WO2020169283A1 - Verfahren zum betreiben eines kapazitiven mems-sensors sowie kapazitiver mems-sensor - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines kapazitiven mems-sensors sowie kapazitiver mems-sensor Download PDF

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WO2020169283A1
WO2020169283A1 PCT/EP2020/051225 EP2020051225W WO2020169283A1 WO 2020169283 A1 WO2020169283 A1 WO 2020169283A1 EP 2020051225 W EP2020051225 W EP 2020051225W WO 2020169283 A1 WO2020169283 A1 WO 2020169283A1
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seismic mass
mems sensor
control voltage
electrical
clocked
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PCT/EP2020/051225
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Luca Valli
Andrea Visconti
Francesco Diazzi
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/008—MEMS characterised by an electronic circuit specially adapted for controlling or driving the same
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0242—Gyroscopes

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a capacitive MEMS sensor.
  • the invention also relates to a capacitive MEMS sensor.
  • the present invention is generally applicable to any capacitive MEMS sensors, the present invention is explained with reference to a MEMS sensor in the form of a gyroscope.
  • a movably arranged mass - seismic mass - is excited to vibrate by a corresponding control circuit of an application-specific integrated circuit, or ASIC for short, preferably to vibrations at the resonance frequency of the respective sensor element.
  • Electrostatic energy is transferred to the seismic mass by means of electrodes, one on the seismic mass and one stationary, which together form a capacitance.
  • a variable voltage is applied to the electrodes.
  • a clocked voltage can be used which corresponds to the resonance frequency of the vibrating seismic mass.
  • the voltage signal is provided, for example, by a high-voltage control circuit in order to increase the charge sensitivity and to enable reduced noise at low current.
  • the size of the voltage is usually higher than that provided by a network operator, so that corresponding charge pumps are used here.
  • Such a high-voltage control circuit has become known, for example, from US Pat. No. 9,006,832 B2.
  • a high-voltage MEMS system is which is compatible with low voltage semiconductor process technology is shown including a MEMS device coupled to a high voltage bias generator that uses extended voltage isolation disposed in a semiconductor substrate.
  • the system dispenses with the use of high-voltage transistors, so that special high-voltage processing steps are omitted and process costs and complexity are reduced.
  • the ability to test the MEMS is made possible by a self-test circuit that allows the bias voltage and current to be modulated, so that external high-voltage connections and associated electrostatic discharge protection circuits can be dispensed with.
  • the invention provides a method for operating a capacitive MEMS sensor, comprising the steps
  • the invention provides a capacitive MEMS sensor comprising
  • an excitation device for capacitive excitation of the seismic mass to vibrate
  • a driver device for providing a clocked electrical control voltage for the capacitive excitation of an oscillatory movement of the seismic mass by means of the excitation device
  • a compensation device with an electrical storage element which is connected to the seismic mass, and which is designed, by targeted charging and / or discharging of the electrical storage element in accordance with the cycle of the clocked electrical control voltage on the fluctuations in the electrical potential caused by the control voltage to compensate for the seismic mass.
  • the step “capacitive excitation of an oscillatory movement of the seismic mass” is to be understood in particular in the claims, preferably in the description, to initiate, excite, drive or the like of a seismic mass so that it performs an oscillatory movement.
  • one or more electrodes which are not arranged on the seismic mass interact with one or more electrodes arranged on the seismic mass.
  • the seismic mass itself can be designed as an electrode.
  • the interaction of the electrodes, on the one hand on the seismic mass, on the other hand not angeord net on the seismic mass, one or more capacitances are formed.
  • the term “capacitive excitation” is thus to be understood in particular in such a way that an oscillatory movement of the seismic mass occurs or is at least initiated by changing the one or more capacitances by means of an electrical voltage on an electrode.
  • fluctuation in relation to the electrical potential is preferably to be understood in the claims, in particular in the description, as any change in the magnitude of the electrical potential over time.
  • a fluctuation is to be understood as a decrease or increase in the electrical potential on the seismic mass.
  • the fluctuation is not to be understood exclusively as a deviation from a predetermined mean value.
  • fluctuation is therefore to be understood in the broadest sense and refers preferably in the claims, in particular in the description, to any change, deviation, variation or the like.
  • monitoring in relation to the vibratory movement of the seis mix is to be understood in the broadest sense and this refers, in particular in the claims, preferably in the description, to an at least partially continuous detection, determination, sensing or the like of the oscillatory movement describing or characterizing variables, for example, position, speed, acceleration or other temporally derived variables of the movement of the seismic mass.
  • monitoring is also to be understood in relation to the vibratory movement, particularly in the claims, preferably in the description, so that an action or the like is carried out if a predeterminable or predefined change is detected or ascertained or occurs .
  • control in relation to the phase or amplitude of the Schwingungsbe movement is, in particular in the claims, preferably in the description, an at least temporary, in particular continuous, adjustment of phase and / or amplitude to provide and / or maintain a desired, defined or to understand given vibrational motion of the seismic mass.
  • Coupled a signal in relation to the phase of the electrical control voltage is to be understood in particular in the claims, preferably in the description, as a generated signal corresponding to or with the phase of the electrical control voltage.
  • the term “couple” in relation to the phase of the electrical control voltage should in particular not be understood as a phase coupling by a phase coupler.
  • the deflectably arranged seismic mass can in particular be resiliently mounted.
  • the oscillatory movement of the seismic mass is monitored and the clocked electrical control voltage is adapted in such a way as to maintain a defined oscillatory movement of the seismic mass.
  • One of the advantages achieved with this is a simple and quick regulation of the oscillatory movement of the seismic mass that reacts to changes.
  • a phase and / or amplitude of the oscillatory movement of the seismic mass are detected and the phase and / or amplitude of the pulsed electrical control voltage are regulated to provide a defined oscillatory movement of the seismic mass.
