DE102016223067A1 - Oscillation arrangement for an inertial sensor and inertial sensor - Google Patents

Oscillation arrangement for an inertial sensor and inertial sensor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schwingungsanordnung (1) für einen Inertialsensor, mit einer Schwingmasse (SM), welche über mindestens ein Federelement (F1, F2) schwingfähig mit mindestens einem Festlager (3) gekoppelt ist, und einer Messvorrichtung (20), welche eine Auslenkung der Schwingmasse (SM) als Messgröße bestimmt, wobei mindestens eine Stellvorrichtung (10) die Auslenkung der Schwingmasse (SM) beeinflusst, sowie einen Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung (10). Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung (10) ein elektrisches Signal (U) und stellt über das erzeugte elektrische Signal (U) eine Federkonstante des mindestens einen Federelements (F1, F2) und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung (1) ein.The invention relates to a vibration arrangement (1) for an inertial sensor, comprising a vibration mass (SM) which is coupled to at least one fixed bearing (3) via at least one spring element (F1, F2) and a measuring device (20) which deflects the oscillating mass (SM) determined as a measured variable, wherein at least one adjusting device (10) influences the deflection of the oscillating mass (SM), and an inertial sensor with such a vibration arrangement (10). In this case, the at least one adjusting device (10) generates an electrical signal (U) and sets via the generated electrical signal (U) a spring constant of the at least one spring element (F1, F2) and thus a resonant frequency of the oscillation arrangement (1).

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung.The invention is based on a vibration arrangement for an inertial sensor according to the preamble of independent claim 1. The present invention is also an inertial sensor with such a vibration arrangement.

In modernen Kraftfahrzeugen werden aktive und passive Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Rückhaltesysteme, wie z.B. Airbags, Gurtstraffer usw., sowie Systeme zur Regelung der Fahrdynamik, wie z.B. ESP, ABS usw. eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil solcher Systeme sind Inertialsensoren, welche für die Messung von Beschleunigungen und/oder von Gier- bzw. Drehraten des Kraftfahrzeugs verwendet werden und bevorzugt als mikromechanische bzw. mikroelektromechanische Sensoren ausgeführt sind. Das Hauptmessprinzip solcher mikromechanischen Inertialsensoren besteht in der Messung einer auf eine Schwingmasse wirkende Trägheitskraft. Diese Trägheitskraft wird in der Regel durch die Höhe der Auslenkung der federgelagerten Schwingmasse bestimmt. Hierbei wird häufig das Prinzip des Differentialkondensators benutzt, bei welchem eine bewegliche Schwingmasse mit festen Referenzelektroden zwei Messkapazitäten bildet. Wirkt eine Beschleunigung auf die Schwingmasse, so wird diese ausgelenkt und die Messkapazitäten ändern sich. Die Differenz der Messkapazitäten wird mittels einer elektronischen Schaltung, einem so genannten Kapazitäts-Spannungs-Wandler, in ein im Wesentlichen zur Beschleunigung proportionalen Spannungssignal gewandelt. Je nach Auslegung haben die Schwingmassen unterschiedliche mechanische Resonanzfrequenzen, wobei die einzelnen Schwingmassen in der Regel nur eine konstante Resonanzfrequenz haben. Falls äußere Vibrationen ungünstige Parameter für den Inertialsensor haben, so dass die Schwingmasse auf Resonanzfrequenz zum Schwingen gebracht wird, kann der Inertialsensor gestört werden. In ungünstigen Fällen kann die Schwingmasse einen mechanischen Schaden bekommen und den ganzen Inertialsensor außer Funktion setzen.In modern motor vehicles, active and passive safety systems, such as restraint systems, e.g. Airbags, belt tensioners, etc., as well as systems for controlling the driving dynamics, such. ESP, ABS etc. used. An essential component of such systems are inertial sensors, which are used for the measurement of accelerations and / or yaw rates or yaw rates of the motor vehicle and are preferably designed as micromechanical or microelectromechanical sensors. The main measuring principle of such micromechanical inertial sensors consists in the measurement of an inertial force acting on an oscillating mass. This inertial force is usually determined by the amount of deflection of the spring-loaded oscillating mass. In this case, the principle of the differential capacitor is frequently used, in which a movable oscillating mass with fixed reference electrodes forms two measuring capacitances. If an acceleration acts on the oscillating mass, it is deflected and the measuring capacities change. The difference in the measuring capacitance is converted by means of an electronic circuit, a so-called capacitance-voltage converter, into a voltage signal that is substantially proportional to the acceleration. Depending on the design, the oscillating masses have different mechanical resonance frequencies, with the individual oscillating masses usually only having a constant resonant frequency. If external vibrations have unfavorable parameters for the inertial sensor, so that the oscillating mass is vibrated to resonance frequency, the inertial sensor can be disturbed. In unfavorable cases, the oscillating mass may suffer mechanical damage and disable the entire inertial sensor.

