WO2005124369A1 - Beschleunigungssensor und verfahren zum erfassen einer beschleunigung - Google Patents

Beschleunigungssensor und verfahren zum erfassen einer beschleunigung Download PDF

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WO2005124369A1
WO2005124369A1 PCT/EP2005/006053 EP2005006053W WO2005124369A1 WO 2005124369 A1 WO2005124369 A1 WO 2005124369A1 EP 2005006053 W EP2005006053 W EP 2005006053W WO 2005124369 A1 WO2005124369 A1 WO 2005124369A1
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acceleration sensor
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mass
sensor according
acceleration
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PCT/EP2005/006053
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Markus Braxmaier
Alexander Gaisser
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Hahn-Schickard- Gesellschaft Für Angewandte Forschung E.V.
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Definitions

  • the present invention relates to sensors, and in particular to inertial sensors for measuring a linear acceleration or a rotation rate, i.e. an angular velocity due to Coriolis acceleration.
  • Micromechanical Coriolis yaw rate sensors ie Coriolis vibrating yaw rate sensors (Coriolis Vibratory Gyroscope, CVG) have a wide range of fields of application, of which the position determination of an automobile or an aircraft is to be mentioned, for example.
  • such sensors have a movable mechanical structure, which is excited to periodically oscillate. This periodic vibration generated by excitation is also referred to as the primary vibration. If the sensor experiences a rotation about an axis perpendicular to the primary oscillation or the primary movement, the movement of the primary oscillation leads to a Coriolis force which is proportional to the measurement variable, ie the angular velocity. A second oscillation orthogonal to the primary oscillation is excited by the Coriolis force.
  • This second oscillation which is orthogonal to the primary oscillation, is also referred to as the secondary oscillation or the secondary movement.
  • the secondary oscillation which is also referred to as the detection oscillation, can be detected by various measuring methods, the detected variable serving as a measure of the rotation rate acting on the rotation rate sensor.
  • thermal, piezoelectric, electrostatic and inductive methods are used which are known in the art.
  • piezoresistive or capacitive principles are state of the art.
  • Rotation rate sensors can be designed in a wide variety of ways. However, all rotation rate sensors have in common that they comprise an oscillating device that can be set in the primary movement by a primary excitation device and that they have a secondary detection device that can measure a secondary movement based on a rotation rate acting on the rotation rate sensor. In the case of non-decoupled sensors, one and the same vibrating mass executes both the primary movement and the secondary movement. This oscillating device is then designed in such a way that it comprises a mass which is suspended so as to be movable in both the x direction and the y direction.
  • the x direction is the direction of the primary movement or the primary oscillation
  • the y direction is the direction of the secondary movement or the secondary oscillation
  • the yaw rate acts on the oscillating device in the z direction.
  • WO 98/15799 discloses rotation rate sensors with decoupled movements of the oscillating device.
  • the vibrating device is divided into a primary vibrator and a secondary vibrator.
  • the primary oscillator carries out an oscillation in the primary direction and is coupled to the secondary oscillator in such a way that the primary oscillation is transmitted to the secondary oscillator.
  • the primary oscillator is suspended from a substrate in such a way that it can only move in the primary direction, but not in the secondary direction.
  • a Coriolis force acting on the primary oscillator does not lead to the Primary transducer is deflected in the secondary direction, since this degree of freedom of movement does not exist for the primary transducer due to its suspension.
  • the secondary oscillator is suspended in such a way that it can move both in the primary direction and in the secondary direction.
  • the secondary movement leads to the secondary oscillator moving in the secondary direction, this secondary movement being detectable by the secondary detection device.
  • the secondary detection device is preferably designed in such a way that it does not detect the primary movement which the secondary oscillator only executes in order to be "sensitive" to the Coriolis force.
  • the connection between the primary oscillator and the secondary oscillator is furthermore In order to achieve an even better coupling, it is designed in such a way that the primary oscillation is transmitted from the primary oscillator to the secondary oscillator, but that the secondary oscillation is not transmitted back to the primary oscillator.
  • the rotation rate sensor 500 has a primary oscillator 506, which is attached to a base body (not shown) via a primary oscillation suspension 504, which consists of four anchors 504a and four spring bars 504b.
  • a primary oscillation suspension 504 which consists of four anchors 504a and four spring bars 504b.
  • the primary oscillator ie to set it in vibration, it comprises an electrode group 508 on two opposite sides, which is arranged to form a fixed electrode group 510, that is to say an electrode group 510 connected to the base body, to form a so-called comb Form drive to excite primary transducer 506.
  • the primary oscillator suspension 504 is designed in such a way that oscillation of the primary oscillator 506 in the x direction is permitted. sen while effectively preventing the primary vibrator 506 from moving in the other two directions.
  • the cantilevers 504 therefore have a rectangular cross section, the narrow side of the cross section being selected along the x direction, while the long side of the cross section is running along the z direction.
  • the anisotropic stiffness of the primary and secondary transducer suspension can also be achieved by arranging a plurality of cantilevers with the same cross-sectional geometries at corresponding locations.
  • a secondary vibrator 514 is connected to the primary vibrator 506 via secondary vibrator suspensions 512, as shown in FIG. 5.
  • the secondary oscillator 514 has secondary oscillator electrode groups 550 which are arranged parallel to the x-axis and which are arranged in a comb-like manner in meshing manner in fixed secondary oscillation detection electrode groups 552 in order to enable capacitive detection of the movement of the secondary oscillator 514 in the y direction.
  • the rotation rate sensor 500 is rotated at an angular velocity ⁇ y about the axis of symmetry of the secondary oscillator 514 or parallel to this axis of symmetry, that is to say an axis parallel to the y-axis, then a Coriolis force acts on the secondary oscillator 514, which force is essentially translational Movement of the secondary vibrator leads in the z direction.
  • the translatory movement of the secondary vibrator 514 in the z direction can be capacitively detected by a detection electrode 516, which is arranged under the secondary vibrator 514.
  • the rotation rate sensor 500 If the rotation rate sensor 500 is rotated at an angular velocity ⁇ z about an axis that runs perpendicularly through the center of the secondary oscillator 514 and is parallel to the z-axis or generally to an axis parallel to the z-axis, then the secondary oscillator acts a Coriolis force that causes it to move in the y direction.
  • This movement in the y direction of the secondary oscillator 514 represents a translatory oscillation, since the primary oscillator also executes a translatory oscillation.
  • the movement of the secondary vibrator 514 in the y direction is detected capacitively by the secondary vibrator electrode group 550 and by the fixed detection electrode groups 552.
  • the cantilevers 512 have an essentially square cross-sectional configuration, since they allow deflection both in the z direction and in the y direction, such that biaxial detection can take place. A relative movement of the secondary vibrator 514 and the primary vibrator 506 is prevented by the arrangement of the spring bars 512, which all run parallel to the x-axis. If the yaw rate sensor shown in FIG. 5 is to be designed as a uniaxial sensor with a secondary movement in the y direction (primarily in the x direction), the spring bar cross sections are designed to be rectangular.
  • the primary oscillator suspension ensures that the primary oscillator 504 cannot be moved in the y or z direction by the Coriolis force, since a movement of the primary oscillator in the z direction is reduced / minimized by the cross-sectional configuration of the spring bars 504b, with the arrangement of FIGS Spring bar 504b parallel to the y-axis prevents movement in the y-direction of the primary oscillator.
  • the anchors 504a also have a corresponding one Rigidity so that they do not allow any deflection in the y direction.
  • WO 98/15799 also discloses a large number of further rotation rate sensors with different types of primary and secondary vibrations, which are based on the fact that the primary vibration is decoupled from the secondary vibration. While the rotation rate sensor shown in FIG. 5 carries out a linear oscillation both in the primary direction and in the secondary direction, other rotation rate sensors are also described, specifically those which carry out a rotary movement in the primary direction and which likewise carry out a rotary movement in the secondary direction. Alternative rotation rate sensors also consist in the fact that e.g. B. the primary movement is rotary, but the secondary movement is linear and vice versa.
  • Micromechanical rotation rate sensors in which the measuring principle is based on the Coriolis effect, can generally be described with two coupled spring-mass-damper systems. While the first oscillator (also referred to as the primary oscillator or excitation oscillator) excites an inertial mass m p of the speed v x , a Coriolis force occurs due to the Coriolis effect, which is orthogonal to this speed vector and the sensitive axis of the rotation rate ⁇ z to be measured:
  • the first oscillator also referred to as the primary oscillator or excitation oscillator
  • This Coriolis force F c acts on the second oscillator (also referred to as a secondary oscillator or detection oscillator) and causes a deflection proportional to the rotation rate.
  • the second oscillator also referred to as a secondary oscillator or detection oscillator
  • FIG. 6 shows such a rotary tensensor with a sample mass 60, anchors 61a to 61d and springs 62a to 62d.
  • the x direction, the y direction and the z direction can also be seen from the attached coordinate system, the sensitive axis of the sensor being the z axis only by way of example, so that a rotation rate to be recorded, as shown in FIG. 6 is a rotation about the z-axis perpendicular to the plane of the drawing.
  • an inhomogeneous linear differential equation of the second order can be formulated for each system capable of oscillation in accordance with the balance of forces.
  • the parameters of the model are mass m, the damping ß and the natural frequency ⁇ of the oscillator.
  • the indices p and s identify the relevant parameters of the primary and secondary vibration.
  • the primary oscillator is excited with the electrostatic force F D.
  • the secondary oscillator is excited with the Coriolis force F c in a direction orthogonal to the primary excitation. For closed loop operation, additional FFeedback forces can be applied.
  • FIG. 7 shows a form of implementation for measuring yaw rates based on microtechnical manufacturing methods, again, as indicated in FIG. 7, a system with two-part test mass is used, namely with a secondary oscillator, which is also referred to in FIG. 7 as an inertial mass and has the reference symbol 60b, and with a primary oscillator which has the reference symbol 60a. Both the primary vibrator 60a and the secondary vibrator 60b are held with respect to a substrate, which is not shown in FIG. 7, by means of anchors 63a to 63d.
  • a primary spring or a primary spring structure 64 is arranged between the primary oscillator and the individual anchoring in order to hold the primary oscillator 60a in such a way that it can be excited in the x direction, but that it cannot be deflected in the y direction.
  • the primary spring 64 is thus designed such that the primary spring construction has a higher rigidity in the y direction than in the x direction.
  • the secondary oscillator 60b is connected to the primary oscillator via a secondary spring 65.
  • the secondary spring 65 or a secondary spring construction is designed such that the secondary oscillator can be deflected in the y direction with respect to the primary oscillator and that the primary oscillation is transmitted from the primary oscillator to the secondary oscillator.
  • the rotation rate sensor comprises drive electrode comb structures 66a, 66b, 66c and 66d, which can be controlled with corresponding alternating signals, namely in the correct phase with respect to the pairs 66d, 66c or 66a, 66b, around the primary oscillator (and thus the secondary oscillator) into an excitation oscillation in to move the x direction.
  • This excitation vibration is transmitted to the secondary vibrator, which, when an external rotation rate about the z-axis is exerted on the sample mass 60a, 60b, due to the Coriolis force, leads to the secondary vibrator 60b making a movement in the y direction, which is detected again via detection electrodes 67a, 67b.
  • Each comb structure includes a fixed comb structure and a movable comb Structure, wherein the fixed comb structure engages with each other in the movable comb structure.
  • FIG. 7 thus shows a form of implementation for measuring rotation rates through the Coriolis effect based on microtechnical manufacturing processes.
  • Both the primary and the secondary vibration take place in the plane (based on the substrate).
  • the drive electrodes are used to drive the oscillation with the force F D
  • the detection electrodes are used to detect the Coriolis-induced movement.
  • primary and secondary transducers can be interchanged. Then, however, a change in the mass ratios of the primary vibrator and the secondary vibrator would also be taken into account.
  • the price for micromechanical rotation rate sensors is essentially determined by the costs for the production of the silicon chip, the assembly and connection technology as well as the testing and calibration of the sensors. With larger quantities, the costs are distributed approximately evenly. The silicon chip and the assembly and connection technology together make up two thirds, while the time-consuming testing and calibration of the rotation rate sensors accounts for up to one third of the total costs.
  • the reason for the very high costs of the test and the calibrations is the fact that fully assembled rotation rate sensors usually have to be tested and calibrated individually on a turntable for their functionality. Measurements over the entire temperature range in which the rotation rate sensor is supposed to work are particularly cost-intensive. This temperature range is considerable, in particular for automotive applications; it will extend from minus degrees to high plus degrees, in order to ensure, for example, in the entire temperature range in which a motor vehicle is operating.
  • micromechanical rotation rate sensors should meet specifications with very high standards, which have so far only been met by fiber-optic gyroscopes, which can be assigned to a price range of several thousand euros. Examples of applications with specifications of high demands are most military applications and navigation systems of the aerospace.
