null (und ungleich der konstanten Spannungen U₁ und U₂) zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 angelegt werden. Entsprechend kann in mindestens einem weiteren (optionalen) Verfahrensschritt S2-n, welcher im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Anlegen der jeweiligen weiteren konstanten Spannung U_n ausgeführt wird, die jeweilige Eigenfrequenz f_n einer n-ten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 12 entlang der die seismische Masse 12 und die mindestens eine Elektrode 14 mittig schneidenden Raumrichtung bei anliegender weiterer konstanter Spannung U_n zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 bestimmt werden.
Mittels der 2b sind vorteilhafte Möglichkeiten zum Ausführen der Verfahrensschritte S2-1, S2-2 und evtl. S2-n wiedergegeben. Diese Möglichkeiten nutzen die Tatsache, dass bei einem kapazitiven Sensor die seismische Masse 12 häufig mittels eines Antriebsmechanismus des kapazitiven Sensors in eine resonante harmonische Antriebsschwingung versetzbar ist/versetzt wird, welche mittels der Pfeile 20 wiedergegeben ist und eine im weiteren als Antriebs-Eigenfrequenz f₂₀ bezeichnete Frequenz aufweist. Speziell kann in diesem Fall beim Ausführen der Verfahrensschritte S2-1, S2-2 und evtl. S2-n eine jeweilige Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ und evtl. Δf_n zwischen der Antriebs-Eigenfrequenz f₂₀ und jeweils zu bestimmenden Eigenfrequenz f₁, f₂ oder f_n, bestimmt werden.
Dazu weist der schematisch wiedergegebene kapazitive Sensor zusätzlich zu der zum Anlegen der Spannungen U₁, U₂ und evtl. U_n verwendeten mindestens einen Elektrode 14 auch noch mindestens eine sogenannte Quadraturelektrode 24a und 24b auf. Unter der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b ist ein Elektrodentyp zu verstehen, welcher derart an und/oder in dem kapazitiven Sensor befestigt ist, dass eine zu der seismischen Masse 12 ausgerichtete Elektrodenfläche 26a und 26b der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b parallel zu der harmonischen Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 ausgerichtet ist und ein Flächenüberlapp zwischen der jeweiligen Elektrodenfläche 26a oder 26b und der in die harmonische Antriebsschwingung versetzten und in einer senkrecht zu der harmonischen Antriebsschwingung ausgerichteten Richtung auf die jeweilige Elektrodenfläche 26a oder 26b projizierten seismischen Masse 12 variiert. Die mindestens eine Quadraturelektrode 24a und 24b ist damit typischerweise so ausgebildet, dass eine Potentialdifferenz zwischen der jeweiligen Quadraturelektrode 24a und 24b und der seismischen Masse 12 eine gemäß der harmonischen Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 abhängige Kraft zwischen der jeweiligen Quadraturelektrode 24a und 24b und der seismischen Masse 12 in der senkrecht zu der harmonischen Antriebsschwingung ausgerichteten Richtung bewirkt.
Beispielsweise kann, während die seismische Masse 12 in die mittels der Pfeile 20 angezeigte resonante harmonische Antriebsschwingung mit der Eigenfrequenz f₂₀ versetzt ist/wird, eine variable Wechselspannung zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b angelegt werden. Unter der variablen Wechselspannung ist ein Spannungssignal mit einer innerhalb eines Frequenzbereiches [f_min, f_max] variierenden Testfrequenz f_t zu verstehen. Der Frequenzbereich [f_min, f_max] entspricht vorzugsweise einem Bereich der zu erwartenden Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ oder Δf_n. Aufgrund der harmonischen Antriebsschwingung der seismischen Masse 12 wird die mittels der angelegten variablen Wechselspannung bewirkte Kraft zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b mit der Antriebs-Eigenfrequenz f₂₀ moduliert. Die mittels der variablen Wechselspannung bewirkte Anregung der seismischen Masse 12 ist deshalb dann resonant, wenn eine Summe der Antriebs-Eigenfrequenz f₂₀ und der Testfrequenz f_t gleich der zu bestimmenden Eigenfrequenz f₁, f₂ oder f_n ist. Dies gilt, wenn die Testfrequenz f_t gleich der Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ oder Δf_n ist. Entsprechend wird auch eine senkrecht zu der harmonischen Antriebsschwingung ausgerichtete Amplitude der mittels der variablen Wechselspannung ausgelösten Test-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 maximal, sobald die Testfrequenz f_t gleich der Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ oder Δf_n ist. Mittels einer Vermessung der Übertragungsfunktion des Drehratensensors kann deshalb die Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ und evtl. Δf_n verlässlich und genau bestimmt werden.
