DE29508525U1

DE29508525U1 - Inertialsensor-Einheit

Info

Publication number: DE29508525U1
Application number: DE29508525U
Authority: DE
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2005-05-24
Also published as: ITMI961002A1; ITMI961002A0; IT1282728B1

Description

Gebrauchsmusteranmeldung

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, Alte Nußdorfer Straße 15,

88662 Überlingen

Inertialsensor-Einheit

Die Neuerung betrifft eine Inertialsensor-Einheit zur Messung einer inertialen Messgrösse.
15

Unter inertialer Messgrösse ist dabei eine Beschleunigung oder eine Drehgeschwindigkeit gegenüber dem inertialen Raum zu verstehen.

Inertialsensoren messen die Beschleunigung oder die Drehrate gegenüber dem inertialen Raum. Solche Inertialsensoren können dazu dienen, eine Plattform im Raum zu stabilisieren oder die Position oder Lage eines Trägers zu messen. Zur Messung der Beschleunigung dienen Beschleunigungsmesser. Die Drehgeschwindigkeit wird durch Kreisel gemessen oder durch "Laserkreisel", die auf dem Sagnac-Effekt beruhen. Ein grosses Problem bei solchen Inertialsensoren besteht darin, dass sie über einen sehr grossen Messbereich von mehreren Grössenordnungen hinweg arbeiten müssen. Es wird ausserdem hohe Genauigkeit und Driftfreiheit gefordert. Bekannte Inertialsensoren dieser Art sind daher höchst aufwendige und entsprechend teure Bauteile.

Es sind inertiale Sensoren bekannt, die miniaturisierte Resonatoren enthalten, wobei das Resonanzverhalten des Resonators durch die inertiale Messgrösse beeinflusst ist. Solche inertialen Sensoren sind z.B. "Quarz-Inertialsensoren". Diese Quarz-Inertialsensoren enthalten einen Schwingquarz. Bei einem als Drehgeschwindigkeits-Sensor ausgebildeten Inertialsensor dieser Art (QRS) wird die Frequenz des Schwingquarzes durch die Coriolis-Kraft beeinflusst. Bei einem als Beschleunigungsmesser ausgebildeten Inertialsensor (QAS) ist ein Schwingquarz mit einer Masse verbunden, so dass bei einer inertialen Beschleunigung durch die Trägheitskraft ein Druck auf den Schwingquarz ausgeübt wird. Dieser Druck verändert ebenfalls die Frequenz des Schwingquarzes. Die Grequenzänderungen können als Mass für die jeweilige inertiale Messgrösse benutzt werden.

Solche Quarz-Inertialsensoren sind klein, einfach und preisgünstig. Sie erfüllen aber nicht die an Inertialsensoren für Stabilisierungs- oder Navigationszwecke gestellten Anforderungen hinsichtlich Dynamikbereich und Genauigkeit. Die Quarz-Inertialsensoren arbeiten jeweils nur in einem relativ kleinen Messbereich. Die Genauigkeit der Quarz-Inertialsensoren ist begrenzt.

Die Messcharakteristik der Quarz-Inertialsensoren ist gekennzeichnet durch komplexe, nichtlineare, funktionale Zusammenhänge zwischen der zu messenden, inertialen Messgrösse und den Ausgangs-Meßsignalen. Dabei sind zusätzliche Abhängigkeiten von anderen Einflussgrössen, beispielsweise der Temperatur, zu berücksichtigten.

Ein Aufsatz von Bernstein u.a. "A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope" in IEEE 1993, S. 143-147, beschreibt einen Wendekreisel in Form einer mikromechanischen Stimmgabel aus Silizium, Polysilizium

oder Nickel. Hier ergeben sich ähnliche Probleme wie bei Quarz-Inertialsensoren.

Die DE-A-42 44 014 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen und Identifizieren von Fehlern an Sensoren mittels eines mehrschichtigen neuronalen Netzes.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Inertialsensor-Einheit zu schaffen, die den für Stabilisierungs- und Navigationszwecke gestellten Anforderungen genügt.

Insbesondere liegt der Neuerung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Inertialsensor-Einheit mit hoher Genauigkeit und ausgedehntem Messbereich zu schaffen.

Neuerungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass

- eine Mehrzahl von inertialen Sensoren so angeordnet sind, dass sie von der gleichen inertialen Messgrösse beaufschlagt sind,

- jeder der inertialen Sensoren einen miniaturisierten Resonator enthält, dessen Resonanzverhalten durch die inertiale Messgrösse beinflusst ist, und

die Signale der Sensoren auf gemeinsame Signalverarbeitungsmittel zur Erzeugung eines die inertiale Messgrösse wiedergebenden Ausgangs-Meßsignals aufgeschaltet sind.

Die Neuerung gestattet die Verwendung von preisgünstig herstellbaren, miniaturisierten Inertialsensoren, z.B. Quarz-Inertialsensoren. Durch eine Vermehrfachung solcher Sensoren und Aufschaltung der Sensorsignale auf eine

gemeinsame Signalverarbeitung kann sowohl die Genauigkeit als auch der Messbereich der gesamten Inertialsensor-Einheit auf die Anforderungen angehoben werden, die an Inertialsensoren für Stabilisierungs- und Navigationszwecke gestellt werden. Die Vervielfachung der Inertialsensoren wird möglich, weil jeder einzelne Intertialsensor nur einen relativ geringen Aufwand erfordert. Statt eines aufwendigen Inertialsensors werden viele Inertialsensoren mit geringerer Güte aber auch geringerem Preis verwendet. Dabei kann zur Messung der inertialen Messgrösse über einen ausgedehnten Messbereich hinweg eine Mehrzahl von Sensoren mit unterschiedlichen Messbereichen vorgesehen sein, von denen jeder in einem Teilbereich des besagten ausgedehnten Messbereiches arbeitet. Weiterhin kann zur Messung der inertialen Messgrösse in jedem Teilbereich eine Mehrzahl von im wesentlichen übereinstimmenden Sensoren vorgesehen sein, wobei die Messgrösse in dem Teilbereich aus Signalen aller dieser übereinstimmenden Sensoren ausgebildet ist.

Die Sensoren können aber auch alle im wesentlichen übereinstimmend ausgebildet sein, wenn es nur auf die Genauigkeit ankommt.

Konstruktiv kann eine Inertialsensor-Einheit so aufgebaut sein, dass

- auf einem ebenen Waferträger von rechteckiger Grundform in Längsrichtung nebeneinander drei Wafer mit Gruppen von Sensoren ausgebildet sind,
30

die Eingangsachsen einer ersten und einer dazu benachbarten zweiten Gruppe bei ebenem Waferträger zueinander parallel verlaufen,

die Eingangsachsen der dritten Gruppe bei ebenem Waferträger senkrecht zu den Eingangsachsen der ersten und der zweiten Gruppe verlaufen und

- der Waferträger zwischen den Gruppen entlang in Querrichtung verlaufender Faltkanten um jeweils 90° abgewinkelt sind.

Dann entsteht eine Struktur mit drei zueinander senkrechten, u-förmig angeordneten Steitenflachen, wobei die Eingangsachsen der drei Gruppen von Inertialsensoren ein orthogonales Achsensystem bilden.

Dabei ist vorteilhafterweise ein die Signal-Verarbeitungsmittel enthaltendes Mikroelektronik-Modul in dem von dem gefalteten Waferträger umschlossenen Hohlraum angeordnet.

Die nichtlinearen Charakteristiken der ggf. noch unterschiedlichen Inertialsensoren können dadurch berücksichtigt werden, dass die Signalverarbeitungsmittel ein erstes neuronales Netz aufweisen, das anhand von wirksamen inertialen Messgrössen und zugeordneten Ausgangs-Meßsignalen trainiert ist.
25

Weiterhin können die Signalverarbeitungsmittel ein zweites neuronales Netz aufweisen, das auf die Erkennung von Ausfällen von Sensoren trainiert ist und das erste neuronale Netz von dem zweiten neuronalen Netz im Sinne einer Rekonfiguration der Sensoren beeinflussbar ist.

Es ergibt sich dann eine kompakt Inertialsensor-Einheit mit hoher Genauigkeit, grossem dynamischen Bereich und hoher Redundanz, also Unempfindlichkeit gegen den Ausfall einzelner Sensoren.