  • amplitude and phase controls on the primary side are known, to the extent that the primary amplitude and primary frequency of the primary excitation signal are always changed in such a way that on the one hand the rotation rate sensor is always operated in primary-side resonance and on the other hand the amplitude of the primary oscillation is constant or at least one downstream evaluation electronics is known.
  • the initial calibration therefore takes place using a turntable to generate a real rotation rate or a plurality of rotation rates, with recalibration in operation so far only taking place on the basis of temperature variations determined in the laboratory.
  • the output signal of the sensor can be checked with regard to its plausibility, in order to signal a malfunction of the sensor in the event of an excessive deviation, to remove the sensor, bring it to the laboratory and recalibrate it, or replace it with a new (freshly calibrated) sensor.
  • the object of the present invention is to create a more efficient and fault-tolerant concept for an acceleration sensor.
  • the present invention is based on the knowledge that both calibration and in-function monitoring of an acceleration sensor are possible by providing an acceleration sensor of a conventional type with a reference quantity applying device, which is designed to apply a defined reference quantity in the direction of a sample mass the sensitive axis of the sensor. Furthermore, according to the invention, a signal processing device is provided in order to process an output signal of a detection device for detecting a deflection of the sample mass, in order to determine a reaction of the sample mass to the defined reference quantity using information about the defined reference quantity.
  • the test mass is actually exposed to a real or “spurious” Coriolis acceleration by the reference quantity application device, which, in contrast to the acceleration to be measured, is a defined reference quantity, that is to say in With regard to any parameter is known, since it has been artificially generated by the reference quantity applying device.
  • the “transfer function” of the sensor for the reference variable can therefore be determined, since the reaction of the sensor to the generated reference variable is recorded, so that for a specific, defined reference variable a reaction of the sensor, i.e. a detection signal is present.
  • the reference quantity application device can also be used to a certain extent in offline mode, in order to carry out an initial calibration of the sensor, preferably at two different times, using an impression of two different reference quantities, in order to determine both offset, that is to say the zero point shift, as well as the To determine the scale factor accordingly in order to achieve a corrected linear output characteristic of the sensor.
  • the senor according to the invention is generally used to detect accelerations, that is to say e.g. B. translatory, rotational accelerations or Coriolis accelerations
  • the concept according to the invention is particularly advantageous when the reference variable generating device is used to work in the actual measuring mode, in which it cannot be said whether acceleration is present at the sensor or not.
  • the measurement component on the one hand and the reference component on the other hand can be extracted from the detection signal, so that the reference measurement for the normal measurement always "runs in the background" to a certain extent. Monitoring can therefore always take place when a specific defined reference variable is impressed whether the sensor turns on behaves as expected or not based on this reference variable.
  • the reference component can not only be used to assess the measurement component, i.e. to characterize it with regard to its plausibility, but also to calibrate the sensor element, for example the zero point and the scale factor, for signal drifts due to external influences, such as, for example Reduce temperature, aging etc.
  • a correction signal is therefore also determined at the same time as the measurement signal and can to a certain extent perform a control function for the measurement signal.
  • the concept according to the invention is also efficient in that the sensor can be corrected during operation in such a way that the service life of the sensor, ie the time of the sensor that it can remain in the measurement environment, is significantly increased in comparison to a sensor that has to be brought to the laboratory after a certain time to be recalibrated and then used again.
  • the senor according to the invention allows use where it is no longer possible to return to the laboratory is, such as for space applications, etc. In such applications, it was previously extremely problematic, e.g. B. use micromechanically manufactured rotation rate sensors, since these have temperature effects, signs of aging, etc. If the use was possible at all, it was only possible for sensors that were manufactured with extraordinary effort.
  • Another advantage of the present invention is that due to the possible in-service recalibration, it is no longer necessary to record complete temperature courses in advance in the laboratory.
  • Another advantage of the present invention is that the sensor can be recalibrated during operation, so that aging situations can be taken into account individually, which means that a sensor only has to be replaced when it is mechanically destroyed, but not when it is destroyed just lost the calibration.
  • the effort for the final tests of installed yaw rate sensors is reduced by the independent initial or initial calibration without using a turntable.
  • the performance of the rotation rate sensors in particular the drift of the sensor parameters scale factor and zero point, is improved by the implementation of a preferably permanent, independent control during sensor operation and by an independent recalibration, also during sensor operation.
  • the comparatively high costs for time-intensive testing and calibration are reduced in the total costs of the rotation rate sensors.
  • the cost-intensive testing of the sensors over the entire temperature range becomes obsolete in connection with the calibration according to the invention, which is based on the actual implementation of the precisely quantified reference rotation rate.
  • the steadily increasing demands on reliability and performance parameters are taken into account by minimizing the largest errors in terms of sensor stability or sensor accuracy, which arise from the drifting of the scale factor and the zero point.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an acceleration sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a micromechanical rotation rate sensor according to the invention
  • 3 shows a preferred embodiment of the acceleration sensor according to the invention as a rotation rate sensor; 4 shows a frequency diagram to show the frequency band specified for the sensor and the frequency of the defined reference variable;
  • FIG. 5 shows a known rotation rate sensor with a primary oscillator and a secondary oscillator, which are orthogonally decoupled from one another;
  • FIG. 6 shows a schematic diagram for a micromechanical rotation rate sensor with two spring-mass damper systems arranged orthogonally to one another;
  • Fig. 7 is a schematic representation of an alternative rotation rate sensor with orthogonally decoupled vibration characteristics.
  • the sensor comprises a sample mass 10, which is normally attached to a carrier (not shown in FIG. 1), and which is also designed to move from one with respect to a sensitive axis, which is unrestricted with regard to the rotation rate sensors that will be described below
  • the z-axis is to deflect directional measurement acceleration 11 with respect to a rest position in which there is no measurement acceleration.
  • the acceleration sensor according to the invention further comprises a reference quantity application device 12, which is designed to exert a defined reference quantity 13 on the sample mass 10, likewise in the direction of the sensitive axis.
  • the reference variable 13 and the measurement acceleration 11 to be detected in principle are directed with respect to the same sensitive axis or that the sensor measures directional components of these two accelerations that are parallel to the sensitive axis.
  • the reference variable is a defined reference variable, whereby this knowledge about the reference limit size is used later, as will be explained.
  • the acceleration sensor comprises a detection device 14 for detecting a deflection of the sample mass 10 due to an acceleration, which is directed in the direction of the sensitive axis, and for delivering a detection signal 15, which is typical when the sensor is in normal operation includes a reference portion and a measurement portion.
  • the detection signal 15 is fed to a signal processing device 16, which also receives information 17 about the defined reference variable (i.e. an acceleration or rotation rate) in order to process the detection signal 15 using this information about the defined reference variable in order to react the sample mass to the defined reference variable , that is to say to obtain the reference portion 19a and possibly the measuring portion 19b from the detection signal.
  • the reference portion 19a is used for various things, for example also for calibrating the acceleration sensor, in which case both the measuring portion 19b and the reference portion 19a are fed to a calibration device 18 in order to calibrate the measuring portion 19b and finally to obtain a calibrated output signal at an output 20.
  • both the measurement acceleration and the reference quantity both act on the same sample mass, which means that if the measurement acceleration is just zero, the sample mass is nevertheless deflected, namely on the basis of the defined reference quantity. If, on the other hand, the measurement acceleration 11 to be measured is not equal to zero, the deflection of the sample mass 10 is a superimposition of a measurement deflection on the basis of the measurement acceleration 11 and a reference deflection on the basis of the defined reference variable 13.
  • the detection device which knows none of all of this, but simply detects the deflection of the sample mass 10, thus provides a detection signal 15 which includes both the information about the measurement acceleration and information about the defined reference variable.
  • the reference variable Since the reference variable has been generated synthetically, it is known with regard to one or more parameters, such as frequency, amplitude, time or frequency / amplitude-time curve. This specific parameter will be expressed in some way as a signal component in the detection signal, so that the signal can be extracted again from the reference detection signal by signal processing using information about the defined reference variable, and thus a reaction of this sample mass using the same sample mass to determine the reference quantity on the one hand and the measurement acceleration on the other.
  • parameters such as frequency, amplitude, time or frequency / amplitude-time curve.
  • the acceleration sensor is a rotation rate sensor for measuring a Coriolis acceleration and further comprises an excitation device in order to set the sample mass into an excitation oscillation orthogonal to the detection deflection.
  • the reference quantity application device is designed to exert a rotation rate on the sample mass, which is directed in the direction of the sensitive axis of the sensor. If the excitation oscillation is thus directed in the x-direction of the sensor and the detection oscillation is directed in the y-direction of the sensor, then the reference variable application device is designed to set the sample mass in rotation about the z-axis.
  • test mass is designed in such a way that it comprises a primary mass and a secondary mass separated by a secondary suspension, it will be sufficient in principle to expose the secondary mass to the defined reference variable. However, this is not carried out for special micromechanical rotation rate sensors for reasons of simplicity. Instead it will the entire sensor, including the primary transducer, is exposed to the defined reference rotation rate, which is not a problem.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a micromechanical rotation rate sensor consisting of two spring-mass damper systems arranged orthogonally to one another, which are coupled to one another by the Coriolis force.
  • FIG. 2 in contrast to the known rotation rate sensor shown in FIG.
  • the reference variable application device is in the form of a reference oscillator 12a, reference oscillation springs 12b and an excitation unit (not shown in FIG. 2) for exciting the reference oscillator 12a formed in a rotation around the z axis.
  • the sample mass 60 does not notice whether it is rotated about the z-axis on the basis of the reference quantity application device 12 or on the basis of the external measurement rotation rate. The same applies to the Coriolis force. Here, too, it does not really matter whether it works due to an artificially stimulated yaw rate or an actually measured yaw rate.
  • the reference drive comprises four comb drive structures, which consist of interdigitated electrode groups, one fixed electrode group, designated 120 in FIG. 3, while the other electrode group 121 is movable, and connected to the reference oscillator 12a, as shown in FIG. 3 is shown.
  • the primary springs -64 which connect the primary oscillator 60a to the reference oscillator 12a, are arranged in such a way that the primary oscillator 60a can carry out a primary oscillation, that is to say an oscillation in the x direction, with respect to the reference oscillator 12a, but the oscillator does not can perform y-vibration (due to the Coriolis force).
  • the springs 12b for hanging the reference vibrator 12a are designed or arranged in such a way that the reference vibrator and thus all other vibrators, including the primary vibrator and the secondary vibrator, can perform a rotary movement, but preferably as possible for all other movements is rigid.
  • the fixed detection electrodes of group 67a and the fixed drive electrodes of electrode group 66a are arranged in a fixed manner in the exemplary embodiment shown in FIG. 3.
  • the excitation using the reference drive devices 12c rotates the entire structure, apart from the fixed electrodes of the groups 66a and 67a, so that the movable electrodes of the groups 66a and 67a are also twisted to a certain extent .
  • the rotation rate sensor shown in FIG. 3 can be constructed in two stages, so that the fixed electrode structures of the electrode groups 66a, 67a are also set into a rotational movement, specifically by the drive torque which is exerted by the reference drive devices 12c.
  • the outer comb structures 12c serve to apply the reference variable with frequencies typically outside a specified bandwidth for start-up calibrations. As it follows is still executed, the influence of the excitation of the reference variable to the measured variable can be minimized by suitable parameters.
  • an inertial reference variable is applied at the chip level in order to optimize the sensor properties or to compensate for disturbance variables.
  • Rotation rate amplitude and a defined rotation rate frequency are excited.
  • the third (quasi-rotating) reference oscillator is provided, to which the two oscillators of the rotation rate sensor, ie the primary oscillator and the secondary oscillator, are coupled.
  • the reference oscillator, the excitation oscillator (primary oscillator) and the detection oscillator (secondary oscillator) are preferably implemented on the same substrate.
  • a function and plausibility test can be carried out to check the measurement data, this function or plausibility test taking place parallel to the actual measurement, that is to say at the same time as the actual measurement, and is therefore impaired by the same disturbances which are also problematic for the measurement data.
  • a calibration of the sensor element can also be carried out using the reference measurement based on the defined reference variable, specifically above all the zero point and the scale factor, this calibration being carried out not only as an initial calibration but also during operation without influencing the measured variable can.
  • the concept according to the invention can also be used to carry out an initial calibration without a rotary table.
  • Two quantities are typically determined for the calibration of the rotation rate sensors, namely the proportionality factor between the rotation rate ⁇ to be measured and the output signal V, which is also referred to as the scale factor SF (the scale factor converts the rotation rate into a voltage-equivalent quantity), and the so-called zero point NP 0 that is to be adjusted to a specified value in certain embodiments.