Alternativ kann, während die seismische Masse 12 in die resonante harmonische Antriebsschwingung mit der Eigenfrequenz f₂₀ versetzt ist/wird, zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz f₁ und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz f₂ auch jeweils ein kurzes konstantes Spannungssignal (ungleich Null) zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b angelegt werden. Ein derartiges „sprunghaftes Einschalten“ des kurzen Spannungssignals zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und 24b regt die seismische Masse 12 zu einer zusätzlichen Test-Schwingbewegung in eine senkrecht zu der harmonischen Antriebsschwingung ausgerichtete Richtung an, wobei ein Anteil von Moden mit der zu bestimmenden Eigenfrequenz f₁, f₂ oder f_n an der Test-Schwingbewegung der seismischen Masse 12 relativ schnell abklingt. Allerdings kann durch eine Demodulation eines zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Quadraturelektrode 24a und24b abgegriffenen Messsignals bei der Eigenfrequenz f₂₀ zu Beginn der Test-Schwingbewegung die Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ und evtl. Δf_n zwischen der Eigenfrequenz f₂₀ und der zu bestimmenden Eigenfrequenz f₁, f₂ oder f_n ermittelt werden. Zum Bestimmen der Frequenz-Differenz Δf₁, Δf₂ und evtl. Δf_n anhand des Messsignals können z.B. ein numerischer Fit ausgeführt oder die Nulldurchgänge des Messsignals untersucht werden. Auch auf diese Weise lässt sich die zu bestimmenden Eigenfrequenz f₁, f₂ oder f_n verlässlich messen.
Das hier beschriebene Verfahren weist auch zumindest noch einen Verfahrensschritt S3 auf, in welchem ein Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 und/oder eine Ist-Größe S_e bezüglich einer Sensitivität S des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung zumindest der ersten konstanten Spannung U₁, der (in dem Verfahrensschritt S2-1 bestimmten) ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der (in dem Verfahrensschritt S2-2 bestimmten) zweiten Eigenfrequenz f₂ festgelegt werden. Eine vorteilhafte Vorgehensweise zum Festlegen des Ist-Spaltabstands d und/oder der Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors ist anhand des Koordinatensystems der 2c schematisch wiedergegeben.
Bei dem Koordinatensystem der 2c zeigt die Abszisse Quadrate von Spannungen U² an, während mittels der Ordinate Eigenfrequenzen f wiedergegeben sind. Wie in 2c bildlich wiedergegeben ist, kann in einem (optionalen) Verfahrensschritt S3a anhand der Werte U₁, U₂, f₁ und f₂ ein Frequenzvariierungsgradient Δ der spannungsabhängigen Eigenfrequenzen der seismischen Masse 12 gemäß Gleichung (Gl. 10) bestimmt werden mit: $Δ = \frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}}$
Anschließend können in einem weiteren (optionalen) Verfahrensschritt S3b der Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse 12 und der mindestens einen Elektrode 14 und/oder die Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung des bestimmten Frequenzvariierungsgradienten Δ festgelegt werden. Als die Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors kann insbesondere eine Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode 14 des kapazitiven Sensors festgelegt werden. Vorteilhafter Weise können zum Festlegen des Ist-Spaltabstands d und/oder der Ansprech-Sensitivität S_e die Gleichungen (Gl. 11) und (Gl. 12) verwendet werden mit: $\frac{1}{d^{3}} = Δ * K_{1}$
$S_{e} = Δ^{\frac{2}{3}} * K_{2}$
Die Konstanten K₁ und K₂ können mittels einer einmaligen Eichung bestimmt oder anhand der oben angegebenen Gleichungen berechnet werden.