Ausführungsbeispiele der Neuerung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung einer Inertialsensor-Einheit, die aus einer Mehrzahl von Quarz-Inertialsensoren aufgebaut ist.

Figur 2 zeigt perspektivisch ein Flugzeug und die Achsen in denen die Komponenten der inertialen

Messgrössen bestimmt werden sollen.

Figur 3 zeigt einen planen Waferträger mit drei Wafern, die jeder eine Gruppe von Inertialsensoren tragen.

Figur 4 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt den ersten Schritt einer Faltung des Waferträgers.

Figur 5 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt den zweiten Schritt der Faltung des Waferträgers.

Figur 6 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung einer Inertialsensor-Einheit mit dem gefalteten, die Inertialsensoren tragenden Waferträger und der zugehörigen Elektronik, die in den von dem gefalteten Waferträger umschlossenen Hohlraum eingeschoben ist.

Figur 7 ist ein Blockdiagramm der Signalverarbeitung.

Figur 8 ist ein etwas detaillierter dargestelltes Blockdiagramm der Signalverarbeitung.

&Bgr;··

• *

Bei der Ausführung nach Fig. 1 enthält die Inertialsensor-Einheit 10 längs einer Vorderkante N Inertialsensoren 12.11, 12.21 ... 12.Nl. Der Inertialsensor 12.11 hat einen Messbereich "1", der Inertialsensor 12.21 hat einen Messbereich "2", der sich an den Messbereich "1" anschliesst. Die weiteren, durch Strichelung angedeuteten Inertialsensoren haben weiter sich daran anschliessende Messbereiche bis zu dem Inertialsensor 12.Nl mit dem Messbereich "N". Die Messbereiche "1" bis N bilden sich aneinander anschliessende Teilbereiche eines ausgedehnten Messbereichs. Die Inertialsensoren 12.11 bis 12.Nl sprechen auf Beschleunigungen in Richtung des Pfeiles 14 an. Sie können auch Inertialsensoren sein, die auf Drehraten um die durch den Pfeil bestimmten Eingangsachsen ansprechen. Die Inertialsensoren 12.11 bis 12.Nl überdecken zusammen einen ausgedehnten Messbereich.

Jeder der Inertialsensoren 12.11 bis 12.Nl ist vermehrfacht vorgesehen. Ausser dem Inertialsensor 12.11 sind weitere, im wesentlichen damit übereinstimmende und ebenfalls in dem Messbereich "1" messende Inertialsensoren 12.12 bis 12. IM vorgesehen. Ausser dem Inertialsensor 12.21 existieren die Inertialsensoren 12.22 bis 12.2M usw. Ausser dem Inertialsensor 12.Nl existieren im wesentlichen damit übereinstimmende Inertialsensoren 12.N2 bis 12.NM. Zur Erhöhung der Genauigkeit wird der Mittelwert der AusgangssignaIe der Inertialsensoren 12.11 bis 12.IM gebildet. In entsprechender Weise werden die Mittelwerte der übrigen "Spalten" der "Matrix" von Inertialsensoren bis zu den Inertialsensoren 12.Nl bis 12.NM gebildet.

In Fig. 1 ist weiter ein Paar von Inertialsensoren 16 und 18 dargestellt. Die Inertialsensoren 16 und 18 messen die Komponenten der Messgrösse, z.B. Beschleunigung, senkrecht zueinander und zu der Richtung der durch Pfeil 14

repräsentierten Eingangsachse. Die Eingangsachse des Inertialsensors 16 ist durch einen Pfeil 20 und die Eingangsachse des Inertialsensors 18 ist durch einen Pfeil 22 dargestellt. Die Inertialsensor-Einheit 10 enthält ebenfalls jeweils eine "Matrix" von Inertialsensoren der Art von Inertialsensor 18. Auch hier haben die Inertialsensoren der "Spalten" unterschiedliche Messbereiche, die Teilbereiche eines ausgedehnten Messbereiches bilden. Auch hier werden zur Erhöhung der Genauigkeit die Mittelwerte der Signale der Inertialsensoren jeder Spalte gebildet.

Die "Matrizen" der Inertialsensoren 16 und 18 sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Es versteht sich, dass die Inertialsensoren nicht notwendig, wie dargestellt, in einer rechteckigen "Matrix" angeordnet sein müssen.