  • This zero point shift is generated artificially so that, as stated, depending on external conditions, an output signal V is received
  • Signal processing block knows that an output voltage of 0 V corresponds to the value - ⁇ max , that an output signal of 2.5 V corresponds to a rotation rate of 0, and that an output signal of +5 V corresponds to a rotation rate of + ⁇ max . If the zero point shift were not carried out, the output signal would be between -2.5 and +2.5 V. If this signal is considered to be suitable for a subsequent signal processing block that processes the output signal between -2.5 V and +2.5 V, no zero point shift has to be carried out.
  • a zero point shift is only required if the downstream signal processing block, for example with negative tive tensions cannot work or should not work for certain reasons.
  • the yaw rate sensor is operated at at least two different yaw rates ⁇ i and ⁇ 2 , the yaw rates defining the measuring range usually being used.
  • the unmatched scale factor SFo * results from the following equation:
  • the determined scale factor SFo * af is compared to the specified value SF 0 by multiplying (or dividing) the output signals with a suitable multiplier, which can of course also be less than 0 and thus acts as a divisor, which is the ratio of the desired scale factor SF 0 to actual scale factor SF 0 * is determined.
  • a suitable multiplier which can of course also be less than 0 and thus acts as a divisor, which is the ratio of the desired scale factor SF 0 to actual scale factor SF 0 * is determined.
  • the zero point NP 0 is calibrated by measuring the output signal V 0 without the presence of a rotation rate. The result is the non-adjusted zero point NP 0 * , which is defined as follows:
  • the zero point NP 0 * determined is compared to the specified value NP 0 by adding (or subtracting) the output signal V 0 to a suitable constant k NP , which is the difference between the target zero point NP 0 * and the actual zero point NP 0 is determined.
  • the adjusted zero point NP 0 results from the following equation:
  • the zero point constant k NP results directly from the above equation by solving the above equation for k NP .
  • the calculation of k NP and the addition of the output signal with k NP are carried out in the same way as the scale factor calibration in the digital signal processor, as is shown by way of example in FIG. 8. Due to the fact that the calibration of the zero point is carried out without the presence of a rotation rate, it is not necessary to know a defined rotation rate during the initial calibration of the zero point.
  • a rotary table is therefore no longer required for the initial calibration. Instead, due to the simple transmission characteristics of the comb drives, which can be calculated in terms of frequency, a first and a second calibration rotation rate can be exerted, the calibration rotation rates being closely related to the frequency of the electrical signal which is applied to the comb drives.
  • the reference signal is thus measured at the reference frequency, which is identical to the frequency of the electrical signal that is applied to the reference comb drives, or at least in the defined context.
  • the deflection of the secondary oscillator on the basis of the excitation can thus be detected, this signal appearing on the basis of the reference rotation rate, since it is periodic, as a time-variable detection signal with a frequency which is equal to the reference frequency with which the comb drives 12c are excited.
  • the rotation rate sensor has a mechanical bandwidth with an open loop, which is determined by springs, masses, etc. If closed loop operation is used, i.e. if the secondary oscillation is regulated, the mechanical bandwidth increases at the expense of a reduced amplitude.
  • the reference frequency fre f? with which the reference oscillator is driven lies within the usable bandwidth, so that no reference frequency is used that is so fast that the system, which is e.g. B. is shown in Fig. 3, this frequency can no longer follow.
  • Each rotation rate sensor typically has a specified electrical bandwidth, which is also shown in FIG. 4 and will typically be specified by the signal processing of the detection signal.
  • a rotation rate sensor with a specific one Electrical bandwidth is not “searched” for yaw rates that have a higher frequency than a cut-off frequency f gr , as shown for example in FIG. 4.
  • the reference frequency is preferably chosen to be higher than the maximum frequency f gr , which the present rotation rate sensor is still to be used to search for.
  • the signal processing device is effective in order to achieve the signal separation of the reference component and measurement component in the detection signal by frequency-selective processing of the detection signal, with knowledge of the information that the frequency of the reference signal lies outside the specified (electrical) bandwidth, filtering of the detection signal is carried out.
  • the measurement itself is not directly influenced by the reference signal, as can be seen from FIG. 4, since there is still a certain frequency spacing between the reference signal f ref and the maximum sought measurement signal f gr .
  • the drive torque of the reference signal is significantly greater than the torque due to the rotation rate to be measured additionally minimizes the mutual impairment.
  • a lock-in amplifier which is tuned to the reference frequency f re f, or a simple filtering used.
  • rotation rates of up to 100 ° / s can be achieved in one embodiment.
  • a random sequence in amplitude and frequency can be used for the reference signal to measure the zero point and scale factor.
  • the random sequence will either be known to the signal processing device 16, or it will be supplied by the reference variable application device 12 via the dashed connection shown in FIG. 1 between the block 12 and the block 16 to the signal processing device 16, so that the reference component is from a measurement component , which acts as a disturbance component for this consideration, can be separated.
  • regulation for the reference oscillator is preferred in order not to influence the measurement and to keep the reference rotation rate constant.
  • some parameters are derived, which are used to describe a comb drive which, for. B. can be used as a comb drive 12c to generate the reference variable.
  • the required drive torque M z _ ref _ req results with its rotational stiffness k rz .
  • the resonance frequency of the reference oscillator ⁇ ref results with the mass moment of inertia j z where the rotational stiffness k rz through
  • n spr ⁇ is the number of reference springs
  • E is the modulus of elasticity
  • r rotates the radius from the center to the reference spring
  • l spr i is the length of the reference spring.
  • the exciting torque M z _ ava u is approximately proportional to the number of drive fingers n sp _ C dfing, the drive voltage U cdref0 , the distance between the drive finger structures t cd , the mean distance from the center of rotation to the drive finger r cdf i ng me a nr the height of the Silicon layer h S i and the dielectric constant ⁇ . ⁇ * t. p e. , rh ⁇ si . T VJ c 2 drefQ. 'r cdfmg mean ⁇ ref_z ⁇ n sp_cdfmg l cd
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system such that the method is carried out.
  • the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention when the computer program product runs on a computer.
  • the invention thus represents a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

Ein Beschleunigungssensor umfasst neben einer Probemasse (10) eine Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12), die ausgebildet ist, um auf die Probemasse (10) eine definierte Referenzgröße in Richtung der sensitiven Achse des Beschleunigungssensors auszuüben. Eine Signalverarbeitungseinrichtung (16) ist mit einer Erfassungseinrichtung (14) gekoppelt, um das Erfassungssignal aufgrund der Auslenkung der Probemasse (10) zu verarbeiten, und zwar unter Kenntnis der definierten Referenzgröße, um eine Reaktion der Probemasse (10) auf die definierte Referenzgröße zu ermitteln. Bei einem Drehratensensor als Beschleunigungssensor ist die Frequenz der Referenzdrehrate, die auf den Sensor ausgeübt wird, größer als die maximale Drehratenänderungsfrequenz, für die der Beschleunigungssensor spezifiziert ist.

Description

Beschleunigungssensor und Verfahren zum Erfassen einer Beschleunigung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoren und insbesondere auf Inertialsensoren zum Messen einer Linearbeschleunigung oder einer Drehrate, d.h. einer Winkelge- schwindigkeit aufgrund einer Coriolisbeschleunigung.
Mikromechanische Coriolis-Drehratensensoren, also Coriolis- schwingende Drehratensensoren (engl. Coriolis Vibratory Gy- roscope, CVG) , besitzen vielfältige Anwendungsfelder, von denen beispielsweise die Positionsbestimmung eines Automobils oder eines Flugzeugs zu nennen ist. Allgemein besitzen solche Sensoren eine bewegliche mechanische Struktur, welche zu einer periodischen Schwingung angeregt wird. Diese periodische, durch Anregung erzeugte Schwingung wird auch als primäre Schwingung bezeichnet. Erfährt der Sensor eine Drehung um eine Achse senkrecht zu der Primärschwingung o- der Primärbewegung, so führt die Bewegung der Primärschwingung zu einer Coriolis-Kraft, die proportional zur Messgröße, d. h. der Winkelgeschwindigkeit, ist. Durch die Corio- lis-Kraft wird eine zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung angeregt. Diese zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung wird auch als Sekundärschwingung o- der Sekundärbewegung bezeichnet. Die Sekundärschwingung, die auch als Detektionsschwingung bezeichnet wird, kann durch verschiedene Messverfahren erfasst werden, wobei die erfasste Größe als Maß für die auf den Drehratensensor wirkende Drehrate dient. Um die Primärschwingung zu erzeugen, werden unter anderem thermische, piezoelektrische, elektrostatische und induktive Verfahren verwendet, welche in der Technik bekannt sind. Zu der Erfassung der Sekundärschwin- gung sind piezoelektrische, piezoresistive oder kapazitive Prinzipien Stand der Technik.
Drehratensensoren können auf verschiedenartigste Arten und Weisen ausgeführt werden. Alle Drehratensensoren haben jedoch gemeinsam, dass sie eine Schwingeinrichtung umfassen, die durch eine Primäranregungseinrichtung in die Primärbewegung versetzbar ist und dass sie eine Sekundärerfassungseinrichtung haben, die eine Sekundärbewegung aufgrund einer auf den Drehratensensor wirkenden Drehrate messen kann. Bei nicht-entkoppelten Sensoren führt ein und dieselbe schwingende Masse sowohl die Primärbewegung als auch die Sekundärbewegung aus. Diese Schwingeinrichtung ist dann derart ausgestaltet, dass sie eine Masse umfasst, die sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung bewegbar aufgehängt wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, dass die x-Richtung die Richtung der Primärbewegung oder der Primärschwingung ist, und dass die y-Richtung die Richtung der Sekundärbewegung bzw. der Sekundärschwingung ist, und dass die Drehrate auf die Schwingeinrichtung in z- Richtung wirkt.
Die WO 98/15799 offenbart Drehratensensoren mit entkoppelten Bewegungen der Schwingeinrichtung. Die Schwingeinrich- tung ist in einen Primärschwinger und einen Sekundärschwinger aufgeteilt. Der Primärschwinger führt eine Schwingung in Primärrichtung durch und ist so mit dem Sekundärschwinger gekoppelt, dass die Primärschwingung auf den Sekundärschwinger übertragen wird. Der Primärschwinger ist jedoch derart an einem Substrat aufgehängt, dass er sich lediglich in Primärrichtung bewegen kann, nicht aber in Sekundärrichtung. Damit führt eine auf den Primärschwinger wirkende Co- riolis-Kraft aufgrund einer Drehrate nicht dazu, dass der Primärschwinger in Sekundärrichtung ausgelenkt wird, da dieser Bewegungsfreiheitsgrad aufgrund seiner Aufhängung für den Primärschwinger nicht existiert. Dagegen ist der Sekundärschwinger derart aufgehängt, dass er sich sowohl in Primärrichtung als auch in Sekundärrichtung bewegen kann. Die Sekundärbewegung führt dazu, dass sich der Sekundärschwinger in Sekundärrichtung bewegt, wobei diese Sekundärbewegung durch die Sekundärerfassungseinrichtung erfassbar ist. Vorzugsweise ist die Sekundärerfassungseinrichtung da- bei so ausgebildet, dass sie die Primärbewegung nicht er- fasst, die der Sekundärschwinger ja nur deswegen ausführt, um auf die Coriolis-Kraft „sensitiv" zu sein. Die Verbindung zwischen den Primärschwinger und dem Sekundärschwinger ist ferner, um eine noch bessere Kopplung zu erreichen, derart ausgebildet, dass zwar die Primärschwingung von dem Primärschwinger auf den Sekundärschwinger übertragen wird, dass jedoch die Sekundärschwingung nicht auf den Primärschwinger zurück übertragen wird.
Ein solcher Drehratensensor, wie er aus der WO 98/15799 bekannt ist, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Drehratensensor 500 weist einen Primärschwinger 506 auf, der über eine Primärschwingeraufhängung 504, die aus vier Verankerungen 504a und vier Federbalken 504b besteht, an einem Grundkörper (nicht gezeigt) befestigt ist. Um den Primärschwinger zu erregen, d. h. in Schwingung zu versetzen, umfasst derselbe auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Elektrodengruppe 508, die zu einer feststehenden Elektrodengruppe 510, d. h. zu einer mit dem Grundkörper verbundenen Elekt- rodengruppe 510, angeordnet ist, um einen sogenannten Comb- Drive zu bilden, um den Primärschwinger 506 anzuregen. Die Primärschwingeraufhängung 504 ist derart ausgelegt, um eine Schwingung des Primärschwingers 506 in x-Richtung zuzulas- sen, während eine Bewegung des Primärschwingers 506 in den beiden anderen Richtungen wirksam vermieden wird. Die Federbalken 504 weisen daher einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die schmale Seite des Querschnitts entlang der x-Richtung gewählt ist, während die lange Seite des Querschnitts entlang der z-Richtung verläuft. Auch hier sei angemerkt, dass zusätzlich zur Querschnittsgeometrie der Federbalken die anisotrope Steifigkeit der Primär- und Sekundärschwingeraufhängung auch durch die Anordnung mehrerer Federbalken mit gleichen Querschnittsgeometrien an entsprechenden Plätzen erreicht werden kann.