  • the oscillatory movement of the seismic mass can be regulated in a particularly simple and reliable manner.
  • a control signal coupled with a phase of the pulsed electrical control voltage is generated, by which the targeted charging and / or discharging of the electrical storage element is initiated.
  • the charge to be compensated on the seismic mass is determined as the product of the amplitude of the oscillatory movement of the seismic mass, the size of the pulsed electrical control voltage and an actuation sensitivity of the capacitance as a function of the deflection and the charging current for the electrical storage element Product of double the resonance frequency of an oscillator of the seismic mass and the charge to be compensated.
  • the circuit device includes at least one charge pump that is connected to the seismic mass. In this way, a charge and thus a defined electrical potential can be provided on the seismic mass in a reliable manner.
  • the circuit device is designed, the electrical potential on the seismic mass to be monitored and regulated according to a specified reference voltage. This allows the electrical potential on the seismic mass to be determined in a simple manner and, if necessary, adapted.
  • the driver device for providing the clocked electrical control voltage comprises a circuit arrangement for monitoring the oscillatory movement of the seismic mass, in particular a circuit arrangement for determining changes in an amplitude and / or a phase of the oscillatory movement of the seismic mass .
  • the driver device comprises at least one amplitude regulator and / or a phase regulator for regulating the amplitude and / or the phase of the pulsed electrical control voltage to maintain a defined oscillatory movement of the seismic mass.
  • the driver device is connected to the compensation device and this is designed to transmit a control signal to the compensation device in accordance with the cycle of the electrical control voltage, the compensation device being designed for targeted charging and / or Discharge the storage element accordingly make the control signal.
  • the compensation device comprises at least one power source for charging the electrical storage element and at least one switch for discharging the electrical storage element, and wherein the at least one switch can be actuated via the control signal of the driver device.
  • the electrical storage element is designed in the form of a passive electrical storage element, in particular a capacitor. The advantage of this is a particularly inexpensive and simple storage of electrical energy.
  • the at least one current source comprises a digital-to-analog converter with a current output, which is designed to provide a plurality of selectable current generators.
  • the MEMS sensor is designed in the form of a gyroscope.
  • the advantage of this is that a particularly reliable and inexpensive gyroscope is provided.
  • Figure 1 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present
  • FIG. 3 steps of a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the MEMS sensor 1 comprises a deflectable, here resiliently mounted seismic mass 5a, which can be excited to vibrate in at least one first spatial direction and whose deflections can be capacitively detected in at least one second spatial direction.
  • the first and second spatial directions can also be identical here.
  • the MEMS sensor 1 comprises a circuit device 4 for providing a defined electrical potential on the seismic mass 5a, an excitation device comprising driver electrodes 20a, 21a for capacitive excitation of the seismic mass 5a, which are connected to counter electrodes 20b, 21b on the seismic mass 5a to an oscillatory movement with the help of a clocked electrical control voltage 10, 1 1 interaction, a driver device 2 for the provision of the clocked electrical control voltage 10, 11 and a compensation device 3 with an electrical storage element 3a.
  • the Kompensationseinrich device 3 is connected to the seismic mass 5a and designed so that this by specifically charging and / or discharging the storage element 3a according to the cycle of the clocked electrical control voltage 10, 11, the fluctuations in the electrical potential on the seismic mass 5a caused by the control voltage 10, 11 are compensated
  • the driver device 2 comprises a measuring circuit with a current / voltage converter 2a, and further electrical components 2b, 2c.
  • the driver device 2 is connected on the one hand to the driver electrodes 20a, 21a, which form corresponding capacitances with the corresponding counter-electrodes 20b, 21b on the seismic mass 5a. These serve to excite seismic mass 5a to a particularly resonant oscillation by means of a corresponding voltage.
  • the driver device 2 is also connected to measuring electrodes 22a, 23a, which together with corresponding counter-measuring electrodes 22b, 23b on the seismic mass 5a again form capacitances and which serve to determine a position or a deflection of the seismic mass 5a of the MEMS element 5 to measure or record.
  • This position or deflection information is used by a phase control device 12 and an amplitude control device 14 to generate a suitable clocked control voltage 10, 1 1 with which a defined oscillatory movement of the seismic mass 5a can be generated or maintained.
  • the amplitude control device 14 is designed to provide a variable voltage for adapting the amplitude of the oscillation of the seismic mass 5a.
  • the phase control device 12 is used to keep the oscillatory movement in a given clock before. With the aid of the amplitude control device 14 and the phase control device 12, a clocked rectangular control voltage signal 10, 11 is generated, which is applied to the electrodes 20a, 21a. In addition, the phase control device 12 provides a signal, in particular a pulse signal 12a, which is transmitted to the compensation device 3.
  • the compensation device 3 has a capacitor 3a which is connected to a digital-to-analog converter 3b with a current output.
  • the digital-to-analog converter 3b has in particular an interface for selecting power generators for charging the capacitor 3a.
  • the digital source used by the power source Analog converter 3b supplied current hereinafter referred to as l_DAC, is advantageously adapted to various parameters of the oscillator formed by seismic mass 5a and its excitation, for example to a target equilibrium amplitude movement, resonance frequency, excitation sensitivity, a quality factor or the like.
  • a switch 3c is arranged with which a discharge of the capacitor 3a is made possible. The switch 3c is controlled by the pulse signal 12a of the phase control device 12 such that the capacitor 3a is discharged synchronously with the clocked - here rectangular - control voltage for the driver electrodes 20a, 21a.
  • the circuit device 4 is designed here as a closed control loop and comprises a charge pump 4a, which is connected on the input side to an error amplifier 4c.
  • This closed control loop 4 is designed in such a way that a defined electrical potential is provided on the seismic mass 5a, which is predetermined by a reference voltage Vref.
