WO2017194234A1 - Sensor device and/or actuator device and method for causing harmonic vibrations of a seismic mass - Google Patents

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WO2017194234A1
WO2017194234A1 PCT/EP2017/056767 EP2017056767W WO2017194234A1 WO 2017194234 A1 WO2017194234 A1 WO 2017194234A1 EP 2017056767 W EP2017056767 W EP 2017056767W WO 2017194234 A1 WO2017194234 A1 WO 2017194234A1
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WO
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seismic mass
axis
carrier frequency
intensity
current signal
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PCT/EP2017/056767
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Michael Curcic
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719
    • G—PHYSICS
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    • G01P15/097—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by vibratory elements
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Definitions

  • the invention relates to a sensor and / or actuator device. Furthermore, the invention relates to a method for putting a seismic mass into harmonic oscillations and a method for detecting a
  • Comb electrodes formed detection electrodes arranged by means of which the linear oscillating movement of the associated seismic mass to be vermessbar.
  • the invention provides a sensor and / or actuator device with the features of claim 1, a method for putting a seismic mass into harmonic oscillations with the features of claim 8 and a method for detecting a rotational movement of a seismic mass with the features of claim 13.
  • the present invention provides advantageous possibilities for checking and / or measuring the harmonic oscillation along the vibration axis of the seismic mass without the use of at least one
  • the equipment of the device equipped with the at least one seismic mass can be dispensed with the at least one drive detection electrode.
  • sensor and / or actuator devices can be made smaller and lighter by means of the present invention, the sensor and / or actuator devices according to the invention can also be used more versatile.
  • the inventive sensor and / or actuator devices can also be used more versatile.
  • Actuator devices are also produced more cheaply.
  • dispensing with the use of at least one drive detection electrode must also during operation of the sensor and / or
  • Actuator device no capacitive crosstalk between the at least one drive electrode and the at least one drive detection electrode to be feared.
  • the sensor and / or actuator device according to the invention is thus more reliable operable.
  • the present invention also allows a use of the at least one drive detection electrode as at least one further drive electrode or a use of the surface / the installation space of the at least one drive detection electrode for enlarging the at least one drive electrode.
  • the at least one adjacent thereto seismic mass can already be offset with a lower amplitude of the applied voltage signal in the harmonic oscillation with the excitation frequency along the swing axis.
  • the actuator device can thus be made lighter, smaller and less expensive in an exploitation of the present invention.
  • the present invention also provides an evaluation method for checking and / or measuring the harmonic vibration of the seismic mass along the vibration axis, in which only the current signal measured at the seismic mass (i.e., the current flow at the seismic mass) is evaluated.
  • This evaluation method can be carried out by means of an inexpensive and space-consuming ASIC, which can measure the current signal on the seismic mass.
  • the present invention thus also contributes to the reduction of a space requirement and to reducing costs of the electronics one with at least one seismic mass
  • the evaluation and / or control device is designed to be a first
  • the sensor and / or actuator device is additionally designed to determine a first deflection movement of the seismic mass along a perpendicular to the swing axis aligned first axis by the actuator device is designed to be one between the seismic
  • the evaluation and / or control device may be designed to have a second carrier frequency intensity of the second carrier frequency in the measured current signal and at least one second sideband intensity of at least one second one shifted by the excitation frequency
  • Control device requires in this embodiment, despite the increased functionality of their sensor and / or actuator device only a converter stage on the seismic mass. By saving additional converter stages is a power consumption of the evaluation and / or
  • the senor and / or actuator device can additionally be designed for a second deflection movement of the seismic Determine mass along a perpendicular to the swing axis and perpendicular to the first axis aligned second axis by the
  • Actuator device is designed to a fitting between the seismic mass and at least one second detection electrode
  • Actuator device can be formed by means of a cost-effective and little space-consuming ASIC, whereby the current signal can be measured at the seismic mass by means of the ASIC, the oscillating voltages (voltage signal and AC voltages) can be generated and the intensities of the different frequencies in the current signal determined and evaluated with each other can be.
  • the evaluation and / or control device may be configured to determine a third carrier frequency intensity of the third carrier frequency in the measured current signal and at least a third sideband intensity of at least one shifted by the excitation frequency third sideband of the third carrier frequency in the measured current signal, and based on a comparison the third carrier frequency intensity with the at least one third sideband intensity information with respect to the second deflection movement of the seismic mass and / or a second
  • Rotary movement of the sensor and / or actuator device to set and output a perpendicular to the swing axis and perpendicular to the second axis aligned second rotation axis.
  • the sensor and / or actuator device may be, for example, a rotation rate sensor.
  • the sensor and / or actuator device can thus be used advantageously. It should be noted, however, that applicability of the sensor and / or actuator device is not limited to a particular type of sensor. The advantages described above are also ensured when carrying out the corresponding method for displacing a seismic mass into harmonic oscillations. It should be noted that the method for putting a seismic mass into harmonic
  • Vibrations according to the embodiments of the sensor and / or actuator device described above can be further developed.
  • FIGS. 2a to 2c show a flow chart and coordinate systems for explaining an embodiment of the method for putting a seismic mass into harmonic oscillations.
  • Fig. La to ld show a schematic partial view, an electrical
  • the sensor and / or actuator device shown schematically in FIGS. 1 a to 1 d has a seismic mass 10, which is formed at least partially from an electrically conductive material, and at least one drive electrode 12 a and 12 b.
  • the sensor and / or actuator device is preferably at least partially designed as a MEMS device (micro-electrical-mechanical system, micro-electro-mechanical system).
  • MEMS device micro-electrical-mechanical system, micro-electro-mechanical system.
  • the components 10, 12a and 12b of the sensor and / or actuator device can thus be produced with a comparatively small amount of work and can easily be formed in a comparatively small size.
  • the seismic mass 10 is (e.g., via at least one spring 14) so fitted with a support, such as a spring. a remainder of the semiconductor substrate, that the seismic mass 10 is adjustable with respect to the at least one fixed drive electrode 12a and 12b.
  • the at least one drive electrode 12a and 12b is located toward the seismic mass 10 such that a distance between the seismic mass 10 and the single drive electrode or a respective distance between the seismic mass 10 and each one of the drive electrodes 12a and 12b during harmonic oscillation seismic mass 10 along a (predetermined)
  • the sensor and / or actuator device may have 2n drive electrodes 12a and 12b, where n is a natural number and n drive electrodes 12a are on a first side of the seismic mass and n drive electrodes 12b are on a second side of the seismic side facing away from the first side Mass 10 are arranged.
  • n is a natural number
  • n drive electrodes 12a are on a first side of the seismic mass
  • n drive electrodes 12b are on a second side of the seismic side facing away from the first side Mass 10 are arranged.
  • Actuator device exactly two drive electrodes 12a and 12b. It is noted, however, that a formability of the sensor and / or
  • Actuator device is not limited to a certain number of drive electrodes 12a and 12b.
  • the at least one drive electrode 12a and 12b is part of an actuator device which is designed to apply (in each case) a voltage signal UAa and UAb between the seismic mass 10 and the at least one drive electrode 12a and 12b. This is at least one
  • the actuator device is additionally designed so that voltage signal UAa and UAb present between the seismic mass 10 and the at least one drive electrode 12a and 12b have a (predetermined) voltage.
  • Carrier frequency ⁇ to vary.
  • the excitation frequency ⁇ is chosen so that the seismic mass 10 performs the harmonic oscillation along the oscillation axis 20 with the excitation frequency ⁇ .
  • Excitation frequency ⁇ can be (almost) equal to one
  • the first carrier frequency ⁇ is preferably chosen so that it is significantly larger than the excitation frequency ⁇ and significantly larger than the
  • FIG. 1b shows an equivalent electrical circuit diagram for explaining the between each of the drive electrodes 12a and 12b and the seismic mass 10 as
  • Carrier frequency ⁇ has no influence on the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the vibration axis 20 and can therefore be neglected in the equations (Eq. La) and (Eq. Lb).)
  • Ca and Cb are each a capacity of a capacitor formed from the respective drive electrode 12a or 12b and the seismic mass 10 as a counter electrode.
  • the capacitances Ca and Cb of the capacitors are in the first order (with small deflections from a rest position of the seismic mass
  • Equation 3b Cb (x) ⁇ C 0 - x * lim
  • a direction of the arrows indicates an opposite phase change of the capacitances Ca and Cb.
  • drive electrodes 12a and 12b may optionally comb or
  • ⁇ is the dielectric constant
  • b is a width of the respective comb electrode
  • h is a length of the respective comb electrode
  • g is an air gap width between two adjacent combs of the respective comb electrode.
  • a capacitance change dC proportional to the mechanical movement of the seismic mass 10 is definable via a difference of the capacitances Ca and Cb in equation (equation 6) with:
  • phase shift ⁇ is ideally 180 °, so that the carrier current is maximally suppressed in the current measurement. With pure sensing thus only the carrier is on.
  • Equation 8 For a current signal / a current flow I at the seismic mass 10, equation (equation 8) with:
  • a harmonic oscillation thus represents a sinusoidal movement in the detection and leads (when inserted into the equation (equation 8)) to an amplitude-modulated current signal I.
  • a movement information with respect to an execution of the desired harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20 is thus in so-called first sidebands of the first carrier frequency ⁇ at the frequencies ( ⁇ - ⁇ ) and (coTa + ⁇ ).
  • the sensor and / or actuator device therefore has an evaluation and / or control device 22 which is designed, taking into account the current signal I measured at the seismic mass 10 (or by evaluating the current signal I), the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the excitation frequency ⁇ along the vibration axis 20 to check and / or an amplitude, average speed and / or maximum speed of the harmonic oscillating seismic mass 10 to determine.
  • the evaluation and / or control device 22 utilizes that a force action of the voltage signals UAa and UAb is at the excitation frequency ⁇ , a movement information regarding execution of the desired harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the excitation frequency ⁇ along the oscillation axis 20, however the first sidebands of the first
  • Carrier frequency ⁇ at the frequencies ( ⁇ - ⁇ ) and ( ⁇ + ⁇ ) is. This allows a clear separation from the excitation frequency ⁇ used to drive the seismic mass 10 and the resulting response of the seismic mass 10 at the frequencies ( ⁇ - ⁇ ) and ( ⁇ + ⁇ ).
  • a check and / or measurement of the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the drive frequency ⁇ along the vibration axis 20 is thus possible without the use of at least one drive detection electrode. Instead, only at the seismic mass 10th
  • the evaluation and / or control device 22 may be configured to have a first carrier frequency intensity of the first carrier frequency ⁇ in the measured current signal I and at least one first
  • Evaluation and / or control device 22 possible.
  • the evaluation and / or control device 22 can thus be easily integrated on the ASIC 18.
  • Actuator additionally designed to determine a (first) deflection movement of the seismic mass 10 along a direction perpendicular to the swing axis 20 aligned (first) sensitive axis. (The (first) sensitive
  • the axis protrudes vertically out of the plane of the drawing in FIG. 1.
  • the sensor and / or actuator device comprises at least one (first) detection electrode 24a and 24b.
  • the at least one (first) detection electrode 24a and 24b is located toward the seismic mass 10 such that a distance between the seismic mass 10 and the single (first)
  • Detection electrode or a respective distance between the seismic mass 10 and each of the (first) detection electrodes 24a and 24b during the (first) deflection movement of the seismic mass 10 along the (first) sensitive axis varies harmonically.