Ein Sekundärschwinger 514 ist über Sekundärschwingeraufhängungen 512 mit dem Primärschwinger 506 verbunden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Sekundärschwinger 514 weist parallel zur x-Achse angeordnete Sekundärschwingerelektroden- gruppen 550 auf, die in feststehende Sekundärschwingerer- fassungselektrodengruppen 552 kammartig ineinander eingreifend angeordnet sind, um eine kapazitive Erfassung der Be- wegung des Sekundärschwingers 514 in y-Richtung zu ermöglichen.
Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindigkeit Ωy um die Symmetrieachse des Sekundärschwingers 514 oder parallel zu dieser Symmetrieachse, also zu einer Achse parallel zur y-Achse, gedreht, so wirkt auf den Sekundärschwinger 514 eine Coriolis-Kraft, die zu einer im wesentlichen translatorischen Bewegung des Sekundärschwingers in z-Richtung führt. Die translatorische Bewegung des Sekun- därschwingers 514 in der z-Richtung kann durch eine Erfassungselektrode 516, die unter dem Sekundärschwinger 514 angeordnet ist, kapazitiv erfasst werden. Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindigkeit Ωz um eine Achse, die senkrecht durch den Mittelpunkt des Sekundärschwingers 514 verläuft und zu der z-Achse parallel ist oder allgemein zu einer zu der z-Achse paralle- len Achse gedreht, so wirkt auf den Sekundärschwinger eine Coriolis-Kraft, die eine Bewegung desselben in der y- Richtung veranlasst. Diese Bewegung in der y-Richtung des Sekundärschwingers 514 stellt eine translatorische Schwingung dar, da auch der Primärschwinger eine translatorische Schwingung ausführt. Die Erfassung der Bewegung des Sekundärschwingers 514 in der y-Richtung findet auf kapazitivem Wege durch die Sekundärschwingerelektrodengruppe 550 und durch die feststehenden Erfassungselektrodengruppen 552 statt. Die Federbalken 512 umfassen eine im wesentlichen quadratische Querschnittskonfiguration, da sie eine Auslenkung sowohl in der z-Richtung als auch in der y-Richtung zulassen, derart, dass eine zweiachsige Erfassung erfolgen kann. Eine Relativbewegung des Sekundärschwingers 514 und des Primärschwingers 506 wird durch die Anordnung der Fe- derbalken 512 verhindert, welche alle parallel zur x-Achse verlaufen. Wenn der in Fig. 5 gezeigte Drehratensens.or als einachsiger Sensor ausgeführt sein soll mit einer Sekundärbewegung in y-Richtung (primär in x-Richtung) , so sind die Federbalkenquerschnitte rechteckförmig ausgelegt.
Die Primärschwingeraufhängung stellt sicher, dass der Primärschwinger 504 nicht durch die Coriolis-Kraft in y- oder z-Richtung bewegbar ist, da eine Bewegung des Primärschwingers in z-Richtung durch die Querschnittskonfiguration der Federbalken 504b reduziert/minimiert wird, wobei zusätzlich die Anordnung der Federbalken 504b parallel zur y-Achse eine Bewegung in y-Richtung des Primärschwingers verhindert. Ferner besitzen die Verankerungen 504a eine entsprechende Steifigkeit, damit auch sie keine Auslenkung in der y- Richtung erlauben.
Die WO 98/15799 offenbart ferner eine Vielzahl weiterer Drehratensensoren mit unterschiedlichen Arten von Primär- und Sekundärschwingungen, die darauf basieren, dass die Primärschwingung von der Sekundärschwingung entkoppelt ist. Während der in Fig. 5 gezeigte Drehratensensor sowohl in Primärrichtung als auch in Sekundärrichtung eine lineare Schwingung ausführt, sind auch andere Drehratensensoren beschrieben, und zwar solche, die in Primärrichtung eine ro- tatorische Bewegung ausführen und die in Sekundärrichtung ebenfalls eine rotatorische Bewegung ausführen. Alternative Drehratensensoren bestehen auch darin, dass z. B. die Pri- märbewegung rotatorisch ist, die Sekundärbewegung aber linear ist und umgekehrt.
Nachfolgend wird auf die allgemeine Funktionsweise mikromechanischer Drehratensensoren speziell eingegangen. Mikrome- chanische Drehratensensoren, bei denen das Messprinzip auf dem Corioliseffekt beruhen, lassen sich generell mit zwei gekoppelten Feder-Masse-Dämpfer- Systemen beschreiben. Während der erste Oszillator (auch als Primärschwinger oder Anregungsschwinger bezeichnet) eine Inertialmasse mp der Geschwindigkeit vx anregt, erfolgt aufgrund des Coriolisef- fekts eine Coriolis-Kraft, welche orthogonal zu diesem Geschwindigkeitsvektor und der sensitiven Achse der zu messenden Drehrate Ωz verläuft:
Fc = -2 m 'fexv
Diese Coriolis-Kraft Fc wirkt auf den zweiten Oszillator (auch als Sekundärschwinger oder Detektionsschwinger bezeichnet) und bewirkt eine Auslenkung proportional zur Drehrate. Insbesondere zeigt Fig. 6 einen solchen Drehra- tensensor mit einer Probemasse 60, Verankerungen 61a bis 61d und Federn 62a bis 62d.
Aus dem beigefügten Koordinatensystem sind ferner die x- Richtung, die y-Richtung sowie die z-Richtung zu sehen, wobei die sensitive Achse des Sensors lediglich beispielhaft die z-Achse ist, so dass also eine zu erfassende Drehrate, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, eine Rotation um die senkrecht auf der Zeichenebene stehende z-Achse ist.
Allgemein lässt sich für jedes schwingungsfähige System entsprechend dem Kräftegleichgewicht eine inhomogene lineare Differentialgleichung zweiter Ordnung formulieren.
Primärschwingung (x-Richtung) :
x(t) + 2ßp - x(t) + ω .]2- x „(,t) =_ -FD(t) mr
Sekundärschwingung (y-Richtung) + 2A - y(t) + ω) .y(t) = ™ + Ffedba c k(0 mr mr
Dabei sind die Parameter des Modells Masse m, die Dämpfung ß und die Eigenfrequenz ω des Oszillators. Die Indizes p und s kennzeichnen die jeweilig relevanten Parameter der Primär- bzw. Sekundärschwingung. Der Primärschwinger wird mit der elektrostatischen Kraft FD angeregt. Der Sekundärschwinger wird mit der Coriolis-Kraft Fc in einer Richtung orthogonal zur Primäranregung angeregt. Für einen geregelten Betrieb (closed loop) können hierbei zusätzliche Kräfte FFeedback aufgebracht werden.
Fig. 7 zeigt eine Realisierungsform zur Messung von Drehraten basierend auf mikrotechnischen Fertigungsverfahren, wobei wieder, wie es in Fig. 7 angedeutet ist, ein System mit zweiteiliger Probemasse verwendet wird, nämlich mit einem Sekundärschwinger, der in Fig. 7 auch als Inertialmasse bezeichnet wird und das Bezugszeichen 60b hat, und mit einem Primärschwinger, der das Bezugszeichen 60a hat. Sowohl der Primärschwinger 60a als auch der Sekundärschwinger 60b werden bezüglich eines Substrats, das in Fig. 7 nicht gezeichnet ist, mittels Verankerungen 63a bis 63d gehalten. Insbesondere ist zwischen dem Primärschwinger und der einzelnen Verankerung eine Primärfeder bzw. eine Primärfederkonstruk- tion 64 angeordnet, um den Primärschwinger 60a so zu halten, dass er zwar in x-Richtung angeregt werden kann, dass er jedoch in y-Richtung nicht auslenkbar ist.
Die Primärfeder 64 ist somit so ausgestaltet, dass die Pri- märfederkonstruktion eine höhere Steifigkeit in y-Richtung aufweist als in x-Richtung.
Der Sekundärschwinger 60b ist über eine Sekundärfeder 65 mit dem Primärschwinger verbunden. Die Sekundärfeder 65 bzw. eine Sekundärfederkonstruktion ist so ausgebildet, dass der Sekundärschwinger bezüglich des Primärschwingers in y-Richtung auslenkbar ist, und dass die Primärschwingung vom Primärschwinger auf den Sekundärschwinger übertragen wird.
Der Drehratensensor umfasst Antriebselektroden- Kammstrukturen 66a, 66b, 66c und 66d, die mit entsprechenden Wechselsignalen ansteuerbar sind, und zwar phasenrichtig bezüglich der Paare 66d, 66c oder 66a, 66b, um den Pri- märschwinger (und damit den Sekundärschwinger) in eine Anregungsschwingung in x-Richtung zu versetzen. Diese Anregungsschwingung wird auf den Sekundärschwinger übertragen, was dann, wenn eine externe Drehrate um die z-Achse auf die Probemasse 60a, 60b ausgeübt wird, aufgrund der Coriolis- Kraft dazu führt, dass der Sekundärschwinger 60b eine Bewegung in y-Richtung ausführt, die wieder über Detektions- elektroden 67a, 67b erfasst wird. Jede Kammstruktur umfasst eine feststehende Kammstruktur und eine bewegliche Kamm- Struktur, wobei die feststehende Kammstruktur in die bewegliche Kammstruktur ineinander eingreift.
Wie es bekannt ist, kann durch Anlegen eines Signals zwi- sehen den stehenden Elektroden und (den) beweglichen Elektroden eine Anziehung aufgrund der elektrostatischen Kraft ausgeübt werden, die um so größer ist, je höher die angelegte Spannung ist. Dieser Effekt wird für die Antriebselektroden-Kammstrukturen verwendet. Alternativ kann auf- grund der elektrostatischen Kapazität eine Auslenkung der beweglichen Elektroden bezüglich der festen Elektroden gemessen werden. Wird beispielsweise der in Fig. 7 gezeigte Fall betrachtet, so wäre zwischen den festen und den beweglichen Elektroden ein kleiner Abstand, was zu einer hohen Kapazität führt. Wird dagegen der Sekundärschwinger nach oben in y-Richtung etwas ausgelenkt, so nimmt die Kapazität ab, um dann, wenn der Sekundärschwinger einen Richtungswechsel durchführt und sich wieder nach unten, also in negative y-Richtung bewegt, wieder zuzunehmen.
Fig. 7 zeigt somit eine Realisierungsform zur Messung von Drehraten durch den Corioliseffekt basierend auf mikrotechnischen Fertigungsverfahren. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärschwingung erfolgen in der Ebene (bezogen auf das Substrat) . Zum Antrieb der Schwingung mit der Kraft FD werden, wie es ausgeführt worden ist, die Antriebselektroden und zur Detektion der Coriolis-induzierten Bewegung die Detektionselektroden verwendet. Prinzipiell können Primär- und Sekundärschwinger vertauscht werden. Dann würde jedoch auch eine Änderung der Masseverhältnisse des Primärschwingers und des Sekundärschwingers berücksichtigt werden.
Der Preis für mikromechanische Drehratensensoren wird im wesentlichen durch die Kosten für die Fertigung des Silizi- umchips, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie das Testen und Kalibrieren der Sensoren bestimmt. Bei größeren Stückzahlen verteilen sich die Kosten näherungsweise gleichmäßig. Der Siliziumchip sowie die Aufbau- und Verbindungstechnik betragen zusammen zwei Drittel, während das zeitintensive Testen und Kalibrieren der Drehratensensoren bis zu einem Drittel der Gesamtkosten ausmacht. Der Grund für die sehr hohen Kosten des Tests und der Kalibrierungen ist die Tatsache, dass vollständig aufgebaute Drehratensensoren üblicherweise einzeln auf einem Drehtisch auf ihre Funktionalität hin getestet und kalibriert werden müssen. Besonders kostenintensiv sind dabei Messungen über den ge- samten Temperaturbereich, in dem der Drehratensensor arbeiten soll. Insbesondere für automotive Anwendungen ist dieser Temperaturbereich beträchtlich, er wird sich von Minusgraden bis zu hohen Plusgraden erstrecken, um in dem gesamten Temperaturbereich, in dem ein Kraftfahrzeug arbeitet, für eine z. B. Navigation des Fahrzeugs verfügbar zu sein.
Im Kontext mit den stetig steigenden technischen Anforderungen, besonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leistungsparameter, sollen mikromechanische Drehratensensoren Spezifikationen mit sehr hohen Ansprüchen genügen, welche bisher ausschließlich von faseroptischen Gyroskopen erfüllt werden, die einer Preisklasse von mehreren tausend Euro zuzuordnen sind. Beispiele für Anwendungen mit Spezifikationen hoher Ansprüche sind die meisten militärischen Anwen- düngen und Navigationssysteme der Luft- sowie Raumfahrt.