  • Vref a reference voltage
  • the error amplifier 4c it generates a control signal for the charge pump 4a, which provides a high voltage on the seismic mass 5a of the MEMS element 5 and which receives a corresponding feedback via a voltage divider 4b and the error amplifier 4c.
  • the circuit device 4 can be designed as an open system with only one charge pump 4a.
  • driver device 2, compensation device 3 and closed control loop 4 now work together in such a way that the charge on capacitor 3a Qcg through compensation device 3 is equal to the charge Qdrive that is required to keep the potential on seismic mass 5a constant during one cycle of the control voltage to hold when the driver electrodes 20a, 21a are acted upon by the driver device 2 clocked accordingly with electrical voltage Vdrive.
  • the current I_DAC provided by the digital-to-analog converter 3b for charging the capacitor 3a can be adapted accordingly:
  • Vdrive driver control voltage in [V]
  • the capacitor 3a By closing the switch 3c in time with the electrical control voltage 10, 11, the capacitor 3a is discharged. In each case, as much charge flows from the seismic mass 5a as is applied briefly to the seismic mass 5a by an excitation pulse of the clocked control voltage.
  • the switch 3c When the switch 3c is open, that is, between two pulse signals 12a, the capacitor 3a is recharged in each case with the charge Qdrive to be expected from a control pulse of the electrical control voltage 10, 11.
  • changes in the electrical potential on the seismic mass 5a which are caused by control pulses of the electrical control voltage 10, 11, can be compensated, independently of the closed control loop 4.
  • These potential fluctuations are particularly strong when the control pulses of the electrical control voltage 10 , 11 take place at maximum deflection of the seismic mass 5a.
  • the electrical potential on the seismic mass 5a due to a control pulse of the electrical control voltage 10, 11 shows only a brief disturbance and then goes back to the target potential.
  • Figure 2 shows different forms of voltage signals at different points in a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 various signal curves are shown as voltages 101 over time 100, the representation also showing the time relationship between these signal Illustrates gradients.
  • the time profile of the voltage signal 10 for the driver electrode 20a is shown, below the time profile of the voltage signal 1 1 for the driver electrode 21a follows. Again below this, the time profile of the control signal 12a of the phase control device 12 is shown.
  • the curve of the charging voltage 13 of the capacitor 3a is shown below the curve of the control signal 12a and, in turn, below that the curve of the potential over time on the deflectable seismic mass 5a is shown.
  • the voltage signals 10, 11 have a square wave shape, each opposing one another, ie the voltage signal 10 is 180 ° out of phase with the voltage signal 11.
  • the frequency of the square-wave voltage signals 10, 11 corresponds to the resonance frequency of the seismic mass 5a.
  • the control signal 12a consists of short-term individual pulses of a certain size which correspond to each edge change of the square-wave voltage signals 10, 11.
  • the capacitor 3a is discharged with each individual pulse of the control signal 12a and recharged between these individual pulses. Accordingly, the voltage 13 on the capacitor 3a of the compensation device 3 rises in each case between the individual pulses of the control signal 12a in order to fall back to zero with each individual pulse; overall, the course of the voltage 13 is sawtooth-shaped.
  • the potential on the seismic mass 5a has a defined size, but rises “peak-shaped” with each edge change of the control signals 10 and 11. By means of the compensation device 3, the potential on the seismic mass 5a immediately falls back to its previous size, which is Darge here with the solid lines.
  • the dashed lines show the behavior of the potential on the seismic mass 5a when the compensation device 3 is switched off. In this case, the potential on the seismic mass 5a only drops substantially exponentially after a certain period of time, which is limited by the bandwidth of the closed control loop 4.
  • Figure 3 shows steps of a method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a method for operating a capacitive MEMS sensor.
  • the method here comprises the following steps.
  • a defined electrical potential is provided on a deflectably arranged seismic mass of the MEMS sensor.
  • a second step S2 there is a capacitive excitation of an oscillation movement of the seismic mass with the aid of a clocked electrical control voltage
  • step S3 fluctuations in the provided electrical potential on the seismic mass caused by the clocked electrical control voltage are compensated by targeted charging and / or discharging of an electrical storage element connected to the seismic mass according to the clock rate of the clocked electrical control voltage.
  • At least one of the embodiments of the invention has at least one of the following advantages:
  • the high-voltage control circuit does not have to undertake an immediate charge equalization via its charge pump.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors, umfassend die Schritte - Bereitstellen eines definierten elektrischen Potentials auf einer auslenkbar angeordneten seismischen Masse des MEMS-Sensors, - Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung, - Kompensieren von durch die getaktete elektrische Steuerspannung bedingten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse durch gezieltes Laden und/oder Entladen eines an die seismische Masse angeschlossenen elektrischen Speicherelements entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung.

Description

Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors sowie kapa- zitiver MEMS-Sensor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors.
Die Erfindung betrifft weiter einen kapazitiven MEMS-Sensor.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige kapazitive MEMS-Senso- ren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einen MEMS-Sensor in Form eines Gyroskops erläutert.
Stand der Technik
Bei Gyroskopen wird eine beweglich angeordnete Masse - seismische Masse - durch eine entsprechende Steuerschaltung eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises, kurz ASIC, zu Schwingungen angeregt, und zwar bevorzugt zu Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des jeweiligen Sensorelements. Mittels Elektroden, eine auf der seismischen Masse, eine stationär, die zusammen eine Ka pazität bilden, wird elektrostatische Energie auf die seismische Masse übertragen. Die Elektroden werden dabei mit einer variablen Spannung beaufschlagt. Hierzu kann beispielsweise eine getaktete Spannung verwendet werden, die der Resonanzfre quenz der schwingenden seismischen Masse entspricht.
Das Spannungssignal wird beispielsweise durch einen Hochspannungsregelkreis be reitgestellt, um die Ladungssensitivität zu erhöhen und ein reduziertes Rauschen bei niedrigem Strom zu ermöglichen. Die Größe der Spannung ist dabei üblicherweise höher als diejenige, die durch einen Netzbetreiber bereitgestellt wird, sodass hier ent sprechende Ladungspumpen zum Einsatz kommen.