  • Actuator device can in particular 2n (first) detection electrodes 24a and 24b, where n is a natural number and n (first) detection electrodes 24a are on a first side of the seismic mass, and n (first)
  • Detection electrodes 24b are arranged on a second side of the seismic mass 10 directed away from the first side. Typically, the seismic mass 10 vibrates in anti-phase with respect to the 2n (first)
  • Detection electrodes 24a and 24b In the embodiment of FIGS. 1 a to 1 d, the sensor and / or actuator device has exactly two (first)
  • Detection electrodes 24a and 24b Detection electrodes 24a and 24b. It should be noted, however, that a formability of the sensor and / or actuator device is not limited to a certain number of (first) detection electrodes 24a and 24b.
  • the carrier frequency method can be used.
  • the actuator device is designed such that by means of the actuator device between the seismic mass 10 and the at least one (first)
  • Detection electrode 24a and 24b applied AC voltage signal UCa and UCb with a (predetermined) second carrier frequency coTC is variable.
  • Fig. Lc shows a suitable interconnection.
  • the second carrier frequency coTC may be much higher than the excitation frequency ⁇ and much higher than the resonance frequency of the harmonic of the seismic mass 10 along the swing axis 20, and thus has no influence on the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20.
  • a capacitance change dCc of capacitances Cca and Ccb of two capacitors each formed from one of the (first) detection electrodes 24a or 24b and the seismic mass 10 as the counterelectrode can thus be approximated by equation (equation 11) (analogous to equation (equation 10)) With:
  • the evaluation and / or control device 22 can thus also be used to determine, taking into account the current signal I measured at the seismic mass 10, the (first) deflection movement of the seismic mass 10 along the (first) sensitive axis. It is for use of the
  • the carrier frequencies ⁇ and coTC can be chosen such that the
  • the current signal I can then be used for both evaluation methods.
  • the current signal I can again be demodulated (digitally and / or analogously) and further processed.
  • the evaluation and / or control device 22 may be configured to have a second carrier frequency intensity of the second carrier frequency coTC in the measured current signal I and at least one second
  • the senor and / or actuator device can additionally be designed to provide a second deflection movement of the seismic mass 10 along a second sensitive axis 26 aligned perpendicular to the vibration axis 20 and perpendicular to the first sensitive axis
  • measured current signal I can be determined. Subsequently, based on a comparison of the third carrier frequency intensity with the at least one third
  • the actuator and / or sensor device can also be used as an at least single-channel (capacitive) device.
  • Rotation rate sensor can be used.
  • a (first) rotational movement of the rotation rate sensor causes a (first) rotation axis 28 oriented perpendicular to the oscillation axis 20 and perpendicular to the (first) sensitive axis during the harmonic oscillation movement of the seismic mass 10 along the oscillation axis 20
  • the evaluation and / or control device 22 information about the (first) rotational movement about the perpendicular to the
  • Rotational motion can be set and output.
  • the one described here Evaluation concept is thus advantageous for an at least one-channel rotation rate sensor.
  • the evaluation concept described here can also be extended accordingly for a multi-channel rotation rate sensor.
  • the evaluation and / or control device 22 can be designed to compare the third carrier frequency intensity with the at least one third one
  • Rotary movement of the sensor and / or actuator device to set and output a perpendicular to the swing axis 20 and perpendicular to the second sensitive axis 26 aligned second rotation axis (equal to the first sensitive axis) and output.
  • Rotational motion can also set and output a rate of rotation, an angular velocity and / or a rotational speed of the second rotational movement.
  • Oscillation of the seismic mass 10 along the swing axis 20 is used and the at least one further carrier frequency coTC is used to detect the at least one deflection movement.
  • Operations can be performed with analog and / or digital (or mixed) electronics.
  • an operational amplifier / integrator 30 can be used for the time integration of the current signal.
  • At least one so-called capacitance-voltage converter 32 (CV converter) can be used.
  • One Capacitance-voltage converter 32 is relatively inexpensive and requires relatively little space.
  • Figs. 2a to 2c show a flow chart and coordinate systems for explaining an embodiment of the method for putting a seismic mass into harmonic oscillations.
  • the method described below can be executed, for example, by means of the above-explained sensor and / or actuator device. It should be understood, however, that practicability of the method is not limited to any particular type of apparatus equipped with at least one seismic mass.
  • step S1 one with a (predetermined)
  • Carrier frequency ⁇ varying voltage signal between an at least partially formed of an electrically conductive material formed seismic mass and at least one drive electrode.
  • the seismic mass is placed in harmonic oscillation at the excitation frequency ⁇ along a (predetermined) oscillating axis.
  • the voltage signal applied between the seismic mass and the at least one drive electrode is varied at an excitation frequency ⁇ equal to a resonant frequency of the harmonic of the seismic mass along the swing axis (and simultaneously with the first carrier frequency ⁇ ).
  • the seismic mass can thus be deliberately excited in such a way that the seismic mass oscillates harmonically along its oscillating axis with its resonance frequency.
  • a current signal I (as evaluation signal) is measured at the seismic mass.
  • a current signal I a current flow is measured within a capacitor formed from the at least one drive electrode and the seismic mass as counterelectrode.
  • the method step S2 is carried out during the method step S1.
  • a method step S3 taking into account the current signal I measured at the seismic mass, the harmonic
  • Vibration of the seismic mass with the excitation frequency along the vibration axis checked and / or determines an amplitude, average velocity and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass.
  • Frequencies f in megahertz
  • intensities ⁇ of the frequencies are indicated.
  • Carrier frequency ⁇ first sidebands at ⁇ - ⁇ and ⁇ + ⁇ formed. These first sidebands appear under the frequencies ⁇ - ⁇ and ⁇ + ⁇ in response to the harmonic oscillating seismic mass on the first carrier frequency ⁇ only if the seismic mass actually harmonic excited by means of the method step Sl with the
  • Excitation frequency ⁇ are checked along the swing axis.
  • step S3 a first
  • the harmonic oscillation of the seismic mass can be measured with the excitation frequency along the oscillation axis.
  • the amplitude, average can also be determined on the basis of the comparison of the first carrier frequency intensity 9tl with the at least one first sideband intensity 9sl Speed and / or maximum speed of the harmonious
  • oscillating seismic mass can be determined.
  • the method described here also comprises further (optional) method steps S4 and S5, in which a first
  • method step S4 Deflection movement of the seismic mass along a perpendicular to the swing axis aligned first axis is detected.
  • an alternating voltage signal varying with a second carrier frequency coTC is applied between the seismic mass and at least one first detection electrode. (The method step S4 is executed during the method step S1.)
  • a method step S5 the first deflection movement of the seismic mass along the first axis is ascertained taking into account the current signal I measured at the seismic mass. This can also be done by determining a second carrier frequency intensity 9t2 of the second
  • a second deflection movement of the seismic mass along a second axis oriented perpendicular to the oscillation axis and perpendicular to the first axis can be detected by executing the further (optional) method steps S6 and S7.
  • an alternating voltage signal varying with a third carrier frequency coTD is applied between the seismic mass and at least one second detection electrode.
  • the method steps S4 to S7 may be e.g. for detecting / suppressing undesired deflecting movements of the seismic mass. However, they are also suitable for detecting a rotational movement of a seismic mass.
  • information relating to a first rotational movement of the seismic mass about a first axis of rotation aligned perpendicular to the oscillating axis and perpendicular to the first axis can be determined by comparing the second carrier frequency intensity 9t2 with the at least one second
  • Rotation axis are determined on the basis of a comparison of the third carrier frequency intensity 9t3 with the at least one third sideband intensity 9s3.
  • the respective information for example, at least one yaw rate, at least one angular velocity and / or at least one
  • Rotation speed are set and output.
  • the method described here also provides all the advantages of the previously implemented sensor and / or actuator device. As can be seen by comparing the coordinate systems of Figs. 2b and 2c, e.g. becomes clear, which is in the

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Abstract

The invention relates to a sensor device and/or actuator device, comprising a seismic mass (10), an actuator apparatus having at least one drive electrode (12a, 12b), which is designed to cause harmonic vibration of the seismic mass (10) having an excitation frequency (ω) along a vibration axis, and an evaluating and/or monitoring apparatus, wherein the actuator apparatus is designed to vary a voltage signal (UAa, UAb) present between the seismic mass (10) and the at least one drive electrode (12a, 12b) having the excitation frequency (ω) and simultaneously having a first carrier frequency (ωTA) and the evaluating and/or monitoring apparatus is designed to check and/or measure the harmonic vibration of the seismic mass (10) having the excitation frequency (ω) along the vibration axis while taking into account a current signal (I) measured at the seismic mass (10). The invention further relates to a method for causing harmonic vibrations of a seismic mass (10) and to a method for detecting a rotational motion of a seismic mass (10).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Sensor- und/oder Aktorvorrichtung und Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen  Sensor and / or actuator device and method for transferring a seismic mass into harmonic oscillations
Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen und ein Verfahren zum Detektieren einer The invention relates to a sensor and / or actuator device. Furthermore, the invention relates to a method for putting a seismic mass into harmonic oscillations and a method for detecting a
Rotationsbewegung einer seismischen Masse. Rotational motion of a seismic mass.
Stand der Technik State of the art
In der DE 10 2007 062 732 AI ist ein Drehratensensor mit zwei seismischen Massen beschrieben. Benachbart zu jeder der seismischen Massen sind als Kammelektroden ausgebildete Antriebselektroden angeordnet, wobei jede der seismischen Massen mittels einer zwischen den benachbarten In DE 10 2007 062 732 AI a rotation rate sensor with two seismic masses is described. Adjacent to each of the seismic masses are formed as comb electrodes formed drive electrodes, each of the seismic masses by means of a between the adjacent
Antriebselektroden und der jeweiligen seismischen Masse als Gegenelektrode angelegten Spannung in eine lineare Schwingbewegung versetzbar sein soll. Außerdem sind benachbart zu jeder der seismischen Massen als Drive electrodes and the respective seismic mass as a counter electrode voltage applied in a linear oscillating motion should be displaced. Also, adjacent to each of the seismic masses are
Kammelektroden ausgebildete Detektionselektroden angeordnet, mittels welchen die lineare Schwingbewegung der zugeordneten seismischen Masse vermessbar sein soll. Comb electrodes formed detection electrodes arranged by means of which the linear oscillating movement of the associated seismic mass to be vermessbar.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Erfindung schafft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteile der Erfindung The invention provides a sensor and / or actuator device with the features of claim 1, a method for putting a seismic mass into harmonic oscillations with the features of claim 8 and a method for detecting a rotational movement of a seismic mass with the features of claim 13. Advantages of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse der seismischen Masse ohne die Verwendung von mindestens einer The present invention provides advantageous possibilities for checking and / or measuring the harmonic oscillation along the vibration axis of the seismic mass without the use of at least one
herkömmlicherweise zusätzlich zu der mindestens einen Antriebselektrode dazu benötigten Elektrode, welche oft als die mindestens eine conventionally in addition to the at least one drive electrode required for this electrode, often as the at least one
Antriebsdetektionselektrode bezeichnet wird. Während standardgemäße Vorrichtungen mit mindestens einer seismischen Masse die mindestens eineDrive detection electrode is called. During standard devices with at least one seismic mass the at least one
Antriebsdetektionselektrode benötigen, um die harmonische Schwingung der jeweiligen seismischen Masse entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder zu vermessen, kann bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung auf die Ausstattung der mit der mindestens einen seismischen Masse bestückten Vorrichtung mit der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode verzichtet werden. Durch die auf diese Weise ermöglichte Einsparung von einer Requiring the drive detection electrode to check and / or measure the harmonic vibration of the respective seismic mass along the swing axis, when using the present invention, the equipment of the device equipped with the at least one seismic mass can be dispensed with the at least one drive detection electrode. By thus saving a possible
Fläche/einem Bauraum der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode trägt die vorliegende Erfindung zur Minimierung von Sensor- und/oder Surface / a space of the at least one drive detection electrode carries the present invention to minimize sensor and / or
Aktorvorrichtungen bei. Da mittels der vorliegenden Erfindung Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen kleiner und leichter hergestellt werden können, sind die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen auch vielseitiger einsetzbar. Zusätzlich können mittels des Verzichts auf die mindestens eine Antriebsdetektions-elektrode die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Actuator devices at. Since sensor and / or actuator devices can be made smaller and lighter by means of the present invention, the sensor and / or actuator devices according to the invention can also be used more versatile. In addition, by omitting the at least one drive detection electrode, the inventive sensor and / or
Aktorvorrichtungen auch kostengünstiger hergestellt werden. Actuator devices are also produced more cheaply.