Neben der zeitaufwendigen einzelnen Kalibrierung der Drehratensensoren auf einem Drehtisch, der eine Drehrate für den Drehratensensor erzeugt, und der möglicherweise in ei- nem Labor bereitsteht, ist es auch erforderlich, die Funktionalität des Sensors im Betrieb zu überwachen. Insbesondere bei mikromechanischen Drehratensensoren existieren starke Temperatureinflüsse, und zwar insbesondere dann, wenn die Schwingeinrichtung im Hinblick auf die Primärbewegung in Resonanz betrieben wird, um einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit zu erreichen, was nur dann möglich ist, wenn die Resonanzüberhöhung aufgrund der primärseitigen Re- sonanz ausgenutzt wird. Eine Nachkalibrierung aufgrund der Temperaturvariationen des Sensors im normalen Betrieb fand daher dadurch statt, dass die Temperatur des Sensors gemessen wurde und aufgrund der im Labor aufgenommenen Temperaturspezifikationen eine Nachregelung stattgefunden hat. Al- ternativ und zusätzlich sind auch primärseitige Amplituden- und Phasenregelungen bekannt, dahingehend, dass die Primäramplitude und Primärfrequenz des Primäranregungssignals immer derart geändert werden, dass einerseits der Drehratensensor immer in primärseitiger Resonanz betrieben wird und dass andererseits die Amplitude der Primärschwingung konstant ist oder zumindest einer nachgeschalteten Auswerteelektronik bekannt ist.
Problematisch ist an diesen Maßnahmen, dass sie insbesonde- re im Hinblick auf die im Labor aufgenommenen Temperaturvariationen einen realen Fall lediglich annähern können, da Variationen zweiter Ordnung, wie beispielsweise ein Altern der mechanisch stark beanspruchten Struktur insgesamt nicht berücksichtigt wird. Aus diesem Grund ist es bekannt, Plau- sibilitätsüberprüfungen des Ausgangssignals vorzunehmen, indem die Ausleseelektronik ein Testsignal generiert, das über elektrostatische Kräfte dem Drehratensensor eine der Coriolis-Kraft entsprechende Kraft einprägt, die wiederum ein Ausgangssignal liefert. Das Testausgangssignal wird mit einem ermittelten initialen Ausgangssignal verglichen und bei zu starker Abweichung erfolgt eine Fehlermeldung. Dieser Selbsttest kann auch eine Funktionalität des Sensors durch Anlegen einer definierten Spannung an einem dafür vorgesehenen Pin umfassen.
Im Stand der Technik findet die initiale Kalibrierung daher unter Verwendung eines Drehtisches zum Erzeugen einer realen Drehrate bzw. mehrerer Drehraten statt, wobei im Betrieb eine Nachkalibrierung bislang lediglich auf der Basis von im Labor ermittelten Temperaturvariationen stattfindet. Ferner kann das Ausgangssignal des Sensors hinsichtlich seiner Plausibilität überprüft werden, um im Falle einer zu großen Abweichung eine Fehlfunktion des Sensors zu signalisieren, um den Sensor auszubauen, ins Labor zu bringen und nachzukalibrieren, oder gleich durch einen neuen (frisch kalibrierten) Sensor auszutauschen.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist die Tatsache, dass zum einen, wie es ausgeführt worden ist, die Kalibrierung sehr zeit- und damit kostenintensiv ist, da ein Drehtisch benötigt wird, um den Sensor zu kalibrieren, und da ferner der gesamte Temperaturgang aufgezeichnet werden muss, um eine wenigstens annähernd gute Nachkalibrierung des Sensors im Betrieb zu erhalten.
Weiterhin nachteilig ist die Tatsache, dass dann, wenn die Plausibilitätsüberprüfung anzeigt, dass der Sensor nicht mehr plausible Ausgangssignale liefert, ein kompletter Ausbau des Sensors verbunden mit einer Nachkalibrierung bzw. einem vollständigen Ersatz nötig sein kann, was insbesondere bei automotiven Anwendungen oder auch bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wenig tolerierbar bzw. nicht möglich ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres und fehlertoleranteres Konzept für einen Beschleunigungssensor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Erfassen einer Beschleunigung gemäß Patentanspruch 23 oder ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 24 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl eine Kalibrierung als auch eine In-Betrieb- Funktionsüberwachung eines Beschleunigungssensors dadurch möglich werden, dass ein Beschleunigungssensor herkömmlicher Art mit einer ReferenzgrößenbeaufSchlagungseinrichtung versehen wird, die ausgebildet ist, um auf eine Probemasse eine definierte Referenzgröße in Richtung der sensitiven Achse des Sensors auszuüben. Ferner wird erfindungsgemäß eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen, um ein Ausgangssignal einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung der Probemasse zu verarbeiten, um unter Verwendung von Informationen über die definierte Referenzgröße eine Reaktion der Probemasse auf die definierte Referenzgröße zu ermitteln.
Für die Probemasse wird erfindungsgemäß somit keine Simulation oder etwas ähnliches vorgenommen, sondern die Probemasse wird durch die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrich- tung tatsächlich einer echten oder „unechten" Coriolis- Beschleunigung ausgesetzt, die jedoch im Gegensatz zu der zu messenden Beschleunigung eine definierte Referenzgröße ist, also im Hinblick auf irgendeine Kenngröße bekannt ist, da sie künstlich durch die Referenzgrößenbeaufschlagungs- einrichtung erzeugt worden ist.
Erfindungsgemäß kann daher die „Übertragungsfunktion" des Sensors für die Referenzgröße ermittelt werden, da die Reaktion des Sensors auf die erzeugte Referenzgröße erfasst wird, so dass für eine bestimmte definierte Referenzgröße eine Reaktion des Sensors, also ein Erfassungssignal vorliegt.
Diese definierten Verhältnisse können beispielsweise dazu verwendet werden, um eine gesamte Sensorkennlinie aufzunehmen und zu Kalibrierzwecken abzuspeichern, um damit tatsächliche Messsignale vor ihrer Ausgabe zu beaufschlagen, um ein kalibriertes Ergebnis zu erhalten.
Alternativ kann die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrich- tung auch gewissermaßen im Offline-Betrieb dazu verwendet werden, um unter Verwendung einer Einprägung von zwei unterschiedlichen Referenzgrößen vorzugsweise zu zwei verschiedenen Zeitpunkten eine initiale Kalibrierung des Sen- sors durchzuführen, um sowohl Offset, also die Nullpunktverschiebung, als auch den Skalenfaktor entsprechend zu bestimmen, um eine korrigierte lineare Ausgangskennlinie des Sensors zu erreichen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der erfindungsgemäße Sensor allgemein zur Erfassung von Beschleunigungen, also z. B. translatorischen, rotatorischen Beschleunigungen oder aber auch Coriolisbeschleunigungen dient
Das erfindungsgemäße Konzept ist jedoch besonders dann vorteilhaft, wenn die Referenzgrößenerzeugungseinrichtung verwendet wird, um im tatsächlichen Messbetrieb zu arbeiten, bei dem nicht gesagt werden kann, ob am Sensor gerade eine Beschleunigung anliegt oder nicht.
Erfindungsgemäß können jedoch aufgrund der Kenntnis über die definierte Referenzgröße der Messanteil einerseits und der Referenzanteil andererseits aus dem Erfassungssignal extrahiert werden, so dass die Referenzmessung zur normalen Messung gewissermaßen immer „im Hintergrund mitläuft". Wenn eine bestimmte definierte Referenzgröße eingeprägt wird, kann somit immer überwacht werden, ob sich der Sensor an- sprechend auf diese Referenzgröße erwartungsgemäß verhält oder nicht.
Verhält er sich nicht erwartungsgemäß, so kann ohne weite- res darauf geschlossen werden, dass die Ausgangssignale des Sensors mit Vorsicht zu genießen sind. Damit wird also ein Funktions- und Plausibilitätstest zur Kontrolle von Messdaten erreicht.
Des weiteren kann der Referenzanteil jedoch nicht nur dazu verwendet werden, um den Messanteil zu beurteilen, also hinsichtlich seiner Plausibilität zu charakterisieren, sondern auch zur Kalibrierung des Sensorelements, beispielsweise des Nullpunkts und des Skalenfaktors, um Signaldrif- ten durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise die Temperatur, Alterung etc. zu reduzieren.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist somit insofern besonders fehlertolerant, da er es zum einen ermög- licht, Fehler, also Fehlfunktionen des Sensors typischerweise sowohl auf mechanischer Seite als auch auf elektronischer Seite zu erkennen und ggf. zu korrigieren.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird daher gleichzeitig zum Messsignal auch ein Korrektursignal ermittelt, das gewissermaßen eine Kontrollfunktion für das Messsignal ausüben kann.
Das erfindungsgemäße Konzept ist ferner dahin gehend effi- zient, dass der Sensor im Betrieb nachkorrigiert werden kann, derart, dass die Standzeiten des Sensors, also die Zeit des Sensors, die er in der Messumgebung bleiben kann, deutlich erhöht wird im Vergleich zu einem Sensor, der nach einer bestimmten Zeit ins Labor geholt werden muss, um neu kalibriert zu werden, um dann wieder eingesetzt zu werden.
Darüber hinaus erlaubt der erfindungsgemäße Sensor einen Einsatz dort, wo kein Zurückholen ins Labor mehr möglich ist, wie beispielsweise für Weltraumanwendungen etc. Bei solchen Anwendungen war es bisher äußerst problematisch, z. B. mikromechanisch gefertigte Drehratensensoren einzusetzen, da diese Temperatureffekte, Alterungserscheinungen etc. haben. Sofern der Einsatz überhaupt möglich war, war er nur für außerordentlich aufwendig hergestellte Sensoren möglich.
Erfindungsgemäß wird hier nunmehr jedoch ein alternativer Weg eingeschlagen. Vom Sensor durchgeführte Driften aufgrund Alterung, Temperaturvariationen etc. werden dem Sensor gewissermaßen „zugestanden". Allerdings wird nunmehr jedoch, um dennoch ein genaues Messsignal zu erhalten, die Probemasse einer definierten Referenzgröße ausgesetzt, um auf der Basis der Reaktion des Sensors auf die definierte Beschleunigung das driftbehaftete Ausgangssignal, das die eigentliche Messgröße darstellt, zu korrigieren.
Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Konzept auf Drehratensensoren angewendet wird, existieren weitere spezielle Vorteile. Zur initialen Kalibrierung des erfindungsgemäßen Drehratensensors wird nunmehr kein Drehtisch mehr benötigt. Stattdessen muss lediglich genau beispielsweise die Frequenz des Anregungssignals eingestellt werden, die auf die Probemasse die definierte Drehrate ausübt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der möglichen In-Betrieb- Nachkalibrierung keine kompletten Temperaturgänge mehr vor- ab im Labor aufgezeichnet werden müssen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Sensor im Betrieb nachkalibrierbar ist, so dass Alterungssituationen individuell Rechnung getragen werden kann, was dazu führt, dass ein Sensor erst dann ausgetauscht werden muss, wenn er mechanisch zerstört ist, nicht jedoch, wenn er lediglich die Kalibrierung verloren hat. Erfindungsgemäß wird daher einerseits der Aufwand für die Endtests von aufgebauten Drehratensensoren durch die eigenständige Erst- bzw. initiale Kalibrierung ohne Einsatz ei- nes Drehtisches reduziert. Andererseits wird durch die Realisierung einer vorzugsweise permanenten eigenständigen Kontrolle während des Sensorbetriebs und durch eine eigenständige Rekalibrierung ebenfalls während des Sensorbetriebs die Performance der Drehratensensoren, insbesondere die Drift der Sensorparameter Skalenfaktor und Nullpunkt verbessert .