Ein derartiger Hochspannungsregelkreis ist beispielsweise aus der US 9,006,832 B2 bekannt geworden. In der US 9,006,832 B2 ist ein Hochspannungs-MEMS-System, das mit der Niederspannungs-Halbleiter-Prozesstechnik kompatibel ist, gezeigt, wel ches eine MEMS-Vorrichtung umfasst, die mit einem Hochspannungs-Biasgenerator gekoppelt ist, der eine erweiterte Spannungsisolation verwendet, die in einem Halb leiter-Substrat angeordnet ist. Das System verzichtet auf den Einsatz von Hochspan nungstransistoren, so dass spezielle Hochspannungs-Verarbeitungsschritte entfallen und somit Prozesskosten und Komplexität reduziert werden. Die Prüfmöglichkeit des MEMS wird durch eine Selbsttestschaltung ermöglicht, die eine Modulation der Vor spannung und des Stroms ermöglicht, so dass externe Hochspannungsverbindungen und damit verbundene elektrostatische Entladungsschutzschaltungen entfallen kön nen.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines ka pazitiven MEMS-Sensors bereit, umfassend die Schritte
- Bereitstellen eines definierten elektrischen Potentials auf einer auslenkbar angeordneten seismischen Masse des MEMS-Sensors,
- Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung,
- Kompensieren von durch die getaktete elektrische Steuerspannung beding ten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Potentials auf der seis mischen Masse durch gezieltes Laden und/oder Entladen eines an die seis mische Masse angeschlossenen elektrischen Speicherelements entspre chend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen kapazitiven MEMS-Sen- sor bereit, umfassend
- eine auslenkbar angeordnete seismische Masse,
- eine Schaltungseinrichtung zur Bereitstellung eines definierten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse,
- eine Anregungseinrichtung zur kapazitiven Anregung der seismischen Masse zu einer Schwingungsbewegung, - eine Treibereinrichtung zur Bereitstellung einer getakteten elektrischen Steuerspannung, zum kapazitiven Anregen einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse mittels der Anregungseinrichtung, und
- eine Kompensationseinrichtung mit einem elektrischen Speicherelement, die mit der seismischen Masse verbunden ist, und die ausgebildet ist, durch gezieltes Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherelements ent sprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung die durch die Steuerspannung hervorgerufenen Schwankungen des elektrischen Po tentials auf der seismischen Masse zu kompensieren.
Unter dem Schritt„Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewegung der seismi schen Masse“ ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschrei bung eine Initiierung, Anregung, Antrieb oder dergleichen einer seismischen Masse zu verstehen, sodass diese eine Schwingungsbewegung durchführt. Hierbei wirken insbesondere eine oder mehrere Elektroden, welche nicht auf der seismischen Masse angeordnet sind, mit einer oder mehreren auf der seismischen Masse angeordneten Elektroden zusammen. Insbesondere kann hierbei die seismische Masse selbst als Elektrode ausgebildet sein. Durch das Zusammenwirken der Elektroden, einerseits auf der seismischen Masse, andererseits nicht auf der seismischen Masse angeord net, werden eine oder mehrere Kapazitäten gebildet. Der Begriff„Kapazitives Anre gen“ ist somit insbesondere derart zu verstehen, dass durch eine Veränderung der einen oder mehreren Kapazitäten mittels einer elektrischen Spannung an einer Elekt rode eine Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfolgt oder zumindest ini tiiert wird.
Unter dem Begriff„Schwankung“ in Bezug auf das elektrische Potential ist vorzugs weise in den Ansprüchen, insbesondere in der Beschreibung jedwede zeitliche Än derung der Größe des elektrischen Potentials zu verstehen. Insbesondere ist als Schwankung eine Verminderung oder Erhöhung des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse zu verstehen. Hierbei ist die Schwankung insbesondere nicht ausschließlich als Abweichung von einem vorgegebenen Mittelwert zu verstehen. Der Begriff„Schwankung“ ist somit im weitesten Sinne zu verstehen und bezieht sich vor zugsweise in den Ansprüchen, insbesondere in der Beschreibung auf jedwede Ände rung, Abweichung, Variation oder dergleichen. Unter dem Begriff„Überwachung“ in Bezug auf die Schwingungsbewegung der seis mischen Masse ist im weitesten Sinne zu verstehen und dieser bezieht sich, insbe sondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung, auf eine zumindest teilweise kontinuierliche Detektion, Ermittlung, Sensierung oder dergleichen von die Schwingungsbewegung beschreibenden oder kennzeichnenden Größen, beispiels weise von Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder anderen zeitlich abgelei teten Größen der Bewegung der seismischen Masse. Weiter ist der Begriff„Überwa chung“ ebenfalls in Bezug auf die Schwingungsbewegung insbesondere in den An sprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung so zu verstehen, dass eine Ausführung einer Aktion oder dergleichen erfolgt, falls eine vorgebbare oder vorgegebene Ände rung detektiert oder ermittelt wird beziehungsweise auftritt.
Unter dem Begriff„Regeln“ in Bezug auf Phase oder Amplitude der Schwingungsbe wegung ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschreibung eine zumindest zeitweise, insbesondere kontinuierliche Anpassung von Phase und/oder Amplitude zur Bereitstellung und/oder Aufrechterhaltung einer gewünschten, definier ten oder vorgegebenen Schwingungsbewegung der seismischen Masse zu verste hen.