Die Inertialsensoren sind zusammen mit der zugehörigen Schaltung in einem Baustein integriert.

Für Stabilisierungs- oder Navigationszwecke ist es erforderlich, inertiale Messgrössen (Beschleunigungen, Drehgeschwindigkeiten) in drei zueinander senkrechte Achsen zu messen. Bei einem Flugzeug 24, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sind diese Achsen die Flugzeug-Längsachse x^F, die Querachse y^F und die Hochachse z^F. Fig. 3 bis 6 zeigen den Aufbau einer Inertialsensor-Einheit, welche inertiale, vektorielle Messgrössen in drei Achsen zu messen gestattet.

In Fig. 3 ist ein langgestreckt-rechteckiger Waferträger 26 dargestellt. Auf dem Waferträger 26 sitzen in Längsrichtung des Waferträgers 26 nebeneinander ein "X-Wafer" 28, ein "Z-Wafer" 30 und ein "Y-Wafer" 32. Auf dem X-Wafer 28 ist eine erste Gruppe 34 von Inertialsensoren ausgebildet. Die

Gruppe 34 von Inertialsensoren besteht beispielsweise aus Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 36. Die Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren (QRSs) 36 sind in einer Matrix aus Zeilen und Spalten auf dem X-Wafer ausgebildet. Die Eingangsachsen der Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 36 liegen sämtlich in Richtung des Pfeiles 38.

Die Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 36 auf dem Wafer 28 können sämtlich im wesentlichen übereinstimmend ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind jedoch die jeweils in einer Zeile der Matrix angeordneten Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 36 wie bei der Ausführung nach Fig. 1 für unterschiedliche Messbereiche ausgelegt, die Teilbereiche eines ausgedehnten Messbereiches bilden.

Die in einer Spalte der Matrix angeordneten Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 36 sind jeweils untereinander im wesentlichen übereinstimmend. Es können auch auf dem X-Wafer 28 zusätzlich Quarz-Beschleunigungsmesser ausgebildet sein. Auch deren Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen liegen in der Richtung des Pfeiles 38.

In entsprechender Weise ist der Z-Wafer 30 mit der zweiten Gruppe 42 von Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 40 ausgebildet. Die Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen der Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 40 liegen sämtlich in Richtung des Pfeiles 44, also in Fig. 3 senkrecht zu den durch den Pfeil 38 repräsentierten Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen der Quarz-

Drehgeschwindigkeitssensoren 36 der ersten Gruppe 34.

Der Y-Wafer 32 weist eine dritte Gruppe 46 von Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 48 auf. Die Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 48 der dritten Gruppe 46 sind in gleicher Weise in einer Matrix angeordnet wie die Quarz-

&iacgr;&ogr;

Drehgeschwindigkeitssensoren der zweiten Gruppe 42. Die Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen der Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren 48 liegen in Richtung des Pfeiles 50 parallel in Fig. 3 zu den Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen der Quarz-Geschwindigkeitssensoren 40 der zweiten Gruppe 42.

Der langgestreckt-rechteckige Waferträger 26 ist in der in Fig. 4 und 5 dargestellten Weise längs der Faltkanten 52 und 54 abgewinkelt. Zunächst wird der Waferträger 26 zwischen den Wafern 28 und 30 und Gruppen 34 bzw. 42 längs der Faltkante 52 um 90° abgewinkelt. Das ist in Fig. 4 dargestellt. Dann erfolgt eine Abwinklung um weitere 90° längs der Faltkante 54. Es entsteht ein im Querschnitt uförmiges Gebilde mit drei Abschnitten 56, 58, 60 des Waffenträgers 26. Aus Fig. 5 ist erkennbar, dass die Richtungen der Eingangs- oder Empfindlichkeitsachsen der Quarz-Inertialsensoren 36, 40 und 48, wie sie in Fig. 4 und 5 durch die Pfeile 38, 44 bzw. 50 repräsentiert sind, zueinander orthogonal sind. Sie können in einem Flugzeug 24 in Richtung der Achsen x^F, z^F bzw. y^F ausgerichtet werden.

Fig. 6 zeigt die konstruktive Ausbildung der Inertialsensor-Einheit.