Bei einem mittels der vorliegenden Erfindung möglichen Verzicht auf die Verwendung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode muss auch während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Sensor- und/oder In a possible by means of the present invention dispensing with the use of at least one drive detection electrode must also during operation of the sensor and / or
Aktorvorrichtung kein kapazitives Übersprechen zwischen der mindestens einen Antriebselektrode und der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode befürchtet werden. Die erfindungsgemäße Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit verlässlicher betreibbar. Actuator device no capacitive crosstalk between the at least one drive electrode and the at least one drive detection electrode to be feared. The sensor and / or actuator device according to the invention is thus more reliable operable.
Als Alternative zu einem Verzicht auf die mindestens eine herkömmlicherweise benötigte Antriebsdetektionselektrode erlaubt die vorliegende Erfindung auch eine Nutzung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode als mindestens eine weitere Antriebselektrode oder eine Verwendung der Fläche/des Bauraums der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode zur Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode. Mittels dieser erfindungsgemäßen As an alternative to dispensing with the at least one conventionally required drive detection electrode, the present invention also allows a use of the at least one drive detection electrode as at least one further drive electrode or a use of the surface / the installation space of the at least one drive detection electrode for enlarging the at least one drive electrode. By means of this invention
Vervielfältigung/Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode kann die mindestens eine dazu benachbarte seismische Masse bereits mit einer niedrigeren Amplitude des angelegten Spannungssignals in die harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse versetzt werden. Die Aktoreinrichtung kann somit bei einer Ausnutzung der vorliegenden Erfindung leichter, kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden. Duplication / enlargement of the at least one drive electrode, the at least one adjacent thereto seismic mass can already be offset with a lower amplitude of the applied voltage signal in the harmonic oscillation with the excitation frequency along the swing axis. The actuator device can thus be made lighter, smaller and less expensive in an exploitation of the present invention.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Auswerteverfahren zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse, bei welchem lediglich das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal (d.h. der Stromfluss an der seismischen Masse) ausgewertet wird. Dieses Auswerteverfahren ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC, welcher das Stromsignal an der seismischen Masse messen kann, ausführbar. Die vorliegende Erfindung trägt somit auch zur Reduzierung eines Bauraumbedarfs und zur Verringerung von Kosten der Elektronik einer mit mindestens einer seismischen Masse The present invention also provides an evaluation method for checking and / or measuring the harmonic vibration of the seismic mass along the vibration axis, in which only the current signal measured at the seismic mass (i.e., the current flow at the seismic mass) is evaluated. This evaluation method can be carried out by means of an inexpensive and space-consuming ASIC, which can measure the current signal on the seismic mass. The present invention thus also contributes to the reduction of a space requirement and to reducing costs of the electronics one with at least one seismic mass
ausgestatteten Vorrichtung bei. equipped device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt, eine erste In an advantageous embodiment of the sensor and / or actuator device, the evaluation and / or control device is designed to be a first
Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenenCarrier frequency intensity of the first carrier frequency in the measured
Stromsignal und mindestens eine erste Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen Current signal and at least a first sideband intensity of at least one shifted by the excitation frequency first sideband of the first carrier frequency in the measured current signal to determine, and based on a comparison of the carrier frequency intensity with the at least one
Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse zu ermitteln. Eine derartige Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung ist kostengünstig und mit einem geringen Bauraumbedarf herstellbar. Vorzugsweise ist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischenSideband intensity to check the harmonic vibration of the seismic mass with the excitation frequency along the vibration axis and / or to determine the amplitude, average velocity and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass. Such evaluation and / or control device is inexpensive and can be produced with a small space requirement. Preferably, the sensor and / or actuator device is additionally designed to determine a first deflection movement of the seismic mass along a perpendicular to the swing axis aligned first axis by the actuator device is designed to be one between the seismic
Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode anliegendes Mass and at least one first detection electrode adjacent
Wechselspannungssignal mit einer zweiten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter To vary AC voltage signal with a second carrier frequency, and the evaluation and / or control device is designed to under
Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse festzustellen. Damit ist die Funktionssteigerung der Sensor- und/oder Considering the measured current signal on the seismic mass to determine the first deflection movement of the seismic mass along the first axis. Thus, the increase in function of the sensor and / or
Aktorvorrichtung mit vergleichsweise kostengünstigen und leicht herstellbaren Elektroniken für die Aktoreinrichtung und die Auswerte- und/oder Actuator with comparatively inexpensive and easy to produce electronics for the actuator device and the evaluation and / or
Kontrolleinrichtung realisierbar. Control device feasible.
Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine zweite Seitenband Intensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen zweiten For example, the evaluation and / or control device may be designed to have a second carrier frequency intensity of the second carrier frequency in the measured current signal and at least one second sideband intensity of at least one second one shifted by the excitation frequency
Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der ersten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer ersten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete ersteSide bands of the second carrier frequency in the measured current signal to determine, and based on a comparison of the second carrier frequency intensity with the at least one second sideband intensity information regarding the first deflection movement of the seismic mass and / or a first rotational movement of the sensor and / or actuator device about a perpendicular to the swing axis and aligned perpendicular to the first axis first
Rotationsachse festzulegen und auszugeben. Die Auswerte- und/oder Set and output rotation axis. The evaluation and / or
Kontrolleinrichtung benötigt bei dieser Ausführungsform trotz der gesteigerten Funktionalität ihrer Sensor- und/oder Aktorvorrichtung lediglich eine Wandler- Stufe an der seismischen Masse. Durch die Einsparung von zusätzlichen Wandler-Stufen ist ein Stromverbrauch der Auswerte- und/oder Control device requires in this embodiment, despite the increased functionality of their sensor and / or actuator device only a converter stage on the seismic mass. By saving additional converter stages is a power consumption of the evaluation and / or
Kontrolleinrichtung reduzierbar und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung kostengünstiger herstellbar.  Reduce control and the evaluation and / or control device cheaper to produce.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse festzustellen, indem die As an advantageous development, the sensor and / or actuator device can additionally be designed for a second deflection movement of the seismic Determine mass along a perpendicular to the swing axis and perpendicular to the first axis aligned second axis by the
Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode anliegendes Actuator device is designed to a fitting between the seismic mass and at least one second detection electrode
Wechselspannungssignal mit einer dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter To vary AC signal with a third carrier frequency, and the evaluation and / or control device is designed to
Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse festzustellen. Auch diese Ausführungsform der Sensor- und/oder Considering the measured current signal on the seismic mass to determine the second deflection movement of the seismic mass along the second axis. This embodiment of the sensor and / or
Aktorvorrichtung ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC ausbildbar, wobei mittels des ASIC das Stromsignal an der seismischen Masse gemessen werden kann, die oszillierenden Spannungen (Spannungssignal und Wechselspannungen) generiert werden können und die Intensitäten der verschiedenen Frequenzen in dem Stromsignal ermittelt und miteinander ausgewertet werden können. Actuator device can be formed by means of a cost-effective and little space-consuming ASIC, whereby the current signal can be measured at the seismic mass by means of the ASIC, the oscillating voltages (voltage signal and AC voltages) can be generated and the intensities of the different frequencies in the current signal determined and evaluated with each other can be.
Insbesondere kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer zweiten In particular, the evaluation and / or control device may be configured to determine a third carrier frequency intensity of the third carrier frequency in the measured current signal and at least a third sideband intensity of at least one shifted by the excitation frequency third sideband of the third carrier frequency in the measured current signal, and based on a comparison the third carrier frequency intensity with the at least one third sideband intensity information with respect to the second deflection movement of the seismic mass and / or a second
Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite Rotationsachse festzulegen und auszugeben. Rotary movement of the sensor and / or actuator device to set and output a perpendicular to the swing axis and perpendicular to the second axis aligned second rotation axis.
Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann beispielsweise ein Drehratensensor sein. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit vorteilhaft einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit/Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf einen bestimmten Sensortyp limitiert ist. Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische The sensor and / or actuator device may be, for example, a rotation rate sensor. The sensor and / or actuator device can thus be used advantageously. It should be noted, however, that applicability of the sensor and / or actuator device is not limited to a particular type of sensor. The advantages described above are also ensured when carrying out the corresponding method for displacing a seismic mass into harmonic oscillations. It should be noted that the method for putting a seismic mass into harmonic
Schwingungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar ist. Vibrations according to the embodiments of the sensor and / or actuator device described above can be further developed.
Des Weiteren schafft auch ein Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse die oben schon beschriebenen Vorteile. Auch das Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse ist gemäß den oben Furthermore, carrying out the corresponding method for detecting a rotational movement of a seismic mass also provides the advantages already described above. Also, the method for detecting a rotational movement of a seismic mass is according to the above
beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar. described embodiments of the sensor and / or actuator device weiterbildbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:
Fig. la bis ld eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches Fig. La to ld a schematic partial view, an electrical
Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung; und  Equivalent circuit diagram, an interconnection and a block diagram of an embodiment of the sensor and / or actuator device; and
Fig. 2a bis 2c ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen. FIGS. 2a to 2c show a flow chart and coordinate systems for explaining an embodiment of the method for putting a seismic mass into harmonic oscillations.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Fig. la bis ld zeigen eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches Fig. La to ld show a schematic partial view, an electrical
Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer Substitute circuit diagram, an interconnection and a block diagram of a
Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Die in den Fig. la bis ld schematisch wiedergegebene Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat eine zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformte seismische Masse 10 und mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise als MEMS-Vorrichtung (Mikro-Elektrisch-Mechanisches-System, Micro- Electro-Mechanical System) ausgebildet. Beispielsweise können die seismische Masse 10 und/oder die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b Embodiment of the sensor and / or actuator device. The sensor and / or actuator device shown schematically in FIGS. 1 a to 1 d has a seismic mass 10, which is formed at least partially from an electrically conductive material, and at least one drive electrode 12 a and 12 b. The sensor and / or actuator device is preferably at least partially designed as a MEMS device (micro-electrical-mechanical system, micro-electro-mechanical system). For example, the seismic mass 10 and / or the at least one drive electrode 12a and 12b
(zumindest teilweise) aus mindestens einem Halbleitersubstrat (wie z.B. einem Siliziumsubstrat) herausstrukturiert sein und/oder mittels eines Abscheidens mindestens einer leitfähigen Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet sein. Die Komponenten 10, 12a und 12b der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung sind somit mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand herstellbar und können leicht in einer vergleichsweise geringen Größe ausgebildet werden. (at least partially) may be patterned out of at least one semiconductor substrate (such as a silicon substrate) and / or formed by depositing at least one conductive layer on the semiconductor substrate. The components 10, 12a and 12b of the sensor and / or actuator device can thus be produced with a comparatively small amount of work and can easily be formed in a comparatively small size.