Unter dem Begriff „koppeln“ eines Signals in Bezug auf die Phase der elektrischen Steuerspannung ist insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise in der Beschrei bung ein zu oder mit der Phase der elektrischen Steuerspannung korrespondierendes erzeugtes Signal zu verstehen. Unter dem Begriff„koppeln“ in Bezug auf die Phase der elektrischen Steuerspannung ist insbesondere keine Phasenkopplung durch ei nen Phasenkoppler zu verstehen.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf direkte Weise das Potential auf der seismischen Masse mittels einer entsprechenden getakteten Spannung konstant gehalten werden kann. Dies verringert die Anforderungen an den Hochspannungsre gelkreis bezüglich Bandbreite, verringert den Bauraum des kapazitiven MEMS-Sen- sors insgesamt und vermindert den Stromverbrauch. Die auslenkbar angeordnete seismische Masse kann insbesondere federnd gelagert sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Schwingungsbewegung der seis mischen Masse überwacht und die getaktete elektrische Steuerspannung derart an gepasst, um eine definierte Schwingungsbewegung der seismischen Masse aufrecht zuhalten. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine einfache und schnell auf Änderun gen reagierende Regelung der Schwingungsbewegung der seismischen Masse.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden eine Phase und/oder Amplitude der Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfasst und es werden Phase und/oder Amplitude der getakteten elektrischen Steuerspannung zur Bereit stellung einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse geregelt. Damit kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise eine Regelung der Schwingungsbewegung der seismischen Masse erfolgen.
Gemäß einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein mit einer Phase der getak teten elektrischen Steuerspannung gekoppeltes Steuersignal erzeugt, durch welches das gezielte Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherelements initiiert wird. Damit kann auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein entsprechend dem Takt gezieltes Laden und/oder Entladen bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die zu kompensierende La dung auf der seismischen Masse bestimmt als Produkt aus Amplitude der Schwin gungsbewegung der seismischen Masse, Größe der getakteten elektrischen Steuer spannung und einer Betätigungsempfindlichkeit der Kapazität in Abhängigkeit der Auslenkung und der Ladestrom für das elektrische Speicherelement als Produkt aus doppelter Resonanzfrequenz eines Oszillators der seismischen Masse und der zu kompensierenden Ladung. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine einfache Bestim mung der zu kompensierenden Ladung und des Ladestroms des Speicherelements.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Schal tungseinrichtung mindestens eine Ladungspumpe, die mit der seismischen Masse verbunden ist. Damit kann auf zuverlässige Weise eine Ladung und damit ein defi niertes elektrisches Potential auf der seismischen Masse bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist die Schal tungseinrichtung ausgebildet, das elektrische Potential auf der seismischen Masse zu überwachen und entsprechend einer vorgegebenen Referenzspannung zu regeln. Damit lässt sich auf einfache Weise das elektrische Potential auf der seismischen Masse bestimmen und gegebenenfalls anpassen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Treibereinrichtung zur Bereitstellung der getakteten elektrischen Steuerspannung eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schwingungsbewegung der seis mischen Masse, insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln von Ände rungen einer Amplitude und/oder einer Phase der Schwingungsbewegung der seis mischen Masse. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine zuverlässige Anpassung der getakteten elektrischen Steuerspannung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Treibereinrichtung zumindest einen Amplitudenregler und/oder einen Phasenregler zur Regelung von Amplitude und/der Phase der getakteten elektrischen Steuerspan nung zur Aufrechterhaltung einer definierten Schwingungsbewegung der seismi schen Masse. Einer der damit erzielten Vorteile ist eine flexible Anpassung der ge takteten elektrischen Steuerspannung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist die Trei bereinrichtung mit der Kompensationseinrichtung verbunden und diese ist ausgebil det, entsprechend dem Takt der elektrischen Steuerspannung ein Steuersignal an die Kompensationseinrichtung zu übermitteln, wobei die Kompensationseinrichtung aus gebildet ist, das gezielte Laden und/oder Entladen des Speicherelements entspre chend dem Steuersignal vorzunehmen. Vorteil hiervon ist ein schnelles, zuverlässi ges und einfaches Kompensieren von Schwankungen des Potentials auf der seismi schen Masse.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die Kompensationseinrichtung mindestens eine Stromquelle zum Aufladen des elektri schen Speicherelements und mindestens einen Schalter zum Entladen des elektri schen Speicherelements, und wobei der mindestens eine Schalter über das Steuer signal der Treibereinrichtung betätigbar ist. Vorteil hiervon ist eine einfache Imple mentierung einer Kompensationseinrichtung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors ist das elekt rische Speicherelement in Form eines passiven elektrischen Speicherelements, ins besondere eines Kondensators, ausgebildet. Vorteil hiervon ist eine besonders kos tengünstige und einfache Speicherung von elektrischer Energie möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Sensors umfasst die zumindest eine Stromquelle einen Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang, der ausgebildet ist, eine Mehrzahl von auswählbaren Stromerzeugern bereitzustellen. Vorteil hiervon ist ein zuverlässiges und schnelles Laden des Speicherelements bei gleichzeitig kostengünstigem Aufbau.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der MEMS-Sensor in Form ei nes Gyroskops ausgebildet. Vorteil hiervon ist, dass ein besonders zuverlässig be treibbares und kostengünstiges Gyroskop zur Verfügung gestellt wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus der dazugehörigen Figurenbeschrei bung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläu ternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Dabei zeigt