Aus der DE 103 57 870 B4 ist beispielsweise ein Sensor mit einer seismischen Masse, wenigstens einem mechanischen Anschlag und mit Mitteln zur Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse und Umwandlung der detektierten Auslenkung in ein elektrisches Signal bekannt. Die Mittel zur Detektion der Auslenkung sind als Elektroden ausgebildet, welche einen kapazitiven Messfühler insbesondere nach dem Prinzip der Differentialkapazität darstellen.From the DE 103 57 870 B4 For example, a sensor with a seismic mass, at least one mechanical stop and with means for detecting a deflection of the seismic mass and conversion of the detected deflection into an electrical signal is known. The means for detecting the deflection are formed as electrodes, which constitute a capacitive measuring sensor, in particular according to the principle of differential capacity.

Aus der DE 10 2011 006 399 A1 sind eine gattungsgemäße Schwingvorrichtung für einen Inertialsensor und ein Inertialsensor mit einer Schwingmasse, einer Substrataufhängung zum Aufhängen der Schwingmasse an ein Substrat und einer Federvorrichtung zum Koppeln der Schwingmasse an die Substrataufhängung bekannt. Zudem ist ein mechanisches Einstellmittel zum Einstellen einer Nichtlinearität einer Schwingung der Schwingmasse an der Federvorrichtung angeordnet. Das Einstellmittel ist eingerichtet, eine Federkonstante der Federeinrichtung einzustellen.From the DE 10 2011 006 399 A1 For example, a generic vibration device for an inertial sensor and an inertial sensor with a vibration mass, a substrate suspension for suspending the vibration mass to a substrate and a spring device for coupling the vibration mass to the substrate suspension are known. In addition, a mechanical adjusting means for adjusting a nonlinearity of vibration of the oscillating mass is arranged on the spring device. The adjusting means is arranged to set a spring constant of the spring device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor und ein korrespondierender Inertialsensor mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 haben den Vorteil, dass durch eine variable Veränderung der Federsteifigkeit mindestens eines Federelements die Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung variabel verändert werden kann. Durch eine geeignete Wahl des Gewichts und/oder des Designs einer Schwingmasse kann die Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung grob vorgegeben werden. Die variable Veränderung der Federsteifigkeit und die dadurch bewirkte variable Veränderung der Resonanzfrequenz ermöglicht im Falle einer für die Schwingmasse zu gefährlichen äußeren Vibration, die zu einer mechanischen Schädigung der Sensoranordnung führen kann, eine Erhöhung der Federsteifigkeit des mindestens einen Federelements. Eine solche gefährliche äußere Vibration kann beispielsweise durch eine Auswerte- und Steuereinheit erkannt werden, welche über eine Stellvorrichtung ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, welches Federsteifigkeit des mindestens einen Federelements erhöht. Dadurch verringert sich die Schwingungsamplitude der Schwingmasse und es stellt sich ein stabilerer Zustand des Systems ein. Zudem wird verhindert, dass die Schwingmasse mit benachbarten Komponenten kollidiert. Des Weiteren können durch die einstellbare Federsteifigkeit auch schwache Kollisionen zwischen der Schwingmasse und benachbarten Komponenten vermieden werden, welche eine Messgröße verfälschen können. Zudem kann es insbesondere bei Drehratesensoren im Falle einer äußeren Vibration, deren Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der Schwingmasse liegt, zu Signalverfälschungen kommen, weil eine Signalverarbeitungseinheit die äußeren Vibrationen als eine Drehung erkennt. Dieser Effekt kann ebenfalls durch Variieren der Federsteifigkeit und somit der Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung erkannt und vermieden werden. Somit sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor weniger abhängig von äußeren Vibrationen als die aktuell verbreiteten mikromechanischen Inertialsensoren. Es werden zwar unterschiedliche vibrationsmindernde Designmaßnahmen, wie beispielsweise Sensorfederlagerung durchgeführt, welche aber nur die Resonanzfrequenzen von einem vermeintlich gefährlichen Frequenzspektrum weg verschieden. Die