Die seismische Masse 10 ist (z.B. über mindestens eine Feder 14) so mit einer Halterung, wie z.B. einem Rest des Halbleitersubstrats, verbunden, dass die seismische Masse 10 in Bezug zu der mindestens einen fest angeordneten Antriebselektrode 12a und 12b verstellbar ist. Vorzugsweise liegt die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen Antriebselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der Antriebselektroden 12a und 12b während einer harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang einer (vorgegebenen) The seismic mass 10 is (e.g., via at least one spring 14) so fitted with a support, such as a spring. a remainder of the semiconductor substrate, that the seismic mass 10 is adjustable with respect to the at least one fixed drive electrode 12a and 12b. Preferably, the at least one drive electrode 12a and 12b is located toward the seismic mass 10 such that a distance between the seismic mass 10 and the single drive electrode or a respective distance between the seismic mass 10 and each one of the drive electrodes 12a and 12b during harmonic oscillation seismic mass 10 along a (predetermined)
Schwingachse 20 harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n Antriebselektroden 12a und 12b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n Antriebselektroden 12a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n Antriebselektroden 12b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. In der Ausführungsform der Fig. la bis ld weist die Sensor- und/oder Oscillating axis 20 varies harmoniously. In particular, the sensor and / or actuator device may have 2n drive electrodes 12a and 12b, where n is a natural number and n drive electrodes 12a are on a first side of the seismic mass and n drive electrodes 12b are on a second side of the seismic side facing away from the first side Mass 10 are arranged. In the embodiment of Figs. La to ld, the sensor and / or
Aktorvorrichtung genau zwei Antriebselektroden 12a und 12b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Actuator device exactly two drive electrodes 12a and 12b. It is noted, however, that a formability of the sensor and / or
Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Antriebselektroden 12a und 12b beschränkt ist. Außerdem ist die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b Teil einer Aktoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, (jeweils) ein Spannungssignal UAa und UAb zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anzulegen. Dazu ist mindestens eine Actuator device is not limited to a certain number of drive electrodes 12a and 12b. In addition, the at least one drive electrode 12a and 12b is part of an actuator device which is designed to apply (in each case) a voltage signal UAa and UAb between the seismic mass 10 and the at least one drive electrode 12a and 12b. This is at least one
Elektronikkomponente 16 der Aktoreinrichtung auf einem ASIC 18 Electronic component 16 of the actuator device on an ASIC 18th
(anwendungsspezifische integrierte Schaltung, Application-Specific Integrated Circuit) der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung integriert.  integrated (application-specific integrated circuit, application-specific integrated circuit) of the sensor and / or actuator device.
Die Aktoreinrichtung ist zusätzlich dazu ausgelegt, dass zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anliegende Spannungssignal UAa und UAb mit einer (vorgegebenen) The actuator device is additionally designed so that voltage signal UAa and UAb present between the seismic mass 10 and the at least one drive electrode 12a and 12b have a (predetermined) voltage.
Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten Excitation frequency ω and simultaneously with a (predetermined) first
Trägerfrequenz ωΤΑ zu variieren. Dabei ist die Anregungsfrequenz ω so gewählt, dass die seismische Masse 10 die harmonische Schwingung entlang der Schwingachse 20 mit der Anregungsfrequenz ω ausführt. Die Carrier frequency ωΤΑ to vary. In this case, the excitation frequency ω is chosen so that the seismic mass 10 performs the harmonic oscillation along the oscillation axis 20 with the excitation frequency ω. The
Anregungsfrequenz ω kann insbesondere (nahezu) gleich einer  Excitation frequency ω can be (almost) equal to one
Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein. Die erste Trägerfrequenz ωΤΑ ist vorzugsweise so gewählt, dass sie deutlich größer als die Anregungsfrequenz ω und deutlich größer als die Be resonant frequency of the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20 be. The first carrier frequency ωΤΑ is preferably chosen so that it is significantly larger than the excitation frequency ω and significantly larger than the
Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist. Die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist somit eine Antwort auf die Resonant frequency of the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20 is. The harmonic vibration of the seismic mass 10 along the vibration axis 20 is thus an answer to the
Anregungsfrequenz ω, während das Variieren des Spannungssignals UAa undExcitation frequency ω, while varying the voltage signal UAa and
UAb mit der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ (nahezu) keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 hat. Fig. lb zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zum Erläutern des zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 als UAb with the first carrier frequency ωΤΑ has (almost) no influence on the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the excitation frequency ω along the vibration axis 20. Fig. 1b shows an equivalent electrical circuit diagram for explaining the between each of the drive electrodes 12a and 12b and the seismic mass 10 as
Gegenelektrode anliegenden Spannungssignals UAa und UAb. Gleichungen (Gl. la), (Gl. la'), (Gl. lb) und (Gl. lb') geben den Teil der Spannungssignale UAa und UAb an, auf welchen die seismischen Masse 10 mit der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse 20 reagiert: (Gl. la) UAa ~ UDC + UAC * cos(o)t) Counter electrode applied voltage signal UAa and UAb. Equations (Eq. La), (Eq. La '), (Eq. Lb) and (Eq. Lb') indicate the part of the voltage signals UAa and UAb on which the seismic mass 10 with the harmonic vibration along the swing axis 20 responds: (Eq la) UAa ~ U DC + U AC * cos (o) t)
(Gl. lb) UAb UDC + UAC * cos(6üt) bzw. (Gl. la') UAa ~ UDC + UAC cos(wt) (Eq lb) UAb U DC + U AC * cos (6h) or (Eq la) UAa ~ U DC + U AC cos (wt)
(Gl. lb) UAb ~ UDC— UAC * cos(o)t) wobei UDC eine Gleichspannung und UAC eine Wechselspannungsamplitude sind. (Das Variieren der Spannungssignale UAa und UAb mit der ersten (Eq. Ib) UAb ~ U DC - U AC * cos (o) t) where UDC is a DC voltage and UAC is an AC voltage amplitude. (Varying the voltage signals UAa and UAb with the first
Trägerfrequenz ωΤΑ hat keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und kann deshalb in den Gleichungen (Gl. la) und (Gl. lb) vernachlässigt werden.) Carrier frequency ωΤΑ has no influence on the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the vibration axis 20 and can therefore be neglected in the equations (Eq. La) and (Eq. Lb).)
Eine zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 herrschende Teilkraft Fa und Fb ist allgemein gegeben durch A prevailing between each of the drive electrodes 12a and 12b and the seismic mass 10 partial force Fa and Fb is generally given by
Gleichungen (Gl. 2a) und (Gl. 2b) mit: Equations (equation 2a) and (equation 2b) with:
(Gl. 2a) Fa = - * * UAa2 (Eq 2a) Fa = - * * UAa 2
(Gl. 2b) pt = ± * ?£* * UAb2 wobei x eine Position der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 angibt. (Eq 2b) pt = ± * £ * * UAb 2 where x indicates a position of the seismic mass 10 along the swinging axis 20.
Ca und Cb ist jeweils eine Kapazität eines aus der jeweiligen Antriebselektrode 12a oder 12b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Die Kapazitäten Ca und Cb der Kondensatoren sind in erster Ordnung (bei kleinen Auslenkungen aus einer Ruhelage der seismischen MasseCa and Cb are each a capacity of a capacitor formed from the respective drive electrode 12a or 12b and the seismic mass 10 as a counter electrode. The capacitances Ca and Cb of the capacitors are in the first order (with small deflections from a rest position of the seismic mass
10) annäherbar mit Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) mit: 10) can be approximated with equations (equation 3a) and (equation 3b) with:
(Gl. 3a) Ca (x)~ C0 + x * lim ^ (Eq 3a) Ca (x) ~ C 0 + x * lim ^
x=0 ox  x = 0 ox
(Gl. 3b) Cb (x) ~ C0 - x * lim In beiden Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) wird somit eine Richtungsableitung in Bewegungsrichtung x entlang der Schwingachse 20 an der Ruheposition (x = 0) der seismischen Masse 10 mitberücksichtigt. CO ist eine Ruhekapazität (bei der seismischen Masse 10 in ihrer Ruhelage x = 0), wobei angenommen werden kann, dass beide Kapazitäten Ca und Cb die gleiche Ruhekapazität CO und die gleiche Richtungsableitung aufweisen. (In Fig. lb deutet eine Richtung der Pfeile eine gegenphasige Veränderung der Kapazitäten Ca und Cb an.) (Equation 3b) Cb (x) ~ C 0 - x * lim In both equations (Eq.3a) and (Eq.3b), a directional derivative in the direction of movement x along the oscillating axis 20 at the rest position (x = 0) of the seismic mass 10 is thus taken into account. CO is a quiescent capacity (at the seismic mass 10 in its rest position x = 0), wherein it can be assumed that both capacitances Ca and Cb have the same rest capacity CO and the same directional derivative. (In Fig. 1b, a direction of the arrows indicates an opposite phase change of the capacitances Ca and Cb.)
Für die Antriebselektroden 12a und 12b können wahlweise Kamm- oder For the drive electrodes 12a and 12b may optionally comb or
Plattenelektroden verwendet werden. Sofern die Antriebselektroden 12a und 12b Plattenelektroden sind, ist die oben angegebene Taylorentwicklung notwendig. Bei einer Ausbildung der Antriebselektroden 12a und 12b als je eine Plate electrodes are used. If the drive electrodes 12a and 12b are plate electrodes, the above Taylor development is necessary. In an embodiment of the drive electrodes 12a and 12b as one each
Kammelektrode, wie in Fig. la dargestellt, ist eine Richtungsableitung nach Gleichung (Gl. 4) gegeben durch: Comb electrode, as shown in Figure la, a directional derivative according to equation (equation 4) is given by:
wobei ε die Dielektrizitätskonstante, b eine Breite der jeweiligen Kammelektrode, h eine Länge der jeweiligen Kammelektrode und g eine Luftspaltbreite zwischen zwei benachbarten Kämmen der jeweiligen Kammelektrode sind. where ε is the dielectric constant, b is a width of the respective comb electrode, h is a length of the respective comb electrode, and g is an air gap width between two adjacent combs of the respective comb electrode.
Eine aus den Teilkräften Fa und Fb resultierende Gesamtkraft F lässt sich somit nach Gleichung (Gl. 5) schreiben mit: A total force F resulting from the partial forces Fa and Fb can thus be written according to equation (equation 5) with:
(Gl. 5) F = Fa - Fb = k (UAa2 - UAb2) ~ 2k UAC UDC cos(wt) = (Eq 5) F = Fa - Fb = k (UAa 2 - UAb 2 ) ~ 2k U AC U DC cos (wt) =
= F * cos(o)t)  = F * cos (o) t)
Eine Kapazitätsänderung dC proportional zur mechanischen Bewegung der seismischen Masse 10 ist über eine Differenz der Kapazitäten Ca und Cb definierbar in Gleichung (Gl. 6) mit: A capacitance change dC proportional to the mechanical movement of the seismic mass 10 is definable via a difference of the capacitances Ca and Cb in equation (equation 6) with:
(Gl. 6) dC = Ca(x) - Cb(x) An den Antriebselektroden 12a und 12b liegen die Summen der Gleichungen (Gl. la+lb) und (Gl. la'+lb') und die in den Gleichungen (Gl. 7a) und (Gl. 7b) definierten„Trägersignale" an mit: (Equation 6) dC = Ca (x) -Cb (x) The sums of the equations (Eq. La + lb) and (Eq. La '+ lb') and the "carrier signals" defined in the equations (Eq. 7a) and Eq. (7b) are connected to the drive electrodes 12a and 12b :
(Gl. 7a) UAa ~ 0 * cos(a)TA * t) (Equation 7a) UAa ~ 0 * cos (a) TA * t)
(Gl. 7b) UAb ~ 0 * cos(o)TA * t + φ) (Equation 7b) UAb ~ 0 * cos (o) TA * t + φ)
, wobei φ gibt eine Phasenverschiebung angibt. Die Phasenverschiebung φ ist idealerweise 180°, so dass der Trägerstrom bei der Strommessung maximal unterdrückt ist. Bei reiner Sensierung liegt somit nur der Träger an. , where φ indicates a phase shift. The phase shift φ is ideally 180 °, so that the carrier current is maximally suppressed in the current measurement. With pure sensing thus only the carrier is on.