Figur 1 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Figur 2 verschiedene Formen von Spannungssignalen an unterschiedlichen
Stellen in einem MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung; und
Figur 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 1 sind die zur Erläuterung der Erfindung wesentlichen Komponenten eines MEMS-Sensors 1 schematisch dargestellt. Der MEMS Sensor 1 umfasst eine aus lenkbare angeordnete, hier federnd gelagerte seismische Masse 5a, die in mindes tens einer ersten Raumrichtung zu einer Schwingungsbewegung anregbar ist und deren Auslenkungen in mindestens einer zweiten Raumrichtung kapazitiv erfassbar sind. Erste und zweite Raumrichtung können hierbei auch identisch sein. Des Weite ren umfasst der MEMS-Sensor 1 eine Schaltungseinrichtung 4 zur Bereitstellung ei nes definierten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a, eine Anre gungseinrichtung, umfassend Treiberelektroden 20a, 21 a zur kapazitiven Anregung der seismischen Masse 5a, die mit Gegenelektroden 20b, 21 b auf der seismischen Masse 5a zu einer Schwingungsbewegung mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 1 1 Zusammenwirken, eine Treibereinrichtung 2 zur Bereitstel lung der getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 11 und eine Kompensations einrichtung 3 mit einem elektrischen Speicherelement 3a. Die Kompensationseinrich tung 3 ist mit der seismischen Masse 5a verbunden und so ausgebildet, dass diese durch gezieltes Laden und/oder Entladen des Speicherelements 3a entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung 10, 11 die durch die Steuer spannung 10, 1 1 hervorgerufenen Schwankungen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a kompensiert werden
Die Treibereinrichtung 2 umfasst dabei einen Messkreis mit einem Strom/Spannung- Wandler 2a, und weitere elektrische Bauelemente 2b, 2c. Die Treibereinrichtung 2 ist einerseits mit den Treiberelektroden 20a, 21a verbunden, welche mit den entspre chenden Gegenelektroden 20b, 21 b auf der seismischen Masse 5a entsprechende Kapazitäten bilden. Diese dienen dazu, mittels einer entsprechenden Spannung die seismische Masse 5a zu einer insbesondere resonanten Schwingung anzuregen. Weiter ist die Treibereinrichtung 2 mit Messelektroden 22a, 23a verbunden, die zu sammen mit entsprechenden Messgegenelektroden 22b, 23b auf der seismischen Masse 5a jeweils wieder Kapazitäten bilden und die dazu dienen, eine Position be ziehungsweise eine Auslenkung der seismischen Masse 5a des MEMS-Elements 5 zu messen oder zu erfassen. Diese Positions- oder Auslenkungsinformation wird von einer Phasensteuereinrichtung 12 und einer Amplitudensteuereinrichtung 14 genutzt, um eine geeignete getaktete Steuerspannung 10, 1 1 zu erzeugen, mit der eine defi nierte Schwingungsbewegung der seismischen Masse 5a erzeugt beziehungsweise aufrechterhalten werden kann. Hierbei ist die Amplitudensteuereinrichtung 14 ausge bildet, eine veränderbare Spannung bereitzustellen zur Anpassung der Amplitude der Schwingung der seismischen Masse 5a.
Die Phasensteuereinrichtung 12 dient dazu, die Schwingungsbewegung in einem vor gegebenen Takt zu halten. Mit Hilfe der Amplitudensteuereinrichtung 14 und der Pha sensteuereinrichtung 12 wird ein getaktetes rechteckförmiges Steuerspannungssig nal 10, 1 1 erzeugt, das an die Elektroden 20a, 21 a angelegt wird. Darüber hinaus stellt die Phasensteuereinrichtung 12 ein Signal, insbesondere ein Pulssignal 12a, bereit, welches der Kompensationseinrichtung 3 übermittelt wird.
Die Kompensationseinrichtung 3 weist einen Kondensator 3a auf, der mit einem Di gital-Analog-Wandler 3b mit Stromausgang verbunden ist. Der Digital-Analog-Wand ler 3b weist insbesondere eine Schnittstelle zur Auswahl von Stromerzeugern zum Laden des Kondensators 3a auf. Der von dem als Stromquelle fungierenden Digital- Analog-Wandler 3b gelieferte Strom, im Folgenden mit l_DAC bezeichnet, wird vor teilhafterweise an verschiedene Parameter des durch die seismische Masse 5a und deren Anregung gebildeten Oszillators angepasst, beispielsweise an eine Zielgleich gewichtsamplitudenbewegung, Resonanzfrequenz, Anregungssensitivität, einen Gü tefaktor oder dergleichen. Darüber hinaus ist ein Schalter 3c angeordnet, mit dem ein Entladen des Kondensators 3a ermöglicht wird. Der Schalter 3c wird dabei durch das Pulssignal 12a der Phasensteuereinrichtung 12 derart gesteuert, dass der Konden sator 3a synchron zu der getakteten - hier rechteckförmigen - Steuerspannung für die Treiberelektroden 20a, 21 a entladen wird.
Die Schaltungseinrichtung 4 ist hier als geschlossener Regelkreis ausgebildet und umfasst eine Ladungspumpe 4a, welche eingangsseitig mit einem Fehler-Verstärker 4c verbunden ist. Dieser geschlossene Regelkreis 4 ist so ausgebildet, dass auf der seismischen Masse 5a ein definiertes elektrisches Potential bereitgestellt wird, das durch eine Referenzspannung Vref vorgegeben wird. Wie bereits oben erwähnt wir ken dabei die Gegenelektroden 20b, 21 b auf der seismischen Masse 5a mit den Trei berelektroden 20a, 21a und die Messgegenelektroden 22b, 23b auf der seismischen Masse 5a mit den Messelektroden 22a, 23a zusammen. Der Fehlerverstärker 4c er zeugt ein Steuersignal für die Ladungspumpe 4a, die eine Hochspannung auf der seismischen Masse 5a des MEMS-Elements 5 bereitstellt und die über einen Span nungsteiler 4b und den Fehlerverstärker 4c eine entsprechende Rückmeldung erhält. Die Schaltungseinrichtung 4 kann in einer weiteren Ausführungsform als offenes Sys tem mit lediglich einer Ladungspumpe 4a ausgebildet sein.