Als vorteilhafte Weiterbildung des hier beschriebenen Verfahrens kann noch mindestens einmalig ein (optionaler) Verfahrensschritt S4 ausgeführt werden. In dem Verfahrensschritt S4 können ein (in dem Verfahrensschritt S3 festgelegter) Ist-Spaltabstand d als Referenz-Spaltabstand do, eine (in dem Verfahrensschritt S3 alternativ oder ergänzend festgelegte) Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe S_e0 und/oder ein (in dem Verfahrensschritt S3a bestimmter) Frequenzvariierungsgradient Δ als Referenz-Frequenzvariierungsgradient Δ₀ auf einer Speichereinrichtung abgespeichert werden. Zu mindestens einem späteren Zeitpunkt kann dann ein (optionaler) Verfahrensschritt S5 ausgeführt werden. In dem Verfahrensschritt S5 werden ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand d mit dem Referenz-Spaltabstand do, eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität S des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe S_e0 und/oder ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Frequenzvariierungsgradient Δ mit dem Referenz-Frequenzvariierungsgradient Δ₀ verglichen.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann noch in einem weiteren (optionalen) Verfahrensschritt S6 ein Ist-Verstärkungsfaktor eines Signalpfades des kapazitiven Sensors entsprechend einer auf der Speichereinrichtung hinterlegten Soll-Größe bezüglich eines (gewünschten) Soll-Verstärkungsfaktors des Signalpfades eingestellt oder geregelt werden. Dazu wird unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand do verglichenen Ist-Spaltabstands d, der mit der Referenz-Größe S_e0 verglichenen Ist-Größe S_e und/oder des mit dem Referenz-Frequenzvariierungsgradienten Δ₀ verglichenen Frequenzvariierungsgradienten Δ und unter zusätzlicher Berücksichtigung der Soll-Größe mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart eingestellt oder geregelt wird, bis ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe entspricht. Dies bewirkt eine „Anpassung“ des Signalpfades derart, dass ein tatsächlicher Verstärkungsfaktor eines bereitgestellten Signals dem gewünschten Soll-Verstärkungsfaktor entspricht. Der Verfahrensschritt S6 wird vorzugsweise immer dann ausgeführt, wenn in dem Verfahrensschritt S5 erkannt wird, dass der mindestens eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Wert d, S_e oder Δ zumindest erkennbar von dem zugeordneten Referenz-Wert do, S_e0 oder Δ₀ abweicht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass trotz einer zwischenzeitlichen Veränderung des Ist-Spaltabstands d an dem kapazitiven Sensor dennoch die gewünschte Ansprech-Sensitivität S_e des kapazitiven Sensors (im Wesentlichen) wieder erreicht wird.