Bei den Gesamtkosten der Drehratensensoren werden erfindungsgemäß die vergleichsweise hohen Kosten für das zeitin- tensive Testen sowie Kalibrieren reduziert. Insbesondere das kostenintensive Testen der Sensoren über den gesamten Temperaturbereich wird in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Kalibrierung hinfällig, die auf der tatsächlichen Realisierung der genau quantifizierten Referenzdrehrate auf- baut. Ferner wird den stetig steigenden Anforderungen besonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leistungsparameter durch die Minimierung der größten Fehler bezüglich der Sensorstabilität bzw. Sensorgenauigkeit, welche durch das Driften des Skalenfaktors und des Nullpunkts entstehen, Rechnung getragen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen mikro- mechanischen Drehratensensors;
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors als Drehratensensor; Fig. 4 ein Frequenzdiagramm zur Darstellung des für den Sensor spezifizierten Frequenzbands und der Frequenz der definierten Referenzgröße;
Fig. 5 ein bekannter Drehratensensor mit einem Primärschwinger und einem Sekundärschwinger, die voneinander orthogonal entkoppelt sind;
Fig. 6 eine Prinzipsskizze für einen mikromechanischen Drehratensensor mit zwei orthogonal zueinander angeordneten Feder-Masse-Dämpfer-Systemen; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines alternativen Drehratensensors mit orthogonal entkoppelten Schwingcharakteristika .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors. Der Sensor umfasst ei- ne Probemasse 10, die normalerweise an einem Träger (in Fig. 1 nicht gezeigt) angebracht ist, und die ferner ausgebildet ist, um von einer bezüglich einer sensitiven Achse, welche im Hinblick auf die nachfolgend noch dargestellten Drehratensensoren ohne Einschränkung der Allgemeinheit die z-Achse ist, gerichtete Messbeschleunigung 11 bezüglich einer Ruheposition, bei der keine Messbeschleunigung anliegt, ausgelenkt zu werden. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor umfasst ferner eine Referenzgrößenbeaufschlagungs- einrichtung 12, die ausgebildet ist, um auf die Probemasse 10 eine definierte Referenzgröße 13 ebenfalls in Richtung der sensitiven Achse auszuüben. Dies bedeutet, dass die definierte Referenzgröße 13 und die prinzipiell zu erfassende Messbeschleunigung 11 bezüglich der selben sensitiven Achse gerichtet sind bzw., dass der Sensor Richtungskomponenten dieser beiden Beschleunigungen, die parallel zur sensitiven Achse sind, misst. Zur Unterscheidung der definierten Referenzgröße von der Messgröße ist die Referenzgröße eine definierte Referenzgröße, wobei dieses Wissen über die Refe- renzgröße später verwendet wird, wie es noch dargelegt wird.
Im Einzelnen umfasst der erfindungsgemäße Beschleunigungs- sensor eine Erfassungseinrichtung 14 zum Erfassen einer Auslenkung der Probemasse 10 aufgrund einer Beschleunigung, die in Richtung der sensitiven Achse gerichtet ist, und zum Liefern eines Erfassungssignals 15, das dann, wenn der Sensor im normalen Betrieb ist, typischerweise einen Referenz- anteil und einen Messanteil umfasst.
Das Erfassungssignal 15 wird einer Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, die ferner Informationen 17 über die definierte Referenzgröße (also eine Beschleunigung oder Drehrate) erhält, um unter Verwendung dieser Informationen über die definierte Referenzgröße das Erfassungssignal 15 zu verarbeiten, um eine Reaktion der Probemasse auf die definierte Referenzgröße, also gewissermaßen den Referenzanteil 19a und ggf. den Messanteil 19b aus dem Erfassungssig- nal zu erhalten. Je nach Implementierung wird der Referenzanteil 19a für verschiedene Dinge verwendet, beispielsweise auch zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors, wobei in diesem Fall sowohl der Messanteil 19b als auch der Referenzanteil 19a einer Kalibriereinrichtung 18 zugeführt wer- den, um damit den Messanteil 19b zu kalibrieren, um schließlich ein kalibriertes Ausgangssignal an einem Ausgang 20 zu erhalten.
Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl die Messbeschleuni- gung als auch die Referenzgröße beide auf die selbe Probemasse wirken, was dazu führt, dass dann, wenn die Messbeschleunigung gerade gleich Null ist, die Probemasse dennoch ausgelenkt wird, nämlich aufgrund der definierten Referenzgröße. Ist dagegen die zu messende Messbeschleunigung 11 nicht gleich Null, so ist die Auslenkung der Probemasse 10 eine Überlagerung einer Messauslenkung aufgrund der Messbeschleunigung 11 und einer Referenzauslenkung aufgrund der definierten Referenzgröße 13. Die Erfassungseinrichtung, die nichts von all dem weiß, sondern einfach die Auslenkung der Probemasse 10 erfasst, liefert somit ein Erfassungssignal 15, das sowohl die Informationen über die Messbeschleunigung als auch Informationen über die definierte Referenz- große umfasst.
Da die Referenzgröße synthetisch erzeugt worden ist, ist sie im Hinblick auf eine oder mehrere Kenngrößen, wie beispielsweise Frequenz, Amplitude, Zeit oder Fre- quenz/Amplitude-Zeit-Verlauf, bekannt. Diese bestimmte Kenngröße wird sich in irgendeiner Weise als Signalkomponente im Erfassungssignal äußern, so dass durch Signalverarbeitung unter Verwendung von Informationen über die definierte Referenzgröße der Referenzanteil aus dem Referenzer- fassungssignal wieder extrahiert werden kann, um somit unter Verwendung ein und derselben Probemasse eine Reaktion dieser Probemasse auf die Referenzgröße einerseits und die Messbeschleunigung andererseits zu ermitteln.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor ein Drehratensensor zum Messen einer Corio- lisbeschleunigung und umfasst ferner eine Anregungseinrichtung, um die Probemasse in eine zur Detektionsauslenkung orthogonalen Anregungsschwingung zu versetzen. In diesem Fall ist die ReferenzgrößenbeaufSchlagungseinrichtung ausgebildet, um eine Drehrate auf die Probemasse auszuüben, die in Richtung der sensitiven Achse des Sensors gerichtet ist. Ist die Anregungsschwingung somit in x-Richtung des Sensors gerichtet, und ist die Detektionsschwingung in y- Richtung des Sensors gerichtet, so ist die ReferenzgrößenbeaufSchlagungseinrichtung ausgebildet, um die Probemasse in eine Rotation um die z-Achse zu versetzen. Ist die Probemasse derart ausgebildet, dass sie eine Primärmasse und eine durch eine Sekundäraufhängung getrennte Sekundärmasse umfasst, so wird es prinzipiell genügen, die Sekundärmasse der definierten Referenzgröße auszusetzen. Dies wird jedoch für spezielle mikromechanische Drehratensensoren aus Gründen der Einfachheit nicht durchgeführt. Stattdessen wird der gesamte Sensor, also auch der Primärschwinger, der definierten Referenzdrehrate ausgesetzt, was insofern nicht weiter störend ist.
Das erfindungsgemäße Konzept besteht somit in der Aufbringung einer inertialen Größe, nämlich der Referenzdrehrate, die im Gegensatz zur Messgröße bekannt ist. Erfindungsgemäß wird die mikromechanische Struktur dabei mit dieser Referenzdrehrate in der Chip-Ebene, entsprechend der sensitiven Messachse z bzw. Ωz, angeregt. Der Drehratensensor 20 wird im Normalbetrieb betrieben. Diese Referenzgröße erzeugt nun eine zusätzliche Coriolis-Kraft, welche durch die Detek- tionseinheit gemessen und für Kalibriermaßnahmen herangezogen wird. Insofern zeigt Fig. 2 eine Prinzipskizze eines mikromechanischen Drehratensensors bestehend aus zwei orthogonal zueinander angeordneten Feder-Masse-Dämpfer- Systemen, welche durch die Coriolis-Kraft miteinander gekoppelt sind. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz zu dem bekannten in Fig. 6 darge- stellten Drehratensensor auf mechanischer Seite die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung in Form eines Referenzschwingers 12a, von Referenzschwingungsfedern 12b und einer in Fig. 2 nicht gezeigten Anregungseinheit zum Anregen des Referenzschwingers 12a in eine Drehung um die z- Achse ausgebildet.
Die Probemasse 60 merkt nicht, ob sie aufgrund der Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung 12 oder aufgrund der externen Messdrehrate um die z-Achse gedreht wird. Das sel- be gilt für die Coriolis-Kraft. Auch hier ist es gewissermaßen egal, ob sie aufgrund einer künstlich angeregten Drehrate oder einer tatsächlich zu messenden Drehrate wirkt .
Die Prinzipskizze von Fig. 2 zeigt dabei einen Basis- Drehratensensor mit der zusätzlichen Vorrichtung zur quasirotierenden Anregung um die Hochachse (z-Achse) . Ausgehend von der vorstehenden Gleichung mit der Frequenz der zu mes- senden Drehrate ergibt sich nun ein zusätzlicher Term FCref mit der Frequenz Ωref des Referenzoszillators -.
Figure imgf000024_0001
Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Struktur für referenzbildende Drehratensensoren. Im Vergleich zu dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier die Referenzbeschleunigungseinrichtung in Form der Referenzschwingungsfedern 12b, des Referenzschwingers 12a und der Referenzantriebseinrichtung 12c ausgebildet.
Der Referenzantrieb umfasst vier Kammantriebsstrukturen, die aus ineinandergreifenden Elektrodengruppen bestehen, wobei eine Elektrodengruppe feststehend ist, die in Fig. 3 mit 120 bezeichnet ist, während die andere Elektrodengruppe 121 beweglich ist, und mit dem Referenzschwinger 12a verbunden ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Die Anordnung der vier Referenzantriebseinrichtungen 12c stellt sicher, dass die gesamte Struktur in Fig. 3, also insbesondere der Referenzschwinger 12a, der Sekundärschwinger 60b und der Primärschwinger 60a in eine oszillatorische Drehbewegung versetzt werden, die prinzipiell genauso wirkt wie eine um die z-Achse gerichtete Drehrate.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Primärfedern -64, die den Primärschwinger 60a mit dem Referenzschwinger 12a verbinden, so angeordnet sind, dass der Primärschwinger 60a bezüglich des Referenzschwingers 12a eine Primärschwingung, also eine Schwingung in x-Richtung ausführen kann, dass derselbe jedoch keine y-Schwingung (aufgrund der Coriolis- Kraft) ausführen kann. Des weiteren wird es bevorzugt, dass die Federn 12b zum Aufhängen des Referenzschwingers 12a so ausgebildet bzw. angeordnet sind, dass der Referenzschwinger und damit alle anderen Schwinger, also auch der Primärschwinger und der Sekundärschwinger eine Drehbewegung ausführen kann, für alle anderen Bewegungen jedoch vorzugsweise möglichst starr ist .
Es sei darauf hingewiesen, dass die feststehenden Detekti- onselektroden der Gruppe 67a und die feststehenden Antriebselektroden der Elektrodengruppe 66a bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel feststehend angeordnet sind. Durch die Anregung unter Verwendung der Referenzantriebseinrichtungen 12c wird jedoch, wie es ausgeführt wor- den ist, die gesamte Struktur, außer den feststehenden E- lektroden der Gruppen 66a und 67a gedreht, so dass auch die beweglichen Elektroden der Gruppen 66a und 67a gewissermaßen verdreht werden. Bei der Dimensionierung der Kammantriebe wird es daher bevorzugt, darauf zu achten, dass ge- nügend Bewegungsfreiheit der beweglichen Elektrodenschwinger zwischen den feststehenden Elektrodenfingern existiert.
Alternativ kann der in Fig. 3 gezeigte Drehratensensor gewissermaßen zweistufig aufgebaut werden, so dass auch die festen Elektrodenstrukturen der Elektrodengruppen 66a, 67a ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt werden, und zwar durch das Antriebsmoment, das durch die Referenzantriebseinrichtungen 12c ausgeübt wird.
Aus Kostengründen wird es jedoch bevorzugt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, die Festelektroden nicht beweglich auszuführen, so dass der Aufwand für die Führung insgesamt verringert wird.
Wie es bereits ausgeführt worden ist, dienen die äußeren Kammstrukturen 12c zum Aufbringen der Referenzgröße mit Frequenzen typischerweise außerhalb einer spezifizierten Bandbreite für Inbetriebkalibrierungen. Wie es nachfolgend noch ausgeführt wird, kann der Einfluss der Anregung der Referenzgröße zur Messgröße durch geeignete Parameter minimiert werden.
Erfindungsgemäß wird, wie es ausgeführt worden ist, eine inertiale Referenzgröße auf Chipebene aufgebracht, um die Sensoreigenschaften zu optimieren bzw. um Störgrößen zu kompensieren.
Die Primär- (Coriolisanregung) und die Sekundärschwingung
(Coriolisdetektion) werden entsprechend ihrer sensitiven
Achse (Messachse) quasi-oszillierend mit einer definierten
Drehratenamplitude und einer definierten Drehratenfrequenz angeregt. Hierzu ist der dritte (quasi-rotierende) Refe- renzoszillator vorgesehen, an dem die beiden Oszillatoren des Drehratensensors, also der Primärschwinger und der Sekundärschwinger, gekoppelt sind.
Vorzugsweise erfolgt die Realisierung des Referenzoszilla- tors, des Anregungsoszillators (Primäroszillator) und des Detektionsoszillators (Sekundäroszillator) auf dem selben Substrat.