Treibereinrichtung 2, Kompensationseinrichtung 3 und geschlossener Regelkreis 4 arbeiten nun derart zusammen, dass die Ladung auf dem Kondensator 3a Qcg durch die Kompensationseinrichtung 3 während eines Taktes der Steuerspannung gleich der Ladung Qdrive ist, die benötigt wird, um das Potential auf der seismischen Masse 5a konstant zu halten, wenn die Treiberelektroden 20a, 21 a durch die Treibereinrich tung 2 entsprechend getaktet mit elektrischer Spannung Vdrive beaufschlagt werden. Der durch den Digital-Analog-Wandler 3b bereitgestellte Strom l_DAC zur Ladung des Kondensators 3a kann dazu entsprechend angepasst werden:
Qcg = l_DAC/(fdr*2) = Qdrive = xdr*Vdrive*S_a Hierbei entspricht l_DAC = Stromstärke des Digital-Analog-Wandlers in [A],
fdr = MEMS-Resonanzfrequenz des durch die seismische Masse gebildeten Oszilla tors in [Hz],
S_a = Betätigungsempfindlichkeit Kapazität/Auslenkung in [F/m],
xdr = Amplitude der Bewegung der seismischen Masse in [m], und
Vdrive =Treibersteuerspannung in [V]
Durch Schließen des Schalters 3c im Takt der elektrischen Steuerspannung 10, 11 wird der Kondensator 3a entladen. Dabei fließt jeweils so viel Ladung von der seis mischen Masse 5a ab, wie durch einen Anregungspuls der getakteten Steuerspan nung kurzfristig zusätzlich auf die seismische Masse 5a aufgebracht wird. Bei geöff netem Schalter 3c, also zwischen zwei Pulssignalen 12a, wird der Kondensator 3a jeweils wieder aufgeladen, und zwar mit der durch einen Steuerpuls der elektrischen Steuerspannung 10, 11 zu erwartenden Ladung Qdrive. Dadurch können Änderun gen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse 5a, die durch Steuerpulse der elektrischen Steuerspannung 10, 11 bedingt sind, kompensiert werden, und zwar unabhängig vom geschlossenen Regelkreis 4. Diese Potentialschwankungen sind dann besonders stark, wenn die Steuerpulse der elektrischen Steuerspannung 10, 11 bei maximaler Auslenkung der seismischen Masse 5a erfolgen. In jedem Fall zeigt das elektrische Potential auf der seismischen Masse 5a bedingt durch einen Steuer puls der elektrischen Steuerspannung 10, 11 lediglich eine kurze Störung und geht dann zurück auf das Zielpotential.
Das Verhalten der entsprechenden Spannungen ist in der nachfolgenden Figur 2 ge zeigt.
Figur 2 zeigt verschiedene Formen von Spannungssignalen an unterschiedlichen Stellen in einem MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Er findung.
In Figur 2 sind verschiedene Signalverläufe dargestellt als Spannungen 101 über die Zeit 100, wobei die Darstellung auch die zeitliche Beziehung zwischen diesen Signal- Verläufen veranschaulicht. Im oberen Bereich ist der zeitliche Verlauf des Spannungs signals 10 für die T reiberelektrode 20a gezeigt, darunter folgt der zeitliche Verlauf des Spannungssignals 1 1 für die Treiberelektrode 21 a. Wiederum darunter ist der zeitli che Verlauf des Steuersignals 12a der Phasensteuereinrichtung 12 gezeigt. Unter halb des Verlaufs des Steuerungssignals 12a ist Verlauf der Ladespannung 13 des Kondensators 3a dargestellt und wiederum darunter ist der zeitliche Verlauf des Po tentials auf der auslenkbaren seismischen Masse 5a gezeigt. Die Spannungssignale 10, 1 1 weisen dabei rechteckförmigen Verlauf auf, wobei diese jeweils zueinander entgegengesetzt sind, d. h. das Spannungssignal 10 ist um 180° phasenverschoben zu dem Spannungssignal 1 1. Die Frequenz der rechteckförmigen Spannungssignale 10, 1 1 entspricht dabei der Resonanzfrequenz der seismischen Masse 5a.
Das Steuersignal 12a besteht aus kurzzeitigen Einzelpulsen bestimmter Größe, die zu jedem Flankenwechsel der rechteckförmigen Spannungssignale 10, 1 1 korrespon dieren. Der Kondensator 3a wird bei jedem Einzelpuls des Steuersignals 12a entla den und zwischen diesen Einzelpulsen wieder aufgeladen. Dementsprechend steigt die Spannung 13 am Kondensator 3a der Kompensationseinrichtung 3 jeweils zwi schen den Einzelpulsen des Steuersignals 12a an, um bei jedem Einzelpuls wieder auf null abzufallen; insgesamt ist der Verlauf der Spannung 13 sägezahnförmig. Das Potential auf der seismischen Masse 5a weist eine definierte Größe auf, steigt aber bei jedem Flankenwechsel der Steuersignale 10 und 1 1„peakförmig“ an. Mittels der Kompensationseinrichtung 3 fällt das Potential auf der seismischen Masse 5a sofort wieder auf seine frühere Größe ab, was hier mit den durchgezogenen Linien darge stellt ist. Die gestrichelten Linien zeigen das Verhalten des Potentials auf der seismi schen Masse 5a, wenn die Kompensationseinrichtung 3 abgeschaltet ist. In diesem Fall sinkt das Potential auf der seismischen Masse 5a erst nach einer gewissen Zeit spanne im Wesentlichen exponentiell ab, die durch die Bandbreite des geschlosse nen Regelkreises 4 beschränkt ist.
Figur 3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.
In Figur 3 ist ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors gezeigt. Das Verfahren umfasst hierbei die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen eines definierten elektrischen Po tentials auf einer auslenkbar angeordneten seismischen Masse des MEMS-Sensors.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Kapazitives Anregen einer Schwingungsbewe gung der seismischen Masse mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung,
In einem weiteren Schritt S3 erfolgt ein Kompensieren von durch die getaktete elekt rische Steuerspannung bedingten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Potentials auf der seismischen Masse durch gezieltes Laden und/oder Entladen eines an die seismische Masse angeschlossenen elektrischen Speicherelements entspre chend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zu mindest einen der folgenden Vorteile auf:
• Hochspannungsregelkreis muss keinen sofortigen Ladungsausgleich über seine Ladungspumpe vornehmen.