Wahlweise kann auch nach dem Verfahrensschritt S4 in einem weiteren (optionalen) Verfahrensschritt S7 eine neue Sensitivität S des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung eines abgespeicherten Ausgangswerts So gemäß Gleichung (Gl. 13) bestimmt werden mit: $S = {(\frac{Δ}{Δ_{0}})}^{\frac{2}{3}} * S_{0}$
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014211646 A1 [0002]

Claims

Betreibervorrichtung (10) für einen kapazitiven Sensor mit: einer Spannungsanlegeeinrichtung (10a), welche derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Spannungsanlegeeinrichtung (10a) wahlweise zumindest eine erste konstante Spannung (U₁) ungleich Null oder eine zweite konstante Spannung (U₁) ungleich Null zwischen einer seismischen Masse (12) des kapazitiven Sensors und mindestens einer Elektrode (14) des kapazitiven Sensors anlegbar sind; gekennzeichnet durch eine Elektronikeinrichtung (10b), welche derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung (10b) unter Berücksichtigung von zumindest der ersten konstanten Spannung (U₁), einer von der Elektronikeinrichtung (10b) selbst-bestimmten oder an die Elektronikeinrichtung (10b) bereitgestellten ersten Eigenfrequenz (f₁) einer ersten harmonischen Schwingung der seismischen Masse (12) entlang einer die seismische Masse (12) und die mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender erster konstanter Spannung (U₁) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14), der zweiten konstanten Spannung (U₂) und einer selbst-bestimmten oder bereitgestellten zweiten Eigenfrequenz (f₂) einer zweiten harmonischen Schwingung der seismischen Masse (12) entlang der die seismische Masse (12) und die mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender zweiter konstanter Spannung (U₂) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) ein Ist-Spaltabstand (d) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) und/oder eine Ist-Größe (S_e) bezüglich einer Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors festlegbar sind.
Betreibervorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektronikeinrichtung (10b) derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung (10b) der Ist-Spaltabstand d zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ festlegbar ist gemäß der Gleichung: $\frac{1}{d^{3}} = \frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}} * K_{1},$
wobei die Konstante K₁ auf einer Speichereinrichtung (10c) der Betreibervorrichtung (10) hinterlegt ist.
Betreibervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektronikeinrichtung (10b) derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung (10b) eine Ansprech-Sensitivität S_e der mindestens einen Elektrode (14) des kapazitiven Sensors als Ist-Größe S_e bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung der ersten konstanten Spannung U₁, der ersten Eigenfrequenz f₁, der zweiten konstanten Spannung U₂ und der zweiten Eigenfrequenz f₂ festlegbar ist gemäß der Gleichung: $S_{e} = {(\frac{f_{2} - f_{1}}{U_{2}^{2} - U_{1}^{2}})}^{\frac{2}{3}} * K_{2},$
wobei die Konstante K₂ auf der Speichereinrichtung (10c) der Betreibervorrichtung (10) hinterlegt ist.
Betreibervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinrichtung (10b) derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung (10b) mindestens einmalig ein festgelegter Ist-Spaltabstand (d) als Referenz-Spaltabstand (do) und/oder eine festgelegte Ist-Größe (S_e) bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe (S_e0) auf der Speichereinrichtung (10c) der Betreibervorrichtung (10) abspeicherbar sind, und zu mindestens einem späteren Zeitpunkt ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand (d) mit dem Referenz-Spaltabstand (do) und/oder eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe (S_e) bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe (S_e0) vergleichbar sind.
Betreibervorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Elektronikeinrichtung (10b) zusätzlich derart ausgelegt und/oder programmiert ist, dass mittels der Elektronikeinrichtung (10b) unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand (d₀) verglichenen Ist-Spaltabstands (d) und/oder der mit der Referenz-Größe (S_e0) verglichenen Ist-Größe (S_e) und unter zusätzlicher Berücksichtigung einer auf der Speichereinrichtung (10c) der Betreibervorrichtung (10) hinterlegten Soll-Größe (Ω) bezüglich eines Soll-Verstärkungsfaktors eines Signalpfades des kapazitiven Sensors mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart einstellbar oder regelbar ist, dass ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe (Ω) entspricht.
Kapazitiven Sensor mit einer Betreibervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kapazitiven Sensor nach Anspruch 6, wobei der kapazitive Sensor ein Drehratensensor ist.
Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors mit den Schritten: Anlegen einer ersten konstanten Spannung (U₁) ungleich Null zwischen einer seismischen Masse (12) des kapazitiven Sensors und mindestens einer Elektrode (14) des kapazitiven Sensors und zumindest noch Anlegen einer zweiten konstanten Spannung (U₂) ungleich Null zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14)(S1-1, S1-2); gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer ersten Eigenfrequenz (f₁) einer ersten harmonischen Schwingung der seismischen Masse (12) entlang einer die seismische Masse (12) und die mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender erster konstanter Spannung (U₁) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) und zumindest noch Bestimmen einer zweiten Eigenfrequenz (f₂) einer zweiten harmonischen Schwingung der seismischen Masse (12) entlang der die seismische Masse (12) und die mindestens eine Elektrode (14) mittig schneidenden Raumrichtung (x) bei anliegender zweiter konstanter Spannung (U₂) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14)(S2-1, S2-2); und Festlegen eines Ist-Spaltabstands (d) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) und/oder einer Ist-Größe (S_e) bezüglich einer Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung zumindest der ersten konstanten Spannung (U₁), der bestimmten ersten Eigenfrequenz (f₁), der zweiten konstanten Spannung (U_s) und der bestimmten zweiten Eigenfrequenz (f₂)(S3).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Frequenzvariierungsgradient (Δ) von spannungsabhängigen Eigenfrequenzen der seismischen Masse (12) unter Berücksichtigung zumindest der ersten konstanten Spannung (U₁), der bestimmten ersten Eigenfrequenz (f₁), der zweiten konstanten Spannung (U₂) und der bestimmten zweiten Eigenfrequenz (f₂) bestimmt wird (S3a), und wobei der Ist-Spaltabstand (d) zwischen der seismischen Masse (12) und der mindestens einen Elektrode (14) und/oder die Ist-Größe (S_e) bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors unter Berücksichtigung des bestimmten Frequenzvariierungsgradienten (Δ) festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei, während die seismische Masse (12) in eine resonante harmonische Antriebsschwingung mit einer Antrieb-Eigenfrequenz (f₂₀) versetzt ist oder wird, zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz (f₁) und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz (f₂) jeweils eine variable Wechselspannung mit einer variierenden Testfrequenz (f_t) zwischen der seismischen Masse (12) und mindestens einer Quadraturelektrode (24a, 24b) des kapazitiven Sensors angelegt wird, und untersucht wird, bei welcher Testfrequenz (f_t) die seismische Masse (12) mittels der variablen Wechselspannung in eine resonante Schwingung versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei, während die seismische Masse (12) in eine resonante harmonische Antriebsschwingung mit einer Antrieb-Eigenfrequenz (f₂₀) versetzt ist oder wird, zum Bestimmen der ersten Eigenfrequenz (f₁) und zumindest noch der zweiten Eigenfrequenz (f₂) jeweils ein kurzes konstantes Spannungssignal zwischen der seismischen Masse (12) und mindestens einer Quadraturelektrode (24a und 24b) des kapazitiven Sensors angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei mindestens einmalig ein festgelegter Ist-Spaltabstand (d) als Referenz-Spaltabstand (do) und/oder eine festgelegte Ist-Größe (S_e) bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors als Referenz-Größe (S_e0) auf einer Speichereinrichtung (10c) abgespeichert werden (S4), und zu mindestens einem späteren Zeitpunkt ein zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegter Ist-Spaltabstand (d) mit dem Referenz-Spaltabstand (do) und/oder eine zu dem jeweiligen Zeitpunkt neu-festgelegte Ist-Größe (S_e) bezüglich der Sensitivität (S) des kapazitiven Sensors mit der Referenz-Größe (S_e0) verglichen werden (S5), und unter Berücksichtigung des mit dem Referenz-Spaltabstand (d₀) verglichenen Ist-Spaltabstands (d) und/oder der mit der Referenz-Größe (S_e0) verglichenen Ist-Größe (S_e) und unter zusätzlicher Berücksichtigung einer auf der Speichereinrichtung (10c) hinterlegten Soll-Größe (Ω) bezüglich eines Soll-Verstärkungsfaktors eines Signalpfades des kapazitiven Sensors mindestens eine Verstärkungs-Einrichtung in dem Signalpfad derart eingestellt oder geregelt wird, bis ein Ist-Verstärkungsfaktor des Signalpfades der Soll-Größe (Ω) entspricht (S6).