Mit 62 ist eine Montageplatte bezeichnet. Auf der Montageplatte 62 sitzen die Abschnitte 56, 58 und 60 des Waferträgers 26. Davon liegt der Abschnitt 60 auf der Montageplatte 62 auf. Die Abschnitte 58 und 56 bilden die Rückwand bzw. Oberseite eines rechteckigen Gehäuses 64. Das Gehäuse 64 ist an einer Stirnseite durch eine Gehäusewand 66 geschlossen. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite ist das Gehäuse 64 offen. Auf der Vorderseite, gegenüber dem Abschnitt 58 ist das Gehäuse 64 durch eine lösbare Abdeckplatte 68 verschlossen. Von der offenen Stirnseite

her wird in das Gehäuse 64 ein Mikroelektronik-Modul 70 eingeschoben.

Das Mikroelektronik-Modul 70 enthält eine Schnittstelle 72, eine Ausleseelektronik 74, die Signalverarbeitungs-Schaltung 76, die Stromversorgung 78 sowie Verkabelung und Anschlüsse 80. Das Mikroelektronik-Modul 70 ist mit den die Quarz-Inertialsensoren 36, 40 und 48 bildenden Wafern 28, 30 bzw. 32 über ein Flachbandkabel 82 verbunden. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Inertialsensor-Einheit mit Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren (QRS) und Quarz-Beschleunigungssensoren (QAS), die Drehgeschwindigkeiten und Beschleunigungen in drei zueinander senkrechten Richtungen misst.

Die Signalverarbeitung solcher Quarz-Inertialsensoren bietet besonsere Probleme.

Quarz-Inertialsensoren liefern sehr stark nichtlineare Ausgangssignale in Form von Frequenzen. Diese Frequenzen hängen stark nichtlinear z.B. von der Drehgeschwindigkeit ab. Mit einem bestimmten Quarz-Inertialsensor kann jeweils nur ein begrenzter Bereich der inertialen Messgrösse um einen Arbeitspunkt herum erfasst werden. Dieser Bereich hängt von der Dimensionierung des Quarz-Inertialsensors ab.

Ausserhalb dieses Bereiches ergibt sich praktisch keine Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit. Auf der einen Seite des Bereiches ist bei der gegebenen Dimensionierung die Empfindlichkeit zu gering. Auf der anderen Seite des Bereiches tritt eine Sättigung ein. Und auch innerhalb des Bereiches ist die Charakteristik des Quarz-Inertialsensors nichtlinear.

Es gilt nun, aus einer Matrix solcher Quarz-Inertialsensoren und den von diesen gelieferten Signalen ein Meßsignal zu erzeugen, das

- über einen ausgedehnten Messbereich hinweg eine lineare Charakteristik zeigt, also einen linearen Zusammenhang zwischen der wirksamen inertialen Messgrösse und dem durch Signalverarbeitungsmittel erzeugten Ausgangs-Meßsignal, und

- eine gegenüber der Genauigkeit eines einzelnen Quarz-Inertialsensors durch die Verarbeitung der Signale mehrerer im wesentlichen übereinstimmender Quarz-Inertialsensoren für jeden Teilbereich des ausgedehnten Messbereichs erhöhte Genauigkeit besitzt.

Das wird gemäss Fig. 7 mittels eines neuronalen Netzes 84, des "Signal-NNET", erreicht, welches einen Teil der Signalverarbeitung 76 in Fig. 6 bildet.

Das neuronale Netz 84 erhält die Signale sämtlicher Quarz-Inertialsensoren 36, 40, 48. Das neuronale Netz kann weiterhin von Signalen beaufschlagt sein, die weitere Einflussgrössen, z.B. Temperaturen, darstellen. Das neuronale Netz 84 wird trainiert. Hierzu wird die Inertialsensor-Einheit in Form eines Sensorblocks 86 verschiedenen inertialen Messgrössen und z.B. Temperaturen unterworfen. Die dabei erhaltenen Ausgangssignale werden mit "Sollwerten" einer gewünschten Charakteristik verglichen. Die Gewichte des neuronalen Netzes 84 werden nach Massgabe dieses Vergleichs nach einem vorgegebenen Algorithmus verändert.

Ein solches Trainieren eines neuronalen Netzes ist an sich bekannte Technik und daher hier nicht im einzelnen beschrieben.