• Niedriger Stromverbrauch des Hochspannungsregelkreises.
• Niedrigere erforderliche Bandbreiten des Hochspannungsregelkreises.
• Einfache Herstellung.
• Kompakterer Bauraum.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi fizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven MEMS-Sensors (1 ), umfassend die Schritte
- Bereitstellen (S1) eines definierten elektrischen Potentials auf einer aus lenkbar angeordneten seismischen Masse (5a) des MEMS-Sensors (1),
- Kapazitives Anregen (S2) einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a) mit Hilfe einer getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11),
- Kompensieren (S5) von durch die getaktete elektrische Steuerspannung (10, 11) bedingten Schwankungen des bereitgestellten elektrischen Poten tials auf der seismischen Masse (5a) durch gezieltes Laden und/oder Entla den eines an die seismische Masse (5a) angeschlossenen elektrischen Speicherelements (3a) entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die Schwingungsbewegung der seismi schen Masse (5a) überwacht und die getaktete elektrische Steuerspannung (10, 11) derart angepasst wird, um eine definierte Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a) aufrechtzuhalten.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei eine Phase und/oder Amplitude der Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a) erfasst werden und wobei Phase und/oder Amplitude der getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11) zur Bereitstellung einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a) geregelt werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei ein mit einer Phase der getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11) gekoppeltes Steuersignal (12a) er zeugt wird, durch welches das gezielte Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherelements (3a) initiiert wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei die zu kompensierende La dung auf der seismischen Masse (5a) bestimmt wird als Produkt aus Amplitude der Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a), Größe der getakteten elektri schen Steuerspannung (10, 1 1 ) und einer Betätigungsempfindlichkeit der Kapazität in Abhängigkeit der Auslenkung und wobei der Ladestrom für das elektrische Spei cherelement (3a) als Produkt aus doppelter Resonanzfrequenz eines Oszillators der seismischen Masse (5a) und der zu kompensierenden Ladung bestimmt wird.
6. Kapazitiver MEMS-Sensor (1 ), umfassend
- eine auslenkbar angeordnete seismische Masse (5a),
- eine Schaltungseinrichtung (4) zur Bereitstellung eines definierten elektri schen Potentials auf der seismischen Masse (5a),
- eine Anregungseinrichtung (20a, 21 a) zur kapazitiven Anregung der seismi schen Masse (5a) zu einer Schwingungsbewegung,
- eine Treibereinrichtung (2) zur Bereitstellung einer getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11 ), zum kapazitiven Anregen (S2) einer Schwin gungsbewegung der seismischen Masse (5a) mittels der Anregungseinrich tung (20a, 21 a), und
- eine Kompensationseinrichtung (3) mit einem elektrischen Speicherelement (3a), die mit der seismischen Masse (5a) verbunden ist, und die ausgebildet ist, durch gezieltes Laden und/oder Entladen des elektrischen Speicherele ments (3a) entsprechend dem Takt der getakteten elektrischen Steuerspan nung (10, 1 1) die durch die Steuerspannung (10, 1 1) hervorgerufenen Schwankungen des elektrischen Potentials auf der seismischen Masse (5a) zu kompensieren.
7. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 6, wobei die Schaltungseinrichtung (4) min destens eine Ladungspumpe (4a) umfasst, die mit der seismischen Masse (5a) ver bunden ist.
8. MEMS-Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Schaltungsein richtung (4) ausgebildet ist (4), das elektrische Potential auf der seismischen Masse (5a) zu überwachen und entsprechend einer vorgegebenen Referenzspannung (Vref) zu regeln.
9. MEMS-Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Treibereinrich tung (2) zur Bereitstellung der getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 11 ) eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schwingungsbewegung der seismi schen Masse (5a) umfasst, insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln von Änderungen einer Amplitude und/oder einer Phase der Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a).
10. MEMS-Sensor nach Anspruch 9, wobei die Treibereinrichtung (2) zumindest einen Amplitudenregler (14) und/oder einen Phasenregler (12) zur Regelung von Amplitude und/der Phase der getakteten elektrischen Steuerspannung (10, 1 1) um fasst zur Aufrechterhaltung einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse (5a).
1 1. MEMS-Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Treibereinrich tung (2) mit der Kompensationseinrichtung (3) verbunden ist und diese ausgebildet ist, entsprechend dem Takt der elektrischen Steuerspannung (10, 1 1 ) ein Steuersig nal (12a) an die Kompensationseinrichtung (3) zu übermitteln, und wobei die Kom pensationseinrichtung (3) ausgebildet ist, das gezielte Laden und/oder Entladen des Speicherelements (3a) entsprechend dem Steuersignal (12a) vorzunehmen.
12. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 11 , wobei die Kompensationseinrichtung (3) mindestens eine Stromquelle (3b) zum Aufladen des elektrischen Speicherelements (3a) und mindestens einen Schalter (3c) zum Entladen des elektrischen Speicherele ments (3a) umfasst, und wobei der mindestens eine Schalter (3c) über das Steuer signal (12a) der Treibereinrichtung (2) betätigbar ist.
13. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das elektrische Speicherelement (3a) in Form eines passiven elektrischen Speicherelements (3a), insbesondere eines Kondensators, ausgebildet ist.
14. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die zumindest eine Stromquelle (3b) einen Digital-Analog-Wandler (3b) mit Stromausgang umfasst, der ausgebildet ist, eine Mehrzahl von auswählbaren Stromerzeugern bereitzustellen.
15. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei der MEMS-Sen sor (1) in Form eines Gyroskops ausgebildet ist.
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