Das erfindungsgemäße Konzept dient insbesondere der Redu- zierung von Signaldriften, wie z. B. dem Nullpunkt und dem Skalenfaktor, wobei die Signaldriften normalerweise durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise eine Temperatur oder eine möglicherweise vorhandene Querbeschleunigungen, z.B. lineare Beschleunigungen bei Drehratensensoren, auftreten.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Konzept ein Funkti- ons- und Plausibilitätstest zur Kontrolle der Messdaten durchgeführt werden, wobei dieser Funktions- bzw. Plausibilitätstest parallel zur eigentlichen Messung, also zeit- gleich zur eigentlichen Messung stattfindet und somit durch die gleichen Störungen beeinträchtigt wird, die auch für die Messdaten problematisch sind. Erfindungsgemäß kann ferner unter Verwendung der Referenzmessung aufgrund der definierten Referenzgröße eine Kalibrierung des Sensorelements vorgenommen werden, und zwar vor allem des Nullpunkts und des Skalenfaktors, wobei diese Ka- librierung nicht nur als initiale Kalibrierung, sondern auch während des Betriebs ohne Beeinflussung der Messgröße vorgenommen werden kann.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Konzept auch dazu verwendet werden, eine initiale Kalibrierung ohne Drehtisch vorzunehmen.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 3 auf die initiale Kalibrierung von Drehratensensoren unter Verwendung einge- prägter Drehraten eingegangen. Es sei bereits jetzt darauf hingewiesen, dass die initiale Kalibrierung erfindungsgemäß kostengünstiger durchgeführt werden kann, da kein Drehtisch mehr benötigt wird. Selbst wenn ein Drehtisch in einem Labor bereits vorhanden ist, wird erfindungsgemäß die Kalib- rierung dennoch vereinfacht, da das Plazieren der Drehratensensoren auf dem Drehtisch und das Messen der Drehratensensoren auf dem Drehtisch nicht mehr durchgeführt werden muss .
Zur Kalibrierung der Drehratensensoren werden typischerweise zwei Größen bestimmt, nämlich der Proportionalitätsfaktor zwischen der zu messenden Drehrate Ω und dem Ausgangssignal V, welcher auch als Skalenfaktor SF (der Skalenfaktor wandelt die Drehrate in eine spannungsäquivalente Größe um) bezeichnet wird, und der sogenannten Nullpunkt NP0, der bei bestimmten Ausführungsformen auf einen spezifizierten Wert angepasst werden soll. Der Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal V, dem Skalenfaktor SF0 und dem Nullpunkt NP0 ist folgendermaßen gegeben: V = SFn - Ω + NPn
Der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung V bzw. allgemein dem Ausgangssignal V und der anliegenden Drehrate Ω bzw. der eingeprägten oder „simulierten" Drehrate Ω ist inhärent aufgrund der vorstehend dargelegten Definitionsgleichung für die Coriolis-Kraft linear. Ein Nullpunkt NP0, also ein Ausgangssignal des Sensors, wenn keine Drehrate anliegt, wird für bestimmte Anwendungen be- nötigt. So sei beispielsweise der Fall betrachtet, bei dem das Ausgangssignal V aus äußeren Gegebenheiten heraus Werte zwischen 0 V und 5 V annehmen soll. Ferner wird es für diesen Fall beispielsweise gewünscht, dass der Drehratensensor Drehraten messen soll, die Werte zwischen -Ωmax und +Ωmax annehmen soll. In einem solchen Fall würde eine Drehrate von 0, also Ω = 0, einem Wert des Ausgangssignals V von 2,5 V entsprechen. Diese Nullpunktverschiebung wird künstlich erzeugt, so dass, wie ausgeführt abhängig von äußeren Gegebenheiten, ein das Ausgangssignal V empfangender Sig- nalverarbeitungsblock weiß, dass eine Ausgangsspannung von 0 V dem Wert -Ωmax entspricht, das ein Ausgangssignal von 2,5 V einer Drehrate von 0 entspricht, und dass ein Ausgangssignal von +5 V einer Drehrate von +Ωmax entspricht. Würde die Nullpunktverschiebung nicht vorgenommen werden, so würde das Ausgangssignal zwischen -2,5 und +2,5 V liegen. Wird für einen nachfolgenden Signalverarbeitungsblock, der das Ausgangssignal zwischen -2,5 V und +2,5 V verarbeitet, dieses Signal als geeignet betrachtet, so muss keine Nullpunktverschiebung durchgeführt werden. Eine Nullpunkt- Verschiebung wird lediglich dann benötigt, wenn der nachgeschaltete Signalverarbeitungsblock beispielsweise mit nega- tiven Spannungen nicht arbeiten kann oder aus bestimmten Gründen nicht arbeiten soll.
Bevor auf die vorliegende Erfindung eingegangen wird, sei zunächst eine initiale Kalibrierung mit Drehtisch beschrieben. Zur Kalibrierung des Skalenfaktors SF0 unter Verwendung eines kalibrierten Drehtisches wird der Drehratensensor bei mindestens zwei unterschiedlichen Drehraten Ωi und Ω2 betrieben, wobei üblicherweise die den Messbereich defi- nierenden Drehraten verwendet werden. Mit den zugehörigen, resultierenden Ausgangssignalen Vi und V2 ergibt sich der nicht-angepasste Skalenfaktor SFo* aus folgender Gleichung:
Figure imgf000029_0001
Der Abgleich des ermittelten Skalenfaktors SFo* a f den spezifizierten Wert SF0 erfolgt durch Multiplikation (bzw. Division) der Ausgangssignale mit einem geeigneten Multiplikator, der natürlich auch kleiner als 0 sein kann und somit als Divisor wirkt, welcher aus dem Verhältnis von Soll-Skalenfaktor SF0 zu Ist-Skalenfaktor SF0 * ermittelt wird. Es ergibt sich folgende Gleichung
er _ SF ' * \ ^SF ' *2 0 Ω,-Ω2
die nach Auflösung nach dem Skalenfaktor den Multiplikator kS liefert. Die Berechnung von SF sowie die Multiplikation der Ausgangssignale mit kSF erfolgt im digitalen Signalprozessor, auf den später noch Bezug nehmend auf Fig. 8 einge- gangen wird. Aufgrund der Differenzbildung zweier Signale gemäß dem vorstehenden Prozedere ist die Kenntnis des Null- punkts zur Kalibrierung des Skalenfaktors nicht notwendig, wobei eine vernachlässigbare Drift zwischen den Messungen vorausgesetzt wird.
Die Kalibrierung des Nullpunkts NP0 erfolgt durch Messung des Ausgangssignals V0 ohne Anwesenheit einer Drehrate. Es resultiert der nicht-angepasste Nullpunkt NP0 *, der folgendermaßen definiert ist:
NP0 = V(Ω = 0) = V0
Der Abgleich des ermittelten Nullpunkts NP0 * auf den spezifizierten Wert NP0 erfolgt durch Addition (bzw. Subtraktion) des Ausgangssignals V0 mit einer geeigneten Konstanten kNP, die aus der Differenz von Soll-Nullpunkt NP0 * und Ist- Nullpunkt NP0 ermittelt wird. Es ergibt sich der angepasste Nullpunkt NP0 aus folgender Gleichung:
JyP0 — v0 + kNP
Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich unmittelbar die Nullpunktkonstante kNP, indem die vorstehende Gleichung nach kNP aufgelöst wird. Die Berechnung von kNP sowie die Addition des Ausgangssignals mit kNP erfolgt ebenso wie die Skalenfaktorkalibrierung im digitalen Signalprozessor, wie er beispielhaft in Fig. 8 dargestellt ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Kalibrierung des Nullpunkts ohne Anwesenheit einer Drehrate durchgeführt wird, ist die Kenntnis einer definierten Drehrate bei der initialen Kalibrierung des Nullpunkts nicht erforderlich.
Für die vorstehend beschriebene initiale Kalibrierung unter Verwendung eines Drehtisches zur Erzeugung der Drehraten Ωi und Ω2 wird, wie es ausgeführt worden ist, ein Drehtisch benötigt. Die initiale Kalibrierung muss daher bei Laborbedingungen, und zwar im wesentlichen bei definierten und vorzugsweise konstanten Umgebungsbedingungen stattfinden.
Erfindungsgemäß wird für die initiale Kalibrierung somit kein Drehtisch mehr benötigt. Stattdessen können aufgrund der einfachen im Hinblick auf die Frequenz berechenbaren Übertragungscharakteristik der Comb-Drives eine erste und eine zweite Kalibrierdrehrate ausgeübt werden, wobei die Kalibrierdrehraten in engem Verhältnis zu der Frequenz des elektrischen Signals sind, das in die Comb-Drives angelegt ist.
Zur initialen Kalibrierung wird somit das Referenzsignal bei der Referenzfrequenz gemessen, die mit der Frequenz des elektrischen Signals, das an die Referenz-Comb-Drives angelegt ist, identisch oder zumindest im definierten Zusammenhang ist.
Damit kann die Auslenkung des Sekundärschwingers aufgrund der Anregung erfasst werden, wobei dieses Signal aufgrund der Referenzdrehrate, da sie periodisch ist, als zeitlich variables Detektionssignal mit einer Frequenz erscheint, die gleich der Referenzfrequenz ist, mit der die Comb- Drives 12c angeregt werden.
Diese Verhältnisse werden nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 4 detaillierter dargestellt.
Bevor detailliert auf Fig. 4 eingegangen wird, sei zunächst noch einmal auf das grundsätzliche Prinzip des erfindungsgemäßen Drehratensensors eingegangen. Wird der Drehratensensor einer konstanten Winkelgeschwindigkeit unterzogen, wird er also mit konstanter Geschwindigkeit gedreht, so ist das Ausgangssignal aufgrund dieser konstanten Drehung ein Gleichsignal mit einer bestimmten Amplitude A bei der Fre- quenz f=0. Ist diese Drehrate variabel, d.h. wird sie manchmal etwas schneller oder langsamer, so führt dies dazu, dass das Erfassungssignal eine -zeitvariable Komponente erhält, die sich im Frequenzbereich in einem gewissen Fre- quenzband äußert. Ist die äußere Drehrate eine oszillierende Drehrate mit einer bestimmten Frequenz fi, so ist das Erfassungssignal ein harmonisches Signal mit der Frequenz fi. Entsprechend ist das Erfassungssignal dann ein harmonisches Signal mit der Frequenz frefr wenn der Referenzoszil- lator mit einer Frequenz fref angeregt wird.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Fig. 4 drei Referenzsignale bei drei verschiedenen Referenzfrequenzen fref gezeigt, wobei prinzipiell zwei unterschiedliche Werte für eine initiale Kalibrierung ausreichen würden, wobei jedoch auch insbesondere für eine genauere und besser berechenbare Kalibrierung während des Betriebs auch drei verschiedene Referenzfrequenzen eingesetzt werden können.
Der Drehratensensor hat eine mechanische Bandbreite bei offener Schleife, die durch Federn, Massen etc. festgelegt wird. Wird der Betrieb in geschlossener Schleife verwendet, wenn also die Sekundärschwingung geregelt wird, erhöht sich die mechanische Bandbreite auf Kosten einer reduzierten Amplitude hin.
Wesentlich ist, dass die Referenzfrequenz fref? mit der der Referenzoszillator angetrieben wird, innerhalb der nutzbaren Bandbreite liegt, damit keine Referenzfrequenz einge- setzt wird, die so schnell ist, dass das System, das z. B. in Fig. 3 gezeigt ist, dieser Frequenz nicht mehr folgen kann.
Typischerweise hat jeder Drehratensensor eine spezifizierte elektrische Bandbreite, die in Fig. 4 ebenfalls eingezeichnet ist und durch die Signalverarbeitung des Erfassungssignals typischerweise spezifiziert sein wird. Anders ausgedrückt wird mit einem Drehratensensor mit einer bestimmten elektrischen Bandbreite, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, nicht nach Drehraten „gesucht", die eine höhere Frequenz haben als eine Grenzfrequenz fgr, wie sie beispielsweise in Fig. 4 eingezeichnet ist.
Vorzugsweise wird die Referenzfrequenz höher als die maximale Frequenz fgr gewählt, nach der mit dem vorliegenden Drehratensensor überhaupt noch gesucht werden soll.
Die Signalverarbeitungseinrichtung ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wirksam, um die Signaltrennung von Referenzanteil und Messanteil im Erfassungssignal durch eine frequenzselektive Verarbeitung des Erfassungssignals zu erreichen, wobei unter Kenntnis der Information, dass die Frequenz des Referenzsignals außerhalb der spezifizierten (elektrischen) Bandbreite liegt, eine Filterung des Erfassungssignals durchgeführt wird.
Des weiteren wird durch das Referenzsignal die Messung selbst nicht direkt beeinflusst, wie es aus Fig. 4 zu sehen ist, da zwischen dem Referenzsignal fref und dem maximal gesuchten Messsignal fgr noch ein gewisser Frequenzabstand existiert .
Des weiteren wird durch die Tatsache, dass bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Antriebsmoment des Referenzsignals wesentlich größer ist als das Drehmoment durch die zu messende Drehrate die gegenseitige Beeinträchtigung zusätzlich minimiert.