Nach dem Trainieren des neuronalen Netzes 84 erfolgt durch das neuronale Netz

die Kompensation der komplexen, nichtlinearen Messcharakteristik der einzelnen Quarz-Inertialsensoren,

- die Kompensation der anderen Einflussgrössen, z.B. der Temperatur,

- die Zusammenfassung der Signale von verschiedenen Quarz-Inertialsensoren, die in je einem Teilbereich des ausgedehnten Messbereiches wirksam sind, zu einem Ausgangssignal, welches in dem gesamten ausgedehnten Messbereich die inertiale Messgrösse wiedergibt,

- die Bildung eines die inertiale Messgrösse mit höherer Genauigkeit wiedergebenden Ausgangssignals aus redundanten Signalen, die durch eine Mehrzahl von gleichartigen Quarz-Inertialsensoren erzeugt werden, wobei durch Mittelwertbildung eine Erhöhung der Genauigkeit um einen Faktor 4n erzielt wird, wenn N die Anzahl der jeweils gleichartigen Quarz-Inertialsensoren ist, und

- eine Kompensation von Montagefehlern in der Plazierung der Quarz-Inertialsensoren 36, 40, 48 auf den Wafern 28, 30,32, in der Orientierung der Wafer 28, 30, 32 auf den Abschnitten 56, 58, 60 des Waferträgers 26 sowie von Orientierungsfehlern, die bei der Faltung des

Waferträgers 26 gemäss Fig. 4 und 5 bei der Herstellung des Sensorblocks 86 entstehen.

Die Funktionen dieses neuronalen Netzes 84 brauchen nicht programmiert zu werden. Es ist daher nicht erforderlich, die oben geschilderten Effekte zu modellieren. Vielmehr lernt das neuronale Netz in einer Kalibrierphase die mathematischen Zusammenhänge zwischen den funktional beteiligten Variablen.

Bei der Herstellung des Sensorblocks 86 brauchen deshalb keine besonderen Genauigkeiten eingehalten zu werden. Der Sensorblock 86 enthält Quarz-Drehgeschwindigkeitssensoren und Quarz-Beschleunigungssensoren. Die Signale aller Sensoren sind auf das neuronale Netz 84 auf geschaltet. Das neuronale Netz 84 liefert an einem Ausgang 88 ein die Drehgeschwindigkeiten repräsentierendes Ausgangssignal und an einem Ausgang 90 ein die Beschleunigungen (in drei Achsen) repräsentierendes Ausgangssignal.

Die Quarz-Inertialsensorenin den "Spalten" jeder Matrix sind im wesentlichen jeweils übereinstimmend. In den "Zeilen" der Matrix sind daher mehrere im wesentlichen übereinstimmende Sätze jeweils unterschiedlichen Quarz-Inertialsensoren vorgesehen. Die Information wird dadurch redundant geliefert, Ausser zur Erhöhung der Genauigkeit durch Mittelwertbildung kann diese Redundanz auch dazu ausgenutzt werden, Ausfälle solcher Quarz-Inertialsensoren zu erkennen und durch Rekonfiguration zu kompensieren.

Bei der Ausführung nach Fig. 7 wird dies durch ein weiteres neuronales Netz 92 bewirkt, ein "FDIR-NNET" (Netz für Fehler-Detektion,-Identifikation und Sensor-Rekonfiguration) . Das neuronale Netz 92 ist nach Art der oben erwähnten DE-A 42 44 014 aufgebaut. Dem fehlererkennenden

neuronalen Netz 92 werden die gleichen Signale von den Quarz-Inertialsensoren 36, 40, 48 zugeführt wie dem signalverarbeitenden, neuronalen Netz 84. Das fehlererkennende neuronale Netz 92 ist darauf trainiert, bei einem Ausfall eines Quarz-Inertialsensors oder eines Satzes von Quarz-Inertialsensoren an einem Ausgang 94 einen "Status" zu liefern, d.h. einen Signalvektor, der angibt, an welchem Quarz-Inertialsensor der Ausfall eintrat.