Für ein Stromsignal/einen Stromfluss I an der seismischen Masse 10 gilt somit Gleichung (Gl. 8) mit: For a current signal / a current flow I at the seismic mass 10, equation (equation 8) with:
„Λ dQ d(Ca*UAa+Cb*UAb) " Λ dQ d (Ca * UAa + Cb * UAb)
(Gl. 8) /(t) = d7t = dt  (Eq. 8) / (t) = d7t = dt
Q gibt eine Ladung an der seismischen Masse 10 an. (Um eine mechanische Bewegung durch eine Strommessung an einer Gegenelektrode zu erfassen, ist es ausreichend, die Gegenelektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen.)Q indicates a charge on the seismic mass 10. (In order to detect a mechanical movement by a current measurement at a counter electrode, it is sufficient to apply a voltage to the counter electrode.)
Eine (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I, welche mit einer analogen und/oder digitalen Elektronik (wie insbesondere einem An (optional) temporal integration of the current signal I, which with an analog and / or digital electronics (such as in particular a
Operationsverstärker) realisierbar ist, führt somit zu Gleichung (Gl. 9) mit: (Gl. 9) U (Ca - Cb) = 0 dC wobei dC nach Gleichung (Gl. 10) annäherbar ist mit: 9) with: (equation 9) U (Ca - Cb) = 0 dC where dC can be approximated by equation (equation 10) with:
(Gl. 10) dC ~ sin(60 * t + ϋ) (Equation 10) dC ~ sin (60 * t + ϋ)
$ gibt eine Phasenverschiebung an. $ indicates a phase shift.
Eine harmonische Schwingung stellt somit in der Detektion eine sinusförmige Bewegung dar, und führt (bei einem Einsetzen in die Gleichung (Gl. 8)) zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I. Eine Bewegungsinformation bezüglich einer Ausführung der gewünschten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 liegt damit in sogenannten ersten Seitenbändern der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) bzw. (coTa + ω). A harmonic oscillation thus represents a sinusoidal movement in the detection and leads (when inserted into the equation (equation 8)) to an amplitude-modulated current signal I. A movement information with respect to an execution of the desired harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20 is thus in so-called first sidebands of the first carrier frequency ωΤΑ at the frequencies (ωΤΑ - ω) and (coTa + ω).
Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat deshalb eine Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22, welche dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I (bzw. durch Auswertung des Stromsignals I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 zu überprüfen und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 zu ermitteln. Dabei nutzt die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 aus, dass eine Kraftwirkung der Spannungssignale UAa und UAb bei der Anregungsfrequenz ω liegt, eine Bewegungsinformation bzgl. einer Ausführung der gewünschten harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 jedoch in den ersten Seitenbändern der ersten The sensor and / or actuator device therefore has an evaluation and / or control device 22 which is designed, taking into account the current signal I measured at the seismic mass 10 (or by evaluating the current signal I), the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the excitation frequency ω along the vibration axis 20 to check and / or an amplitude, average speed and / or maximum speed of the harmonic oscillating seismic mass 10 to determine. In this case, the evaluation and / or control device 22 utilizes that a force action of the voltage signals UAa and UAb is at the excitation frequency ω, a movement information regarding execution of the desired harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the excitation frequency ω along the oscillation axis 20, however the first sidebands of the first
Trägerfrequenz ωΤΑ bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω) liegt. Dies erlaubt eine eindeutige Trennung von der zum Antreiben der seismischen Masse 10 genutzten Anregungsfrequenz ω und der resultierenden Antwort der seismischen Masse 10 bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω). Carrier frequency ωΤΑ at the frequencies (ωΤΑ - ω) and (ωΤΑ + ω) is. This allows a clear separation from the excitation frequency ω used to drive the seismic mass 10 and the resulting response of the seismic mass 10 at the frequencies (ωΤΑ-ω) and (ωΤΑ + ω).
Die (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I führt zu gleichen The (optional) time integration of the current signal I leads to the same
Amplituden bei den Seitenbändern (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω), was häufig für eine spätere Demodulation von Vorteil ist. Wertet man jedoch nur ein Seitenband (ωΤΑ - ω) oder (ωΤΑ + ω) aus, so ist die zeitliche Integration des Stromsignals I oft nicht notwendig. Amplitudes at the sidebands (ωΤΑ - ω) and (ωΤΑ + ω), which is often advantageous for a later demodulation. However, if one evaluates only one sideband (ωΤΑ - ω) or (ωΤΑ + ω), the time integration of the current signal I is often not necessary.
Eine Überprüfung und/oder Vermessung der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Antriebsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 ist somit ohne einen Einsatz mindestens einer Antriebsdetektionselektrode möglich. Stattdessen wird lediglich das an der seismischen Masse 10 A check and / or measurement of the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the drive frequency ω along the vibration axis 20 is thus possible without the use of at least one drive detection electrode. Instead, only at the seismic mass 10th
gemessene Stromsignal I ausgewertet, um die gewünschte harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 10 zu überprüfen und/oder zu vermessen. Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine erste Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste measured current signal I evaluated to the desired harmonic vibration of the seismic mass with the excitation frequency ω along the vibration axis 10 to check and / or to measure. For example, the evaluation and / or control device 22 may be configured to have a first carrier frequency intensity of the first carrier frequency ωΤΑ in the measured current signal I and at least one first
Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω Sideband intensity of at least one of the excitation frequency ω
verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Danach kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 anhand eines Vergleichs der ersten shifted first sideband of the first carrier frequency ωΤΑ in the measured current signal I to determine. Thereafter, the evaluation and / or control device 22 based on a comparison of the first
Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Carrier frequency intensity with the at least one first sideband intensity, the harmonic oscillation of the seismic mass 10 with the
Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 überprüfen und/oder dieCheck excitation frequency ω along the swing axis 20 and / or the
Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 ermitteln. Diese Vorgänge sind auch mit einer kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden Determine amplitude, mean velocity and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass 10. These processes are also with a cost-effective and low space requirement
Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 möglich. Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit problemlos auf dem ASIC 18 integriert werden.Evaluation and / or control device 22 possible. The evaluation and / or control device 22 can thus be easily integrated on the ASIC 18.
Außerdem können herkömmliche Pads zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden. Ebenso können Bond-Drähte zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden, was zur zusätzlichen Reduktion von Kosten und zur zusätzlichen Vermeidung von parasitären Kapazitäten beiträgt. In addition, conventional pads can be saved between the components 10, 12a and 12b and the ASIC 18. Likewise, bonding wires between the components 10, 12a and 12b and the ASIC 18 can be saved, which contributes to the additional reduction of costs and to the additional avoidance of parasitic capacitances.
In der Ausführungsform der Fig. la bis ld ist die Sensor- und/oder In the embodiment of Figs. La to ld is the sensor and / or
Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 ausgerichteten (ersten) sensitiven Achse festzustellen. (Die (erste) sensitiveActuator additionally designed to determine a (first) deflection movement of the seismic mass 10 along a direction perpendicular to the swing axis 20 aligned (first) sensitive axis. (The (first) sensitive
Achse ragt beispielsweise aus der Zeichenebene der Fig. la senkrecht heraus.) Dazu umfasst die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b. Vorzugsweise liegt die mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen (ersten) For example, the axis protrudes vertically out of the plane of the drawing in FIG. 1.) For this purpose, the sensor and / or actuator device comprises at least one (first) detection electrode 24a and 24b. Preferably, the at least one (first) detection electrode 24a and 24b is located toward the seismic mass 10 such that a distance between the seismic mass 10 and the single (first)
Detektionselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b während der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder  Detection electrode or a respective distance between the seismic mass 10 and each of the (first) detection electrodes 24a and 24b during the (first) deflection movement of the seismic mass 10 along the (first) sensitive axis varies harmonically. The sensor and / or
Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n (erste) Detektionselektroden 24a und 24b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n (erste) Detektionselektroden 24a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n (erste) Actuator device can in particular 2n (first) detection electrodes 24a and 24b, where n is a natural number and n (first) detection electrodes 24a are on a first side of the seismic mass, and n (first)
Detektionselektroden 24b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. Typischerweise schwingt die seismische Masse 10 gegenphasig in Bezug zu den 2n (ersten) Detection electrodes 24b are arranged on a second side of the seismic mass 10 directed away from the first side. Typically, the seismic mass 10 vibrates in anti-phase with respect to the 2n (first)
Detektionselektroden 24a und 24b. In der Ausführungsform der Fig. la bis ld weist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung genau zwei (erste)  Detection electrodes 24a and 24b. In the embodiment of FIGS. 1 a to 1 d, the sensor and / or actuator device has exactly two (first)
Detektionselektroden 24a und 24b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b beschränkt ist. Detection electrodes 24a and 24b. It should be noted, however, that a formability of the sensor and / or actuator device is not limited to a certain number of (first) detection electrodes 24a and 24b.
Auch zum Erkennen/Vermessen der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann das Trägerfrequenz-Verfahren genutzt werden. Dazu ist die Aktoreinrichtung derart ausgelegt, dass mittels der Aktoreinrichtung ein zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen (ersten) Also for detecting / measuring the (first) deflection movement of the seismic mass 10, the carrier frequency method can be used. For this purpose, the actuator device is designed such that by means of the actuator device between the seismic mass 10 and the at least one (first)
Detektionselektrode 24a und 24b anliegendes Wechselspannungssignal UCa und UCb mit einer (vorgegebenen) zweiten Trägerfrequenz coTC variierbar ist. Fig. lc zeigt eine geeignete Verschaltung. Detection electrode 24a and 24b applied AC voltage signal UCa and UCb with a (predetermined) second carrier frequency coTC is variable. Fig. Lc shows a suitable interconnection.
Auch die zweite Trägerfrequenz coTC kann viel höher als die Anregungsfrequenz ω und viel höher als die Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein, und hat somit keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20. Also, the second carrier frequency coTC may be much higher than the excitation frequency ω and much higher than the resonance frequency of the harmonic of the seismic mass 10 along the swing axis 20, and thus has no influence on the harmonic vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20.
Eine Kapazitätsänderung dCc von Kapazitäten Cca und Ccb zweier jeweils aus einer der (ersten) Detektionselektroden 24a oder 24b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensatoren kann somit (analog zu Gleichung (Gl. 10)) mit Gleichung (Gl. 11) angenähert werden mit: A capacitance change dCc of capacitances Cca and Ccb of two capacitors each formed from one of the (first) detection electrodes 24a or 24b and the seismic mass 10 as the counterelectrode can thus be approximated by equation (equation 11) (analogous to equation (equation 10)) With:
(Gl. 11) dCc ~ sin(6ü * t + χ) χ gibt eine Phasenverschiebung an. Damit führt auch die zweite Trägerfrequenz coTC zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I und zu einer weiteren (Equation 11) dCc ~ sin (6ü * t + χ) χ indicates a phase shift. Thus, the second carrier frequency coTC leads to an amplitude-modulated current signal I and to another
Bewegungsinformation in den sogenannten zweiten Seitenbändern der zweiten Trägerfrequenz coTC bei den Frequenzen (coTC - ω) und (coTC + ω). Movement information in the so-called second sidebands of the second carrier frequency coTC at the frequencies (coTC - ω) and (coTC + ω).
Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit auch dazu verwendet werden, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse festzustellen. Es ist zur Verwendung des The evaluation and / or control device 22 can thus also be used to determine, taking into account the current signal I measured at the seismic mass 10, the (first) deflection movement of the seismic mass 10 along the (first) sensitive axis. It is for use of the
Stromsignals I sowohl für die Überprüfung/Vermessung der harmonischenCurrent signal I for both the verification / measurement of harmonic
Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und der Überprüfung/Vermessung der (ersten) Auslenkbewegung entlang der (ersten) sensitiven Achse ausreichend, lediglich die erste Trägerfrequenz ωΤΑ und die zweite Trägerfrequenz coTC unterschiedlich zu wählen. Insbesondere können die Trägerfrequenzen ωΤΑ und coTC so gewählt werden, dass sich die Vibration of the seismic mass 10 along the swing axis 20 and the Verification / measurement of the (first) deflection movement along the (first) sensitive axis sufficient to select only the first carrier frequency ωΤΑ and the second carrier frequency coTC different. In particular, the carrier frequencies ωΤΑ and coTC can be chosen such that the
resultierenden Seitenbänder nicht überlappen. Das Stromsignal I kann danach für beide Auswerteverfahren genutzt werden. Optional kann das Stromsignal I wieder (digital und/oder analog) demoduliert werden und weiter verarbeitet werden. resulting sidebands do not overlap. The current signal I can then be used for both evaluation methods. Optionally, the current signal I can again be demodulated (digitally and / or analogously) and further processed.
Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine zweite For example, the evaluation and / or control device 22 may be configured to have a second carrier frequency intensity of the second carrier frequency coTC in the measured current signal I and at least one second
Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω Sideband intensity of at least one of the excitation frequency ω
verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität kann danach eine Information bezüglich der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden. shifted second sideband of the second carrier frequency coTC in the measured current signal I to determine. Based on a comparison of the second carrier frequency intensity with the at least one second sideband intensity, information relating to the (first) deflection movement of the seismic mass 10 can then be determined and output.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der ersten sensitiven Achse ausgerichteten zweiten sensitiven Achse 26 As an advantageous development, the sensor and / or actuator device can additionally be designed to provide a second deflection movement of the seismic mass 10 along a second sensitive axis 26 aligned perpendicular to the vibration axis 20 and perpendicular to the first sensitive axis
festzustellen. Dies ist leicht realisierbar, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse 10 und mindestens einer (nicht dargestellten) zweiten Detektionselektrode anliegendes determine. This is easily realizable by the actuator device to do so is designed, an applied between the seismic mass 10 and at least one (not shown) second detection electrode
Wechselspannungssignal mit einer (vorgegebenen) dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen AC voltage signal with a (predetermined) third carrier frequency to vary, and the evaluation and / or control device 22 is designed to take into account the measured at the seismic mass 10th
Stromsignals I die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der zweiten sensitiven Achse 26 festzustellen. Bezüglich einer Ausbildung der mindestens einen zweiten Detektionselektrode wird auf die oben beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten der mindestens einen ersten Detektionselektrode 24a und 24b verwiesen. Insbesondere können eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem  Current signal I to determine the second deflection movement of the seismic mass 10 along the second sensitive axis 26. With regard to a design of the at least one second detection electrode, reference is made to the above-described possibilities of forming the at least one first detection electrode 24a and 24b. In particular, a third carrier frequency intensity of the third carrier frequency in the measured current signal I and at least one third sideband intensity of at least one third sideband of the third carrier frequency shifted by the excitation frequency .omega
gemessenen Stromsignal I ermittelt werden. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen drittenmeasured current signal I can be determined. Subsequently, based on a comparison of the third carrier frequency intensity with the at least one third
Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden. Sideband intensity information about the second deflection movement of the seismic mass 10 are set and output.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Aktor- und/oder Sensorvorrichtung auch als ein zumindest einkanaliger (kapazitiver) In a further advantageous embodiment, the actuator and / or sensor device can also be used as an at least single-channel (capacitive) device.
Drehratensensor eingesetzt werden. Bei einem derartigen Drehratensensor bewirkt eine (erste) Rotationsbewegung des Drehratensensors um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 während der harmonischen Schwingbewegung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 Rotation rate sensor can be used. In such a rotation rate sensor, a (first) rotational movement of the rotation rate sensor causes a (first) rotation axis 28 oriented perpendicular to the oscillation axis 20 and perpendicular to the (first) sensitive axis during the harmonic oscillation movement of the seismic mass 10 along the oscillation axis 20
(aufgrund einer Corioliskraft) die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse. Diese (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Anschließend kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 eine Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung um die senkrecht zu der(due to a Coriolis force) the (first) deflection movement of the seismic mass 10 along the (first) sensitive axis. This (first) deflection movement of the seismic mass 10 can be detected in the manner described above. Subsequently, the evaluation and / or control device 22 information about the (first) rotational movement about the perpendicular to the
Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 festlegen und ausgeben. Als die Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung können beispielsweise eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der (ersten) Determine and output oscillatory axis 20 and (first) axis of rotation 28 oriented perpendicular to the (first) sensitive axis. As the information regarding the (first) rotational movement, for example, a rate of rotation, an angular velocity and / or a rotational speed of the (first)
Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden. Das hier beschriebene Auswertekonzept eignet sich somit vorteilhaft für einen zumindest einkanaligen Drehratensensor. Rotational motion can be set and output. The one described here Evaluation concept is thus advantageous for an at least one-channel rotation rate sensor.
Das hier beschriebene Auswertekonzept kann entsprechend auch für einen mehrkanaligen Drehratensensor erweitert werden: Dazu kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten The evaluation concept described here can also be extended accordingly for a multi-channel rotation rate sensor. For this purpose, the evaluation and / or control device 22 can be designed to compare the third carrier frequency intensity with the at least one third one
Seitenbandintensität eine Information bezüglich einer zweiten Sideband intensity information regarding a second
Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der zweiten sensitiven Achse 26 ausgerichtete zweite Rotationsachse (gleich der ersten sensitiven Achse) festzulegen und auszugeben. Als die Information bezüglich der zweiten Rotary movement of the sensor and / or actuator device to set and output a perpendicular to the swing axis 20 and perpendicular to the second sensitive axis 26 aligned second rotation axis (equal to the first sensitive axis) and output. As the information regarding the second
Rotationsbewegung können ebenfalls eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der zweiten Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden. Rotational motion can also set and output a rate of rotation, an angular velocity and / or a rotational speed of the second rotational movement.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass bei einer Nutzung des hier beschriebenen Auswertekonzepts keine zusätzlichen It is again pointed out that when using the evaluation concept described here, no additional
Antriebsdetektionselektroden benötigt werden. Außerdem entfällt die Drive detection electrodes are needed. In addition, the deleted
Notwendigkeit, pro eingesetzter Detektionselektrode 24a und 24b entsprechend viele Wandler-Stufen in die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zu integrieren. Stattdessen ist es ausreichend, die oszillierenden Spannungen mit zumindest den zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen ωΤΑ und coTC zu oszillierenden, wobei die erste Trägerfrequenz ωΤΑ für die Detektion der harmonischen Necessity to integrate correspondingly many converter stages into the sensor and / or actuator device per inserted detection electrode 24a and 24b. Instead, it is sufficient to oscillate the oscillating voltages with at least the two different carrier frequencies ωΤΑ and coTC, wherein the first carrier frequency ωΤΑ for the detection of the harmonic
Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 verwendet wird und die mindestens eine weitere Trägerfrequenz coTC zum Nachweis der mindestens einen Auslenkbewegung eingesetzt wird. Oscillation of the seismic mass 10 along the swing axis 20 is used and the at least one further carrier frequency coTC is used to detect the at least one deflection movement.
In dem Blockschaltbild der Fig. ld ist die Auswertung des gemessenen In the block diagram of Fig. Ld is the evaluation of the measured
Stromsignals I mit optionaler Demodulation schematisch wiedergegeben. DieCurrent signal I with optional demodulation schematically reproduced. The
Operationen können mit analoger und/oder digitaler (bzw. gemischter) Elektronik durchgeführt werden. Zur zeitlichen Integration des Stromsignals kann z.B. ein Operationsverstärker/Integrator 30 verwendet werden. Zur Umwandlung des Stromsignals I in ein Spannungssignal kann mindestens ein sogenannter Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 (C-V-Wandler) eingesetzt werden. Ein Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 ist vergleichsweise kostengünstig und benötigt relativ wenig Bauraum. Operations can be performed with analog and / or digital (or mixed) electronics. For example, an operational amplifier / integrator 30 can be used for the time integration of the current signal. For converting the current signal I into a voltage signal, at least one so-called capacitance-voltage converter 32 (CV converter) can be used. One Capacitance-voltage converter 32 is relatively inexpensive and requires relatively little space.
Fig. 2a bis 2c zeigen ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen. Figs. 2a to 2c show a flow chart and coordinate systems for explaining an embodiment of the method for putting a seismic mass into harmonic oscillations.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels der oben erläuterten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ausführbar sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf einen bestimmten Typ einer mit mindestens einer seismischen Masse ausgestatteten Vorrichtung beschränkt ist. The method described below can be executed, for example, by means of the above-explained sensor and / or actuator device. It should be understood, however, that practicability of the method is not limited to any particular type of apparatus equipped with at least one seismic mass.
In einem Verfahrensschritt Sl wird ein mit einer (vorgegebenen) In a method step S1, one with a (predetermined)
Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten Excitation frequency ω and simultaneously with a (predetermined) first
Trägerfrequenz ωΤΑ variierendes Spannungssignal zwischen einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse und mindestens einer Antriebselektrode angelegt. Auf diese Weise wird die seismische Masse in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz ω entlang einer (vorgegebenen) Schwingachse versetzt. Vorzugsweise wird das zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen Antriebselektrode angelegte Spannungssignal mit einer Anregungsfrequenz ω gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse (und gleichzeitig mit der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ) variiert. Die seismische Masse kann somit gezielt derart angeregt werden, dass die seismische Masse entlang der Schwingachse mit ihrer Resonanzfrequenz harmonisch schwingt. Carrier frequency ωΤΑ varying voltage signal between an at least partially formed of an electrically conductive material formed seismic mass and at least one drive electrode. In this way, the seismic mass is placed in harmonic oscillation at the excitation frequency ω along a (predetermined) oscillating axis. Preferably, the voltage signal applied between the seismic mass and the at least one drive electrode is varied at an excitation frequency ω equal to a resonant frequency of the harmonic of the seismic mass along the swing axis (and simultaneously with the first carrier frequency ωΤΑ). The seismic mass can thus be deliberately excited in such a way that the seismic mass oscillates harmonically along its oscillating axis with its resonance frequency.
In einem Verfahrensschritt S2 wird ein Stromsignal I (als Auswertesignal) an der seismischen Masse gemessen. Als Stromsignal I wird ein Stromfluss innerhalb eines aus der mindestens einen Antriebselektrode und der seismischen Masse als Gegenelektrode gebildeten Kondensators gemessen. Der Verfahrensschritt S2 wird während des Verfahrensschritts Sl ausgeführt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S3 unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I die harmonische In a method step S2, a current signal I (as evaluation signal) is measured at the seismic mass. As a current signal I, a current flow is measured within a capacitor formed from the at least one drive electrode and the seismic mass as counterelectrode. The method step S2 is carried out during the method step S1. Subsequently, in a method step S3 taking into account the current signal I measured at the seismic mass, the harmonic
Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse ermittelt. Vibration of the seismic mass with the excitation frequency along the vibration axis checked and / or determines an amplitude, average velocity and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass.
In den Koordinatensystemen der Fig. 2b und 2c geben die Abszissen In the coordinate systems of Figs. 2b and 2c, the abscissas give
Frequenzen f (in Megahertz) wieder, mit welchen das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal variiert. Mittels der Ordinaten der Koordinatensysteme der Fig. 2b und 2c sind Intensitäten Θ der Frequenzen angezeigt. Frequencies f (in megahertz), with which the current signal measured on the seismic mass varies. By means of the ordinates of the coordinate systems of FIGS. 2b and 2c, intensities Θ of the frequencies are indicated.