Zur Signalrückgewinnung der Referenzgröße, also des Referenzanteils im Messsignal wird z. B. ein Lock-In- Verstärker, der auf die Referenzfrequenz fref abgestimmt ist, oder eine einfache Filterung eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Konzept ist dahin gehend vorteilhaft, dass durch die Reduzierung von Signaldriften und die Kalibrierung des Sensorelements kostengünstigere Signalverarbei- tungskonzepte mit größeren Driften in Kauf genommen werden können, da Signaldriften nachträglich korrigiert werden können, und da die Signalstabilität durch eine Kalibrierungsmöglichkeit im Betrieb erheblich verbessert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept sind bei einem Ausführungsbeispiel Drehraten bis 100°/s erzielbar.
Ferner wird es bevorzugt, die Frequenz des Referenzoszilla- tors größer als die Frequenz der zu messenden Drehrate (nach Spezifikation) , allerdings sehr viel kleiner als die Resonanzfrequenz des Referenzoszillators zu wählen. Falls externe Drehraten (größer als Spezifikation, wie beispielsweise 100°/s) Einfluss nehmen, kann dies zu einer Verände- rung des Referenzsignals führen (Ω extern = Ωref > Ωmax) . Als Abhilfe hierfür kann eine Zufallsfolge in Amplitude und Frequenz für das Referenzsignal zur Messung von Nullpunkt und Skalenfaktor eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Zufallsfolge entweder der Signalverarbeitungseinrichtung 16 bekannt sein, oder sie wird von der Referenzgrößenbeauf- schlagungseinrichtung 12 über die in Fig. 1 gezeigte gestrichelte Verbindung zwischen dem Block 12 und dem Block 16 der Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, damit der Referenzanteil von einem Messanteil, der für diese Be- trachtung gewissermaßen wie ein Störanteil wirkt, getrennt werden kann.
Alternative Konzepte neben der frequenzselektiven Verarbeitung oder der codierten Verarbeitung können eingesetzt wer- den, wobei jegliche Mehrfachzugrifftechniken verwendet werden können, die in der Technik und insbesondere aus der Nachrichtentechnik bekannt sind.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ei- ne Regelung für den Referenzoszillator bevorzugt, um die Messung nicht zu beeinflussen, und um die Referenzdrehrate konstant zu halten. Nachfolgend werden, zum besseren Verständnis einige Kenngrößen hergeleitet, die zur Beschreibung eines Kammantriebs dienen, der z. B. als Kammantrieb 12c zur Erzeugung der Referenzgröße eingesetzt werden kann.
Die Winkelgeschwindigkeit erzeugte Referenzdrehrate 'z ist proportional zur Betriebsfrequenz ωref_ und dem Auslenkungswinkel αz0 des Referenzoszillators. άr (0 = ~ωref_d ■ « 0 sin(tfV_rf - t - ψ) «_■ (0 = Ω re _re? sin(<y re/ _d - t - φ) Somit ist die Antriebsamplitude definiert als
Figure imgf000035_0001
Unter der Annahme, dass die Betriebsfrequenz wesentlich kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Referenzoszillators (quasi-statischer Betrieb bzw. nicht-resonanter Betrieb) ergibt sich das erforderliche Antriebsmoment Mz_ref_req mit dessen Rotationssteifigkeit krz.
Mz_ref_req = k ^
Die Resonanzfrequenz des Referenzoszillators ωref ergibt sich mit dem Massenträgheitsmoment jz zu
Figure imgf000035_0002
wobei sich die Rotationssteifigkeit krz durch
Figure imgf000035_0003
zusammensetzt. Hierbei ist nsprι die Anzahl der Referenzfedern, E das Elastizitätsmodul, rdreh der Radius vom Mittelpunkt bis zur Referenzfeder und lspri die Länge der Referenzfeder. Das Massenträgheitsmoment iiy ist gegeben als - w s;pr\ uy = 12
Mit der Rechtecksquerschnittsabmessung hsi und wsprl der Referenzfeder. Das anregende Moment Mz_avau ist näherungsweise proportional der Anzahl der Antriebsfinger nsp_Cdfing, der Antriebsspannung Ucdref0, dem Abstand der Antriebsfingerstrukturen tcd, dem mittleren Abstand vom Drehmittelpunkt zum Antriebsfinger rcdfing meanr der Höhe der Siliziumschicht hSi und der Dielektrizitätskonstanten ε . ά *t . p e. . rhιsi . T VJ c2drefQ . 'r cdfmg mean ^ref_z ~ nsp_cdfmg lcd
Die mittlere maximale Auslenkung der Elektrodenfinger •Xcdfin mean des Referenzoszillators ist gegeben durch cdfmg _mean ~ ^an( z ) ' rc cdfing _ mean -
Parameter z Massenträgheitsmoment der z-Achse, kg m ωref Resonanzfrequenz des Referenzoszillators [1/s] Mref d Antriebsfrequenz des Referenzoszillators [1/s] LJm Maximale Drehrate [°/s] Ω τef_req Erforderliche Referenzdrehrate [ /s] az Auslenkungswinkel [ ] Ot ' , Winkelgeschwindigkeit [°/s] a ' Winkelbeschleunigung [°/s ] r cd fing Mittlerer Radius des Kammantriebs des Referenzoszillators [m] Xcdfing_mean Mittlere Auslenkung der Kammstruktur des Referenzoszillators [m] M: z_ref_req Erforderliches Anregungsmoment für den Referenzoszillator [kg m2] Je nach den praktischen Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elekt- ronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Pro- grammcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt stellt die Erfindung somit ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens dar, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Patentansprüche
1. Beschleunigungssensor mit folgenden Merkmalen: einer Probemasse (10), die an einem Träger angebracht ist und die ausgebildet ist, um von einer bezüglich einer sensitiven Achse gerichteten Messbeschleunigung (11) ausgelenkt zu werden; einer Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12), die ausgebildet ist, um auf die Probemasse (10) eine definierte Referenzgröße (13) in Richtung der sensitiven Achse auszuüben; einer Erfassungseinrichtung (14) zum Erfassen einer Auslenkung der Probemasse (10) aufgrund einer Beschleunigung, die in Richtung der sensitiven Achse gerichtet ist, und zum Liefern eines Erfassungssignals (15); und einer Signalverarbeitungseinrichtung (16) zum Verarbeiten des Erfassungssignals (15) unter Verwendung von Informationen über die definierte Referenzgröße (13), um eine Reaktion (19a) der Probemasse (10) auf die de- finierte Referenzgröße (13) zu ermitteln.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, der für eine Beschleunigung in einem vordefinierten Bereich spezifiziert ist, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausgebildet ist, um zum Ermitteln eines Messsignals das Erfassungssignal (15) unter Berücksichtigung des vorbestimmten Bereichs auszuwerten, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um die Referenzgröße so zu defi- nieren, dass sie außerhalb des vordefinierten Bereichs liegt; und bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausge- bildet ist, um zum Ermitteln der Reaktion das Erfassungssignal (15) unter Berücksichtigung eines Bereichs auszuwerten, der den vorbestimmten Bereich nicht umfasst.
3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die definierte Referenzgröße durch eine Frequenz der Referenzgröße definiert ist.
4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, bei der die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausgebildet ist, um das Erfassungssignal (15) frequenzselektiv zu verarbeiten, um ein Band des Erfassungssignals, das die Referenzgröße umfasst, gegenüber einem Band des Erfassungssignals, das nicht die Referenzgröße enthält, bei der Signalverarbeitung zu bevorzugen.
5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um eine definierte Folge von verschiedenen definierten Referenzgrößen ü- ber der Zeit zu verwenden; und bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausgebildet ist, um das Erfassungssignal (15) unter Berück- sichtigung der definierten Folge über der Zeit zu verarbeiten.
6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der spezifiziert ist, um in einem bestimm- ten Zeitintervall keiner Beschleunigung ausgesetzt zu sein, und bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um eine definierte Referenzgröße in dem bestimmten Zeitintervall auf die Probemasse auszuüben.
7. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Kalibriereinrichtung (18) zum Kalibrieren eines Anteils (19b) des Erfassungssignals, der auf die Messbeschleunigung (11) zurückgeht, unter Verwendung der Reaktion (19a) der Probemasse (10) auf die definierte Referenzgröße (13).
8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, bei dem die Kalibriereinrichtung (18) ausgebildet ist, um einen vor- eingestellten Skalenfaktorwert oder einen voreingestellten Nullpunktwert basierend auf der Reaktion (19a) der Probemasse (10) auf die definierte Referenzgröße (13) zu korrigieren.
9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um zwei unterschiedliche Refe- renzgrößen auf die Probemasse auszuüben, und bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausgebildet ist, um für jede Referenzgröße die Reaktion der Probemasse (10) auf die Referenzgröße zu erfassen.
10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um zwei unterschiedliche Referenzgrößen auf die Probemasse auszuüben, wobei die Referenzgrößen sich im Hinblick auf ihre Referenzgrößenfrequenzen unterscheiden.
11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Kalibriereinrichtung (18) ausgebildet ist, um unter Verwendung von zwei Reaktionen auf zwei Beschleunigungen einen Skalenfaktor und einen Nullpunkt einer Beschleunigungssensorkennlinie zu korrigieren.
12. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Drehratensensor zum Messen einer Messdrehrate ausgebildet ist, bei dem die Probemasse (10) an den Träger angebracht ist, um eine Anregungsschwingung und eine orthogonale Erfassungsschwingung ausführen zu können, wobei die Anregungsschwingung und die Erfassungsschwingung or- thogonal zu der sensitiven Achse sind; und bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um auf die Probemasse eine Referenzdrehrate auszuüben.
13. Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, der für eine Drehrate in einem spezifizierten Frequenzbereich ausgebildet ist, und bei dem die Referenzgrößenbeauf- schlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um die Re- ferenzdrehrate mit einer Frequenz zu erzeugen, die außerhalb des spezifizierten Frequenzbereichs liegt.
14. Beschleunigungssensor nach Anspruch 14, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (16) ausgebildet ist, um ein Band aus dem Erfassungssignal (15) herauszufil- tern, in dem die Frequenz der Referenzdrehrate auftritt, und das das spezifizierte Frequenzband nicht umfasst .
15. Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ein Masse-Feder-System aufweist, das eine Reso- nanzfrequenz hat, die sich von einer Resonanzfrequenz eines Anregungs-Masse-Feder-Systems unterscheidet.
16. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die Probmasse (10) eine Primärmasse und eine Sekundärmasse aufweist, wobei die Primärmasse und die Sekundärmasse so bezüglich des Trägers gekoppelt sind, dass die Primärmasse durch eine Coriolis-Kraft weniger ausgelenkt wird als die Sekundärmasse.
17. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) einen Referenzschwinger (12a) aufweist, der über Federn (64) mit der Probemasse gekoppelt ist, und über Federn (12b) an dem Träger so befestigt ist, dass er die Referenzdrehbewegung ausführen kann.
18. Beschleunigungssensor nach Anspruch 17, bei dem der Referenzschwinger (12a), ein Primärschwinger (16a) der Probemasse (10) und ein Sekundärschwinger (16b) der Probemasse (10) auf dem selben Träger ausgebildet sind.
19. Beschleunigungssensor nach Anspruch 18, bei dem der Träger ein Halbleitersubstrat ist.
20. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) ausgebildet ist, um auf die Probemasse (10) ein Antriebsmoment auszuüben, das wenigstens doppelt so groß wie ein spezifiziertes maximal zu erwartendes Antriebsmoment aufgrund der Messdrehbeschleunigung (11) ist.
21. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung ein Feder-Masse-System umfasst, das eine mechanische Resonanzfrequenz hat, die größer als eine Fre- quenz einer erwarteten Messdrehrate oder eine Frequenz der Referenzdrehrate ist.
22. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12) einen Regler aufweist, der ausgebildet ist, um eine Ist-Referenzgröße auf einen vorbestimmten Sollwert zu regeln.
23. Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigungssensors mit einer Probemasse (10), die an einem Träger angebracht ist und die ausgebildet ist, um von einer bezüglich einer sensitiven Achse gerichteten Messbeschleunigung (11) ausgelenkt zu werden, und einer Re- ferenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung (12), die ausgebildet ist, um auf die Probemasse (10) eine definierte Referenzgröße (13) in Richtung der sensitiven Achse auszuüben, mit folgenden Schritten: Erfassen einer Auslenkung der Probemasse aufgrund einer Beschleunigung, die in Richtung der sensitiven Achse gerichtet ist, und Liefern eines Erfassungssignals; und Verarbeiten des Erfassungssignals unter Verwendung von Informationen über die definierte Referenzgröße, um eine Reaktion (19a) der Probemasse (10) auf die definierte Referenzgröße (13) zu ermitteln.
24. Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen des Verfahrens nach Patentanspruch 23, wenn der Programmcode auf einem Computer abläuft.
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