Der "Status"-Vektor ist ausserdem, wie durch einen Ausgang 96 angedeutet ist, als weiterer Eingang auf das neuronale Netz 84 aufgeschaltet und beeinflusst dieses neuronale Netz 84. Das ist durch einen Pfeil 98 symbolisiert. Das signalverarbeitende neuronale Netz 84 ist auch mit abgeschalteten Sensorsignalen und entsprechenden Status-Vektoren trainiert, auf Ausfall von Quarz-Inertialsensoren zu reagieren und solche Ausfälle bei der Bildung der Drehgeschwindigkeits- und Beschleunigungs-Signale an den Ausgängen 88 bzw. 90 zu berücksichtigen.

Fig. 8 zeigt den Aufbau der neuronalen Netze 84 und 92.

Die auf dem Wafer 26 angeordneten Gruppen 34, 42 und 46 von Quarz-Inertialsensoren 36, 40 bzw. 48 liefern Meßsignale an Ausgängen 100, 102 bzw. 104 getrennt für die Komponenten in Richtung der X-Achse, der Z-Achse bzw. der Y-Achse. Die Ausgänge 100, 102 und 104 sind in Fig. 7 durch einen Bus 106 dargestellt. Die Ausgänge sind mit dem Flachkabel 82 von Fig. 6 verbunden.

Die Ausgänge 100, 102, 104 sind einmal mit dem signalverarbeitenden neuronalen Netz 84 verbunden, wie in Fig. 7 durch einen Bus 108 dargestellt ist. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, enthält das neuronale Netz 84 seinerseits drei getrennte neuronale Netze 110, 112 und 114 für die x-

Komponenten, die y-Komponenten bzw. die z-Komponenten der vektoriellen Messgrössen. Der tatsächlich von einer Mehrzahl von Signalausgängen gebildete Ausgang 100 ist über eine Verbindung 116 mit dem neuronalen Netz 110 verbunden. Der Ausgang 102 ist über eine Verbindung 118 mit dem neuronalen Netz 112 verbunden. Der Ausgang 104 ist über eine Verbindung 120 mit dem neuronalen Netz 114 verbunden.

Das fehlererkennende neuronale Netz 92 ist ebenfalls aus drei getrennten neuronalen Netzen 122, 124 und 126 für die Quarz-Inertialsensoren 36, 40 bzw. 48 aufgebaut. Der Ausgang 100 ist über eine Verbindung 126 mit dem neuronalen Netz 122 verbunden. Der Ausgang 102 ist über eine Verbindung 128 mit dem neuronalen Netz 124 verbunden. Der Ausgang 104 ist über eine Verbindung 130 mit dem neuronalen Netz 126 verbunden. Durch die neuronalen Netze 122, 124 und 126 werden Status-Vektoren für die Quarz-Inertialsensoren 36, 40 bzw. 48 erzeugt. Diese Status-Vektoren sind über Verbindungen 132, 134 bzw. 136 als weitere Eingangsgrossen auf die jeweils zugehörigen, signalverarbeitenden neuronalen Netze 110, 112 bzw. 114 aufgeschaltet. Die Verbindungen 132, 134 und 136 entsprechen dem Ausgang 96 von Fig. 7.

Jedes der neuronalen Netze 110, 112 und 114 liefert einmal an einen ersten Ausgang 138, 140 bzw. 142 die betreffende Komponente &ohgr;_&khgr;, &ohgr;_&zgr;, &ohgr;_&ggr; der Drehgeschwindigkeit und an einem zweiten Ausgang 144, 146 bzw. 148 die betreffende Komponente a_x, a_z bzw. y_y der Beschleunigung. Die Ausgänge 138, 140 und 142 von Fig. 8 sind in dem Ausgang 88 von Fig.7 zusammengefasst.

Bei der beschriebenen Inertialsensor-Einheit werden die einzelnen Komponenten der Messgrössen unabhängig voneinander verarbeitet.

Statt der beschriebenen Quarz-Inertialsensoren können in ähnlicher Weise auch andere mikromechanische Inertialsensoren benutzt werden. Solche mikromechanischen Inertialsensoren können Stimmgabel-Kreisel aus Silizium oder Polysilizium sein. Auch andere miniaturierte Resonatoren wie Mikrooptik-Kreisel (MOGs) können für diese Anwendung in Frage kommen.