Wie in Fig. 2b und 2c erkennbar ist, sind benachbart zu der ersten As can be seen in FIGS. 2b and 2c, adjacent to the first
Trägerfrequenz ωΤΑ erste Seitenbänder bei ωΤΑ - ω und ωΤΑ + ω ausgebildet. Diese ersten Seitenbänder erscheinen unter den Frequenzen ωΤΑ - ω und ωΤΑ + ω als Antwort der harmonisch schwingenden seismischen Masse auf die erste Trägerfrequenz ωΤΑ nur, sofern die seismische Masse tatsächlich die mittels des Verfahrensschritts Sl angeregte harmonische Schwingung mit der Carrier frequency ωΤΑ first sidebands at ωΤΑ - ω and ωΤΑ + ω formed. These first sidebands appear under the frequencies ωΤΑ - ω and ωΤΑ + ω in response to the harmonic oscillating seismic mass on the first carrier frequency ωΤΑ only if the seismic mass actually harmonic excited by means of the method step Sl with the
Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse ausführt. Mittels einer Excitation frequency along the swing axis performs. By means of a
Auswertung der ersten Seitenbänder der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ kann somit die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Evaluation of the first sidebands of the first carrier frequency ωΤΑ can thus the harmonic oscillation of the seismic mass with the
Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse überprüft werden. Excitation frequency ω are checked along the swing axis.
Beispielsweise werden dazu in dem Verfahrensschritt S3 eine erste For example, in step S3, a first
Trägerfrequenzintensität 9tl der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste Seitenbandintensität 9sl mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität 9tl mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität 9sl die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft vermessen werden. Entsprechend kann auch in dem Verfahrensschritt S3 anhand des Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität 9tl mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität 9sl die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch Carrier frequency intensity 9tl of the first carrier frequency ωΤΑ in the measured current signal I and at least one first sideband intensity 9sl at least one shifted by the excitation frequency ω first sideband of the first carrier frequency ωΤΑ determined in the measured current signal I. Subsequently, on the basis of a comparison of the first carrier frequency intensity 9tl with the at least one first sideband intensity 9sl, the harmonic oscillation of the seismic mass can be measured with the excitation frequency along the oscillation axis. Correspondingly, in the method step S3, the amplitude, average, can also be determined on the basis of the comparison of the first carrier frequency intensity 9tl with the at least one first sideband intensity 9sl Speed and / or maximum speed of the harmonious
schwingenden seismischen Masse ermittelt werden. oscillating seismic mass can be determined.
Als optionale Weiterbildung weist das hier beschriebene Verfahren auch weitere (optionale) Verfahrensschritte S4 und S5 auf, in welchen eine erste As an optional further development, the method described here also comprises further (optional) method steps S4 and S5, in which a first
Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse detektiert wird. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S4 ein mit einer zweiten Trägerfrequenz coTC variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode angelegt. (Der Verfahrensschritt S4 wird während des Verfahrensschritts Sl ausgeführt.)  Deflection movement of the seismic mass along a perpendicular to the swing axis aligned first axis is detected. For this purpose, in method step S4, an alternating voltage signal varying with a second carrier frequency coTC is applied between the seismic mass and at least one first detection electrode. (The method step S4 is executed during the method step S1.)
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S5 die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I festgestellt. Auch dies kann durch Ermitteln einer zweiten Trägerfrequenzintensität 9t2 der zweiten Subsequently, in a method step S5, the first deflection movement of the seismic mass along the first axis is ascertained taking into account the current signal I measured at the seismic mass. This can also be done by determining a second carrier frequency intensity 9t2 of the second
Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens einer zweiten Seitenbandintensität 9s2 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I erfolgen. Carrier frequency coTC in the measured current signal I and at least one second sideband intensity 9s2 at least one shifted by the excitation frequency ω second sideband of the second carrier frequency coTC in the measured current signal I done.
Als zusätzliche optionale Weiterbildung kann noch eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse durch Ausführen der weiteren (optionalen) Verfahrensschritte S6 und S7 detektiert werden. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S6 ein mit einer dritten Trägerfrequenz coTD variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode angelegt. Das As an additional optional further development, a second deflection movement of the seismic mass along a second axis oriented perpendicular to the oscillation axis and perpendicular to the first axis can be detected by executing the further (optional) method steps S6 and S7. For this purpose, in method step S6, an alternating voltage signal varying with a third carrier frequency coTD is applied between the seismic mass and at least one second detection electrode. The
Feststellen/Vermessen der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse erfolgt dann in dem Verfahrensschritt S7 unterDetecting / measuring the second deflection movement of the seismic mass along the second axis then takes place in the method step S7 below
Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I. Beispielsweise werden in dem Verfahrensschritt S7 eine dritte Consideration of the measured current signal at the seismic mass I. For example, in the method step S7, a third
Trägerfrequenzintensität 9t3 der dritten Trägerfrequenz coTD in dem Carrier frequency intensity 9t3 of the third carrier frequency coTD in the
gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität 9s3 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz coTD in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt. measured current signal I and at least one third sideband intensity 9s3 at least one shifted by the excitation frequency ω third Side bands of the third carrier frequency coTD determined in the measured current signal I.
Die Verfahrensschritte S4 bis S7 können z.B. zum Erkennen/Unterdrücken von unerwünschten Auslenkbewegungen der seismischen Masse ausgeführt werden. Sie eigenen sich jedoch auch zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse. Beispielsweise kann in dem Verfahrensschritt S5 eine Information bezüglich einer ersten Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität 9t2 mit der mindestens einen zweiten The method steps S4 to S7 may be e.g. for detecting / suppressing undesired deflecting movements of the seismic mass. However, they are also suitable for detecting a rotational movement of a seismic mass. For example, in method step S5, information relating to a first rotational movement of the seismic mass about a first axis of rotation aligned perpendicular to the oscillating axis and perpendicular to the first axis can be determined by comparing the second carrier frequency intensity 9t2 with the at least one second
Seitenbandintensität 9s2 festgelegt und ausgegeben werden. Entsprechend kann in dem Verfahrensschritt S7 eine Information bezüglich einer zweiten Sideband intensity 9s2 can be set and output. Accordingly, in the method step S7, information regarding a second
Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der Rotational movement of the seismic mass about a perpendicular to the
Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite Swing axis and perpendicular to the second axis aligned second
Rotationsachse anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität 9s3 bestimmt werden. Als die jeweiligen Informationen können beispielsweise mindestens eine Drehrate, mindestens eine Winkelgeschwindigkeit und/oder mindestens eine Rotation axis are determined on the basis of a comparison of the third carrier frequency intensity 9t3 with the at least one third sideband intensity 9s3. As the respective information, for example, at least one yaw rate, at least one angular velocity and / or at least one
Drehgeschwindigkeit festgelegt und ausgegeben werden. Rotation speed are set and output.
Somit schafft auch das hier beschriebene Verfahren alle Vorteile der zuvor ausgeführten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Wie durch einen Vergleich der Koordinatensysteme der Fig. 2b und 2c z.B. deutlich wird, ist die bei dem Thus, the method described here also provides all the advantages of the previously implemented sensor and / or actuator device. As can be seen by comparing the coordinate systems of Figs. 2b and 2c, e.g. becomes clear, which is in the
Experiment der Fig. 2c gelungene Unterdrückung einer Schwingung der seismischen Masse entlang einer der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 zugeordneten sensitiven Achse aufgrund der fehlenden Seitenbänder zu der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 verlässlich erkennbar. Experiment 2c successful suppression of vibration of the seismic mass along one of the third carrier frequency intensity 9t3 associated sensitive axis due to the missing sidebands to the third carrier frequency intensity 9t3 reliably recognizable.

Claims

Ansprüche claims
1. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit: einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse (10); einer Aktoreinrichtung mit mindestens einer Antriebselektrode (12a, 12b), welche dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) anliegendes Spannungssignal (UAa, UAb) mit zumindest einer Anregungsfrequenz (ω) derart zu variieren, dass die seismische Masse (10) in eine harmonische Schwingung mit der A sensor and / or actuator device comprising: a seismic mass (10) formed at least in part from an electrically conductive material; an actuator device having at least one drive electrode (12a, 12b) which is adapted to a between the seismic mass (10) and the at least one drive electrode (12a, 12b) applied voltage signal (UAa, UAb) with at least one excitation frequency (ω) such to vary that the seismic mass (10) in a harmonic oscillation with the
Anregungsfrequenz (ω) entlang einer Schwingachse (20) versetzt wird; und einer Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung eines Auswertesignals (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Excitation frequency (ω) along a swing axis (20) is offset; and an evaluation and / or control device (22), which is designed, taking into account an evaluation signal (I), the harmonic oscillation of the seismic mass with the excitation frequency (ω) along the
Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder eine Amplitude, mittlere Swing axle (20) to check and / or an amplitude, medium
Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch Speed and / or maximum speed of the harmonious
schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln; dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, das zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) anliegende Spannungssignal (UAa, UAb) mit der Anregungsfrequenz (ω) und gleichzeitig mit einer ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) zu variieren; und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung eines an der seismischen Masse (10) gemessenen to determine oscillating seismic mass (10); characterized in that the actuator device is additionally designed to apply the voltage signal (UAa, UAb) between the seismic mass (10) and the at least one drive electrode (12a, 12b) to the excitation frequency (ω) and simultaneously to a first carrier frequency (ωΤΑ ) to vary; and the evaluation and / or control device (22) is designed to take into account a measured at the seismic mass (10)
Stromsignals (I) als dem Auswertesignal (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Current signal (I) as the evaluation signal (I), the harmonic vibration of the seismic mass (10) with the excitation frequency (ω) along the Swing axle (20) to check and / or the amplitude, medium
Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch Speed and / or maximum speed of the harmonious
schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln. to determine oscillating seismic mass (10).
2. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die 2. Sensor and / or actuator device according to claim 1, wherein the
Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine erste Trägerfrequenzintensität (9tl) der ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) in dem Evaluation and / or control device (22) is adapted to a first carrier frequency intensity (9tl) of the first carrier frequency (ωΤΑ) in the
gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine erste Seitenbandintensität (9sl) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der Trägerfrequenzintensität (9tl) mit der mindestens einen Seitenbandintensität (9sl) die harmonische measured current signal (I) and at least one first sideband intensity (9sl) at least one by the excitation frequency (ω) shifted first sideband of the first carrier frequency (ωΤΑ) in the measured current signal (I) to determine, and based on a comparison of the carrier frequency intensity (9tl) with the at least one sideband intensity (9sl) the harmonic
Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Check vibration of the seismic mass (10) with the excitation frequency (ω) along the vibration axis (20) and / or the amplitude, average
Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch Speed and / or maximum speed of the harmonious
schwingenden seismischen Masse (10) zu ermitteln. to determine oscillating seismic mass (10).
3. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) ausgerichteten ersten Achse festzustellen, indem die 3. sensor and / or actuator device according to claim 1 or 2, wherein the sensor and / or actuator device is additionally designed to determine a first deflection movement of the seismic mass (10) along a perpendicular to the swing axis (20) aligned first axis, by the
Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer ersten Detektionselektrode (24a, 24b) anliegendes Actuator device is adapted to a between the seismic mass (10) and at least a first detection electrode (24a, 24b) fitting
Wechselspannungssignal (UCa, UCb) mit einer zweiten Trägerfrequenz (coTC) zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der ersten Achse festzustellen. AC voltage signal (UCa, UCb) with a second carrier frequency (coTC) to vary, and the evaluation and / or control device (22) is designed to take into account the measured at the seismic mass (10) current signal (I) the first deflection movement of seismic mass (10) along the first axis.
4. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die 4. Sensor and / or actuator device according to claim 3, wherein the
Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine zweite Trägerfrequenzintensität (9t2) der zweiten Trägerfrequenz (coTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine zweite Seitenbandintensität (9s2) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz (coTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der zweiten Evaluation and / or control device (22) is adapted to a second carrier frequency intensity (9t2) of the second carrier frequency (coTC) in the measured current signal (I) and at least one second sideband intensity (9s2) of at least one shifted by the excitation frequency (ω) second Sidebands of the second carrier frequency (coTC) in the measured current signal (I), and by comparing the second
Trägerfrequenzintensität (9t2) mit der mindestens einen zweiten Carrier frequency intensity (9t2) with the at least one second
Seitenbandintensität (9s2) eine Information bezüglich der ersten Sideband intensity (9s2) information regarding the first
Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) und/oder einer ersten Deflection movement of the seismic mass (10) and / or a first
Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse (28) festzulegen und auszugeben. Rotary movement of the sensor and / or actuator device to set and output a perpendicular to the swing axis (20) and perpendicular to the first axis aligned first rotation axis (28).
5. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse (26) festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer zweiten 5. Sensor and / or actuator device according to claim 3 or 4, wherein the sensor and / or actuator device is additionally adapted to a second deflection movement of the seismic mass (10) along a direction perpendicular to the swing axis (20) and perpendicular to the first Axis aligned to determine the second axis (26) by the actuator means is adapted to a between the seismic mass (10) and at least a second
Detektionselektrode anliegendes Wechselspannungssignal mit einer dritten Trägerfrequenz (coTD) zu variieren, und die Auswerte- und/oder Detection electrode applied AC voltage signal with a third carrier frequency (coTD) to vary, and the evaluation and / or
Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) die zweite Control device (22) is designed, taking into account the measured at the seismic mass (10) current signal (I), the second
Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der zweiten Achse (26) festzustellen. Detecting deflection movement of the seismic mass (10) along the second axis (26).
6. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die 6. Sensor and / or actuator device according to claim 5, wherein the
Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung (22) dazu ausgelegt ist, eine dritte Trägerfrequenzintensität (9t3) der dritten Trägerfrequenz (coTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine dritte SeitenbandintensitätEvaluation and / or control device (22) is adapted to a third carrier frequency intensity (9t3) of the third carrier frequency (coTD) in the measured current signal (I) and at least a third sideband intensity
(9s3) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz (coTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität (9t3) mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität (9s3) eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) und/oder einer zweiten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der zweiten Achse (26) ausgerichtete zweite Rotationsachse festzulegen und auszugeben. (9s3) of at least one third sideband of the third carrier frequency (coTD) shifted by the excitation frequency (ω) in the measured current signal (I), and a comparison of the third carrier frequency intensity (9t3) with the at least one third sideband intensity (9s3) Information relating to the second deflection movement of the seismic mass (10) and / or a second rotational movement of the sensor and / or actuator device to set and output a second axis of rotation aligned perpendicular to the swing axis (20) and perpendicular to the second axis (26).
7. Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ein Drehratensensor ist. 7. Sensor and / or actuator device according to one of claims 4 to 6, wherein the sensor and / or actuator device is a rotation rate sensor.
8. Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse (10) in harmonische Schwingungen mit den Schritten: 8. A method for putting a seismic mass (10) into harmonic oscillations, comprising the steps of:
Anlegen eines mit zumindest einer Anregungsfrequenz (ω) variierenden Applying a varying with at least one excitation frequency (ω)
Spannungssignals (UAa, UAb) zwischen der zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse (10) und mindestens einer Antriebselektrode (12a, 12b) derart, dass die seismische Masse (10) in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang einer Schwingachse (20) versetzt wird; und Voltage signal (UAa, UAb) between the at least partially formed of an electrically conductive material seismic mass (10) and at least one drive electrode (12a, 12b) such that the seismic mass (10) in a harmonic oscillation with the excitation frequency (ω) along an oscillating axis (20) is offset; and
Überprüfen der harmonischen Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) unter Berücksichtigung eines Auswertesignals (I) und/oder Ermitteln einer Amplitude, mittleren Checking the harmonic vibration of the seismic mass (10) with the excitation frequency (ω) along the vibration axis (20) taking into account an evaluation signal (I) and / or determining an amplitude, middle
Geschwindigkeit und/oder maximalen Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (I) unter Berücksichtigung des Speed and / or maximum speed of the harmonic oscillating seismic mass (I) taking into account the
Auswertesignals (I); dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Anregungsfrequenz (ω) und gleichzeitig mit einer ersten Evaluation signal (I); characterized in that with the excitation frequency (ω) and at the same time with a first
Trägerfrequenz (ωΤΑ) variierende Spannungssignal (UAa, UAb) zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) angelegt wird (Sl); ein Stromsignal (I) als das Auswertesignal (I) an der seismischen Masse (10) gemessen wird (S2); und unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) als dem Auswertesignal (I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Carrier frequency (ωΤΑ) varying voltage signal (UAa, UAb) between the seismic mass (10) and the at least one drive electrode (12a, 12b) is applied (Sl); a current signal (I) is measured as the evaluation signal (I) on the seismic mass (10) (S2); and taking into account the current signal (I) measured at the seismic mass (10) as the evaluation signal (I), the harmonic oscillation of the seismic mass (10) with the excitation frequency (ω) along the
Schwingachse (20) überprüft und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) ermittelt wird (S3). Swinging axis (20) checks and / or the amplitude, average speed and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass (10) is determined (S3).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das zwischen der seismischen Masse (10) und der mindestens einen Antriebselektrode (12a, 12b) angelegte Spannungssignal (UAa, UAb) mit einer Anregungsfrequenz (ω) gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse (10) entlang der Schwingachse (20) und gleichzeitig mit der ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) variiert wird. 9. The method according to claim 8, wherein the voltage signal (UAa, UAb) applied between the seismic mass (10) and the at least one drive electrode (12a, 12b) has an excitation frequency (ω) equal to a resonance frequency of the harmonic oscillation of the seismic mass (10 ) along the oscillating axis (20) and simultaneously with the first carrier frequency (ωΤΑ) is varied.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine erste 10. The method according to claim 8 or 9, wherein a first
Trägerfrequenzintensität (9tl) der ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens eine erste Seitenbandintensität (9sl) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz (ωΤΑ) in dem gemessenen Stromsignal (I) ermittelt werden, und anhand eines Vergleichs der ersten Carrier frequency intensity (9tl) of the first carrier frequency (ωΤΑ) in the measured current signal (I) and at least one first sideband intensity (9sl) at least one by the excitation frequency (ω) shifted first sideband of the first carrier frequency (ωΤΑ) in the measured current signal (I) determined and by comparison of the first
Trägerfrequenzintensität (9tl) mit der mindestens einen ersten Carrier frequency intensity (9tl) with the at least one first
Seitenbandintensität (9sl) die harmonische Schwingung der seismischen Masse (10) mit der Anregungsfrequenz (ω) entlang der Schwingachse (20) überprüft wird und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse (10) ermittelt wird. Sideband intensity (9sl) the harmonic vibration of the seismic mass (10) at the excitation frequency (ω) along the vibration axis (20) is checked and / or the amplitude, mean velocity and / or maximum velocity of the harmonic vibrating seismic mass (10) is determined ,
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine erste 11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein a first
Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) ausgerichteten ersten Achse detektiert wird, indem ein mit einer zweiten Trägerfrequenz (coTC) variierendes Wechselspannungssignal (UCa, UCb) zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer ersten Detektionselektrode (24a, 24b) angelegt wird (S4), und die erste Deflection movement of the seismic mass (10) along a perpendicular to the swing axis (20) aligned first axis is detected by a with a second carrier frequency (coTC) varying AC voltage signal (UCa, UCb) between the seismic mass (10) and at least a first detection electrode (24a, 24b) is applied (S4), and the first
Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der ersten Achse unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) festgestellt wird (S5). Deflection movement of the seismic mass (10) along the first axis is determined taking into account the current signal (I) measured at the seismic mass (10) (S5).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei zusätzlich eine zweite 12. The method of claim 11, wherein additionally a second
Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang einer senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse (26) detektiert wird, indem ein mit einer dritten Trägerfrequenz (coTD) variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse (10) und mindestens einer zweiten Detektionselektrode angelegt wird (S6), und die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse (10) entlang der zweitenDeflection movement of the seismic mass (10) along a perpendicular to the Swing axis (20) and second axis (26) aligned perpendicular to the first axis is detected by applying a third carrier frequency (coTD) varying AC signal between the seismic mass (10) and at least one second detection electrode (S6); second deflection movement of the seismic mass (10) along the second
Achse (26) unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse (10) gemessenen Stromsignals (I) festgestellt wird (S7). Axis (26) is determined taking into account the current signal (I) measured at the seismic mass (10) (S7).
13. Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse (10) mit den Schritten: 13. A method for detecting a rotational movement of a seismic mass (10) comprising the steps of:
Versetzen der seismischen Masse (10) in harmonische Schwingungen gemäß dem Verfahren nach Anspruch 11 oder 12; Ermitteln einer zweiten Trägerfrequenzintensität (9t2) der zweiten Displacing the seismic mass (10) into harmonic vibrations according to the method of claim 11 or 12; Determining a second carrier frequency intensity (9t2) of the second
Trägerfrequenz (coTC) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens einer zweiten Seitenbandintensität (9s2) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz (coTC) in dem gemessenen Stromsignal (I); und  Carrier frequency (coTC) in the measured current signal (I) and at least one second sideband intensity (9s2) of at least one second sideband of the second carrier frequency (coTC) shifted by the excitation frequency (ω) in the measured current signal (I); and
Festlegen und Ausgeben einer Information bezüglich einer ersten Determining and issuing information regarding a first one
Rotationsbewegung der seismischen Masse (10) um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse (28) anhand eines Vergleichs der zweiten Rotational movement of the seismic mass (10) about a perpendicular to the swing axis (20) and aligned perpendicular to the first axis of the first axis of rotation (28) based on a comparison of the second
Trägerfrequenzintensität (9t2) mit der mindestens einen zweiten Carrier frequency intensity (9t2) with the at least one second
Seitenbandintensität (9s2).  Sideband intensity (9s2).
14. Verfahren nach Anspruch 13, mit den zusätzlichen Schritten: Ermitteln einer dritten Trägerfrequenzintensität (9t3) der dritten Trägerfrequenz14. The method of claim 13, further comprising the steps of: determining a third carrier frequency intensity (9t3) of the third carrier frequency
(coTD) in dem gemessenen Stromsignal (I) und mindestens einer dritten (coTD) in the measured current signal (I) and at least one third
Seitenbandintensität (9s3) mindestens eines um die Anregungsfrequenz (ω) verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz (coTD) in dem gemessenen Stromsignal (I); und Festlegen und Ausgeben einer Information bezüglich einer zweiten Sideband intensity (9s3) of at least one third sideband of the third carrier frequency (coTD) shifted by the excitation frequency (ω) in the measured current signal (I); and Determining and outputting information regarding a second one
Rotationsbewegung der seismischen Masse (10) um eine senkrecht zu der Schwingachse (20) und senkrecht zu der zweiten Achse (26) ausgerichtete zweite Rotationsachse anhand eines Vergleichs der dritten Rotational movement of the seismic mass (10) about a perpendicular to the swing axis (20) and perpendicular to the second axis (26) aligned second axis of rotation based on a comparison of the third
Trägerfrequenzintensität (9t3) mit der mindestens einen dritten Carrier frequency intensity (9t3) with the at least one third
Seitenbandintensität (9s3).  Sideband intensity (9s3).
PCT/EP2017/056767 2016-05-10 2017-03-22 Sensor device and/or actuator device and method for causing harmonic vibrations of a seismic mass WO2017194234A1 (en)

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