Claims

S chut &zgr; anspr iiche

1. Inertialsensor-Einheit zur Messung einer inertialen Messgrösse, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Mehrzahl von inertialen Sensoren (12;36;40;48) so angeordnet sind, dass sie von der gleichen inertialen Messgrösse beaufschlagt sind,

- jeder der inertialen Sensoren (12;36;40;48) einen . miniaturisierten Resonator enthält, dessen Resonanzverhalten durch die inertiale Messgrösse beinflusst ist, und

- die Signale der Sensoren (12;36;40;48) auf gemeinsame Signalverarbeitungsmittel (70) zur Erzeugung eines die inertiale Messgrösse wiedergebenden Ausgangs-Meßsignals aufgeschaltet sind.

2. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der inertialen Messgrösse über einen ausgedehnten Messbereich hinweg eine Mehrzahl von Sensoren (12.11...12.Nl) mit unterschiedlichen Messbereichen vorgesehen ist, von denen jeder in einem Teilbereich des besagten ausgedehnten Messbereiches arbeitet.

3. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der inertialen Messgrösse in jedem Teilbereich eine Mehrzahl von im wesentlichen übereinstimmenden Sensoren (12.11...12.1M)

vorgesehen ist, wobei die Messgrösse in dem Teilbereich aus Signalen aller dieser übereinstimmenden Sensoren ausgebildet ist.

4. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren im wesentlichen übereinstimmend ausgebildet sind.

5. Inertialsensor-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (12;36;40;48) von Quarz-Inertialsensoren gebildet sind.

6. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarz-Inertialsensoren Quarz-Beschleunigungsmesser (QAS) sind.

7. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarz-Inertialsensoren Quarz-Drehgeschwindigkeits-Sensoren (QRS) sind.

8. Inertialsensor-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialsensoren in einen Schaltungsbaustein integriert sind.

9. Inertialsensor-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass

die Sensoren (36,40,48) in Gruppen (34,42,46) auf der Oberfläche von Wafern (28,30,32) ausgebildet sind, die auf einem flachen Waferträger (26)

sitzen,

die Eingangsachsen (38,44,50) der Sensoren (36,40,48) einer Gruppe (34,42,46) jeweils zueinander parallel verlaufen und

der Waferträger (26) zwischen den Gruppen (34,42,46) abgewinkelt ist.

10. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem ebenen Waferträger (26) von rechteckiger Grundform in Längsrichtung nebeneinander drei Wafer (28,30,32) mit Gruppen (34,42,46) von Sensoren (36,40,48) ausgebildet sind, 10

- die Eingangsachsen (44,50) einer ersten und einer dazu benachbarten zweiten Gruppe (42 bzw. 46) bei ebenem Waferträger (26) zueinander parallel verlaufen,

- die Eingangsachsen (38) der dritten Gruppe (34) bei ebenem Waferträger (26) senkrecht zu den Eingangsachsen (44,50) der ersten und der zweiten Gruppe (42,46) verlaufen und

- der Waferträger (26) zwischen den Gruppen (34,42,46) entlang in Querrichtung verlaufender Faltkanten (52,54) um jeweils 90° abgewinkelt sind.

11. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe (34,42,46) von Sensoren (36,40,48) eine rechteckige Matrix von Sensoren bildet, wobei die Sensoren jeder "Spalte" der Matrix im wesentlichen übereinstimmen und die Sensoren jeder zu den Spalten senkrechten Zeile in unterschiedlichen Messbereichen arbeiten.

12. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Signal-Verarbeitungsmittel enthaltendes Mikroelektronik-Modul

(70) in dem von dem gefalteten Waf erträger (26) umschlossenen Hohlraum angeordnet ist.

13. Inertialsensor-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die

Signalverarbeitungsmittel ein erstes neuronales Netz (84) aufweisen, das anhand von wirksamen inertialen Messgrössen und zugeordneten Ausgangs-Meßsignalen trainiert ist.
10

14. Inertialsensor-Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass

die Signalverarbeitungsmittel ein zweites neuronales Netz aufweisen, das auf die Erkennung

von Ausfällen von Sensoren trainiert ist und

- das erste neuronale Netz von dem zweiten neuronalen Netz im Sinne einer Rekonfiguration der Sensoren beeinflussbar ist.

15. Inertialsensor-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Sätze von Sensoren für verschiedene inertiale Messgrössen aufweist.