herkömmlichen Inertialsensoren selbst haben aber trotzdem eine Resonanzfrequenzabhängigkeit, wodurch die Signalverfälschung bzw. eine Schädigung der korrespondierenden Schwingungsanordnungen auftreten kann.The vibration arrangement for an inertial sensor and a corresponding inertial sensor with the features of independent claims 1 and 10 have the advantage that the resonance frequency of the vibration arrangement can be variably changed by a variable change in the spring stiffness of at least one spring element. By a suitable choice of the weight and / or the design of a vibration mass, the resonant frequency of the vibration assembly can be roughly specified. The variable change of the spring stiffness and the resulting variable change in the resonance frequency makes it possible to increase the spring stiffness of the at least one spring element in the event of a dangerous external vibration to the oscillating mass, which can lead to mechanical damage to the sensor arrangement. Such a dangerous external vibration can be detected, for example, by an evaluation and control unit, which generates a corresponding electrical signal via an adjusting device, which increases the spring rigidity of the at least one spring element. This reduces the oscillation amplitude of the oscillating mass and sets a more stable state of the system. In addition, it is prevented that the oscillating mass collides with adjacent components. Furthermore, due to the adjustable spring stiffness, even weak collisions between the oscillating mass and neighboring components can be avoided, which can falsify a measured variable. In addition, in particular in the case of rotation rate sensors, in the case of an external vibration whose frequency is close to the resonance frequency of the vibration mass, signal distortions may occur because a signal processing unit recognizes the external vibrations as one rotation. This effect can also be detected and avoided by varying the spring stiffness and thus the resonant frequency of the vibration assembly. Thus, embodiments of the inventive vibration arrangement for an inertial sensor are less dependent on external vibrations than the currently used micromechanical inertial sensors. It will indeed different vibration-reducing design measures, such as sensor spring storage performed, but only the resonance frequencies away from a supposedly dangerous frequency spectrum away. The conventional inertial sensors themselves, however, nevertheless have a resonance frequency dependency, as a result of which signal distortion or damage to the corresponding vibration arrangements can occur.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor zur Verfügung, welche eine Schwingmasse und eine Messvorrichtung umfasst. Die Schwingmasse ist über mindestens ein Federelement schwingfähig mit mindestens einem Festlager gekoppelt. Die Messvorrichtung bestimmt eine Auslenkung der Schwingmasse als Messgröße, wobei mindestens eine Stellvorrichtung die Auslenkung der Schwingmasse beeinflusst. Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung ein elektrisches Signal und stellt über das erzeugte elektrische Signal eine Federkonstante des mindestens einen Federelements und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung ein.Embodiments of the present invention provide a vibration assembly for an inertial sensor comprising an oscillating mass and a measuring device. The oscillating mass is oscillatably coupled via at least one spring element with at least one fixed bearing. The measuring device determines a deflection of the oscillating mass as a measured variable, wherein at least one adjusting device influences the deflection of the oscillating mass. In this case, the at least one adjusting device generates an electrical signal and, via the generated electrical signal, sets a spring constant of the at least one spring element and thus a resonance frequency of the oscillation arrangement.

Zudem wird ein Inertialsensor mit einer solchen Schwingungsanordnung vorgeschlagen. Der Inertialsensor kann beispielsweise als Beschleunigungssensor oder als Drehratensensor ausgeführt werden.In addition, an inertial sensor is proposed with such a vibration arrangement. The inertial sensor can be designed, for example, as an acceleration sensor or as a rotation rate sensor.

Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Airbagsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.In the present case, the evaluation and control unit can be understood as meaning an electrical device, such as a control unit, in particular an airbag control unit, which processes or evaluates detected sensor signals. The evaluation and control unit may have at least one interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based configuration, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the evaluation and control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules. Also of advantage is a computer program product with program code which is stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the evaluation when the program is executed by the evaluation and control unit.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Schwingungsanordnung für einen Inertialsensor möglich.The measures and refinements recited in the dependent claims advantageous improvements of the independent claim 1 vibration arrangement for an inertial sensor are possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Stellvorrichtung eine Spannungsquelle und einen Stellkondensator umfassen kann. Hierbei kann die Spannungsquelle eine Spannung als elektrisches Signal erzeugen und an den Stellkondensator ausgeben, welche eine Ladung des Stellkondensators bestimmen kann. So kann beispielsweise ein Ladevorgang des Stellkondensators die Federsteifigkeit erhöhen und ein Entladevorgang des Stellkondensators kann die Federsteifigkeit reduzieren.It is particularly advantageous that the at least one adjusting device can comprise a voltage source and a variable capacitor. Here, the voltage source can generate a voltage as an electrical signal and output to the variable capacitor, which can determine a charge of the variable capacitor. For example, a charging of the variable capacitor increase the spring stiffness and a discharge of the variable capacitor can reduce the spring stiffness.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann das mindestens eine Federelement als Biegefeder oder als Torsionsfeder ausgeführt werden. In an advantageous embodiment of the vibration arrangement, the at least one spring element can be designed as a spiral spring or as a torsion spring.

Dies ermöglicht eine kostengünstige und funktionssichere Umsetzung des mindestens einen Federelements.This allows a cost-effective and functionally reliable implementation of the at least one spring element.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann die Messvorrichtung mindestens eine Messkapazität umfassen, welche sich zwischen mindestens einem Messfinger, welcher an der Schwingmasse angeordnet ist, und mindestens einem Referenzfinger einer korrespondierenden Referenzstruktur ausbilden kann. Hierbei kann eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Messfingers und dem mindestens einen Referenzfinger eine Kapazitätsänderung der mindestens einen Messkapazität bewirken.In a further advantageous embodiment of the vibration arrangement, the measuring device may comprise at least one measuring capacitance, which may form between at least one measuring finger, which is arranged on the oscillating mass, and at least one reference finger of a corresponding reference structure. In this case, a relative movement between the at least one measuring finger and the at least one reference finger can bring about a change in capacitance of the at least one measuring capacitance.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Messfinger mit mehreren Referenzfingern eine differenzielle Messstruktur mit mehreren Messkapazitäten ausbilden. So kann sich beispielsweise eine erste Messkapazität zwischen einer mit den Messfingern elektrisch verbundenen ersten Messelektrode und einer mit den Referenzfingern einer ersten Referenzstruktur verbundenen ersten Referenzelektrode ausbilden. Eine zweite Messkapazität kann sich zwischen einer mit den Messfingern elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode und einer mit den Referenzfingern einer zweiten Referenzstruktur verbundenen zweiten Referenzelektrode ausbilden. Durch die Anwendung des Prinzips der Differentialkapazität können aus dem Stand der Technik bekannte und ausgereifte Auswerteverfahren eingesetzt werden, um die korrespondierende Beschleunigung bzw. Drehrate zu berechnen.In a particularly advantageous embodiment, a plurality of measuring fingers with a plurality of reference fingers can form a differential measuring structure with a plurality of measuring capacitances. For example, a first measuring capacitance may form between a first measuring electrode electrically connected to the measuring fingers and a first reference electrode connected to the reference fingers of a first reference structure. A second measuring capacitance may be formed between a second measuring electrode electrically connected to the measuring fingers and a second reference electrode connected to the reference fingers of a second reference structure. By applying the principle of differential capacity can from the State-of-the-art and mature evaluation methods are used to calculate the corresponding acceleration or rate of rotation.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Schwingungsanordnung kann die Schwingmasse zwischen zwei Federelementen eingespannt werden, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind. Hierbei können die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken gekoppelt werden, welche jeweils zwischen zwei Festlagern eingespannt werden können. Die zweiten Biegebalken können jeweils eine Elektrode bzw. Platte eines korrespondierenden Stellkondensators ausbilden, so dass die Federsteifigkeit des ersten Biegebalkens einfach über die Ladung des Stellkondensators variiert werden kann.In a further advantageous embodiment of the vibration arrangement, the oscillating mass can be clamped between two spring elements, which are each designed as a first bending beam. Here, the first bending beam can be coupled at the ends in each case with second bending beam, which can be clamped between two fixed bearings. The second bending beam can each form an electrode or plate of a corresponding variable capacitor, so that the spring stiffness of the first bending beam can be easily varied over the charge of the variable capacitor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail in the following description. In the drawing, like reference numerals designate components that perform the same or analog functions.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schwingungsanordnung für einen als Beschleunigungssensor ausgebildeten Inertialsensor. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an inventive vibration arrangement for an inertial sensor designed as an acceleration sensor.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Schwingungsanordnung 1 für einen Inertialsensor eine Schwingmasse SM, welche über mindestens ein Federelement F1, F2 schwingfähig mit mindestens einem Festlager 3 gekoppelt ist, und eine Messvorrichtung 20, welche eine Auslenkung der Schwingmasse SM als Messgröße bestimmt. Zudem beeinflusst mindestens eine Stellvorrichtung 10 die Auslenkung der Schwingmasse SM. Hierbei erzeugt die mindestens eine Stellvorrichtung 10 ein elektrisches Signal U und stellt über das erzeugte elektrische Signal U eine Federkonstante des mindestens einen Federelements F1, F2 und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung 1 ein.How out 1 it can be seen, the illustrated embodiment comprises a vibration arrangement 1 for an inertial sensor, an oscillating mass SM which is capable of oscillating via at least one spring element F1, F2 with at least one fixed bearing 3 coupled, and a measuring device 20 , which determines a deflection of the oscillating mass SM as a measured variable. In addition, affects at least one actuator 10 the deflection of the oscillating mass SM. In this case, the at least one adjusting device generates 10 an electrical signal U and represents via the generated electrical signal U a spring constant of the at least one spring element F1, F2 and thus a resonant frequency of the oscillation arrangement 1 one.

Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst die Messvorrichtung 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Messkapazitäten C1, C2, welche sich zwischen mehreren Messfingern MF, welcher an der Schwingmasse SM angeordnet sind, und mehreren Referenzfingern RF einer korrespondierenden Referenzstruktur RS1, RS2 ausbildet. Somit bilden die Messfinger MF mit den Referenzfingern RF eine differenzielle Messstruktur mit zwei Messkapazitäten C1, C2 aus. Die Schwingmasse SM ist zwischen zwei Federelementen F1, F2 eingespannt, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind, wobei die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken 16 gekoppelt sind, welche jeweils zwischen zwei Festlagern 3 eingespannt sind. Die Schwingmasse SM hat im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Bewegungsfreiheit in vertikaler Richtung, welche durch einen Richtungspfeil R bezeichnet ist. Die Schwingmasse SM schwingt auf den ersten Biegebalken des ersten und zweiten Federelements F1, F2. Die Schwingung und eine korrespondierende Relativbewegung zwischen den Messfingern MF und den Referenzfingern RF bewirkt eine Kapazitätsänderung der beiden Messkapazitäten C1, C2.How out 1 can be further seen, comprises the measuring device 20 in the illustrated embodiment, two measuring capacitances C1, C2, which are formed between a plurality of measuring fingers MF, which are arranged on the oscillating mass SM, and a plurality of reference fingers RF of a corresponding reference structure RS1, RS2. Thus, the measuring fingers MF with the reference fingers RF form a differential measuring structure with two measuring capacitances C1, C2. The oscillating mass SM is clamped between two spring elements F1, F2, which are each designed as a first bending beam, wherein the first bending beam at the ends in each case with second bending beam 16 are coupled, each between two fixed bearings 3 are clamped. The oscillating mass SM has in the illustrated embodiment, a freedom of movement in the vertical direction, which is indicated by a directional arrow R. The oscillating mass SM oscillates on the first bending beam of the first and second spring element F1, F2. The oscillation and a corresponding relative movement between the measuring fingers MF and the reference fingers RF causes a capacitance change of the two measuring capacitors C1, C2.

Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, bildet sich eine erste Messkapazität C1 zwischen einer mit den Messfingern MF elektrisch verbundenen ersten Messelektrode ME1 und einer mit den Referenzfingern RF einer ersten Referenzstruktur RS1 verbundenen ersten Referenzelektrode RE1 aus. Eine zweite Messkapazität C2 bildet sich zwischen einer mit den Messfingern MF elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode ME2 und einer mit den Referenzfingern RF einer zweiten Referenzstruktur RS2 verbundenen zweiten Referenzelektrode RE2 aus. Die Beschleunigung a kann dann von einer nicht dargestellten Auswerte- und Steuereinheit unter Verwendung des Zusammenhangs (1) bestimmt werden. a ≈ c 1 − c 2 c 1 + c 2

Figure DE102016223067A1_0001
How out 1 1, a first measuring capacitance C1 is formed between a first measuring electrode ME1 electrically connected to the measuring fingers MF and a first reference electrode RE1 connected to the reference fingers RF of a first reference structure RS1. A second measuring capacitance C2 is formed between a second measuring electrode ME2 electrically connected to the measuring fingers MF and a second reference electrode RE2 connected to the reference fingers RF of a second reference structure RS2. The acceleration a can then by an evaluation and control unit, not shown, using the context ( 1 ). a ≈ c 1 - c 2 c 1 + c 2
Figure DE102016223067A1_0001

Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die dargestellte Schwingungsanordnung 1 vier Stellvorrichtungen 10 auf, welche jeweils eine Spannungsquelle 12 und einen Stellkondensator CS mit zwei Elektroden 14, 16 umfassen. Hierbei bilden die zweiten Biegebalken 16 der beiden Federelemente F1, F2 jeweils eine Elektrode 16 bzw. Platte eines korrespondierenden Stellkondensators CS aus. Die Spannungsquellen 12 erzeugen jeweils eine Spannung als elektrisches Signal U und geben diese an den korrespondierenden Stellkondensator CS aus. Die ausgegebenen Spannungen bestimmen die jeweilige Ladung des korrespondierenden Stellkondensators CS. Hierbei kann ein Aufladevorgang bzw. ein Entladevorgang der vier Stellkondensatoren CS über eine Veränderung des elektrischen Signals bzw. der ausgegebenen Spannung variiert werden. Dabei erhöht ein Ladevorgang des Stellkondensators CS die Federsteifigkeit des zugehörigen Federelements F1, F2 und ein Entladevorgang des Stellkondensators CS reduziert die Federsteifigkeit des zugehörigen Federelements F1, F2. Diese Veränderung der Federsteifigkeit wird von der nicht näher dargestellten Auswerte- und Steuereinheit bei der Berechnung der gemessenen Beschleunigung berücksichtigt. Zudem kann diese Steifigkeitsveränderung der Federelemente F1, F2 in vorteilhafter Weise einen Langzeitoffsetdrift kompensieren.How out 1 can be further seen, the illustrated vibration arrangement 1 four actuators 10 on which each one voltage source 12 and a variable capacitor CS with two electrodes 14 . 16 include. Here are the second bending beam 16 the two spring elements F1, F2 each have an electrode 16 or plate of a corresponding variable capacitor CS. The voltage sources 12 each generate a voltage as an electrical signal U and give them to the corresponding variable capacitor CS off. The output voltages determine the respective charge of the corresponding variable capacitor CS. In this case, a charging process or a discharging process of the four variable capacitors CS can be varied via a change in the electrical signal or the output voltage. In this case, a charging of the variable capacitor CS increases the spring stiffness of the associated spring element F1, F2 and a discharge of the variable capacitor CS reduces the spring stiffness of the associated spring element F1, F2. This change in the spring stiffness is taken into account by the evaluation and control unit, not shown in the calculation of the measured acceleration. In addition, this change in stiffness of the spring elements F1, F2 can advantageously compensate for a long-term offset drift.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schwingungsanordnung 1, welche für einen als Beschleunigungssensor ausgeführten Inertialsensor eingesetzt werden kann. Bei einem als Drehratensensor ausgeführten Inertialsensor kann ein ähnliches Prinzip angewendet werden. Bei einem Drehratensensor kann das mindestens eine Federelement F1, F2, welche die Schwingmasse SM schwingfähig mit mindestens einem Festlager koppelt, als Torsionsfeder ausgeführt werden. 1 shows an embodiment of the vibration assembly 1 , which can be used for an inertial sensor designed as an acceleration sensor. For an inertial sensor designed as a rotation rate sensor, a similar principle can be used. In a rotation rate sensor, the at least one spring element F1, F2, which oscillates the oscillating mass SM with at least one fixed bearing, can be designed as a torsion spring.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10357870 B4 [0003]DE 10357870 B4 [0003]
  • DE 102011006399 A1 [0004]DE 102011006399 A1 [0004]

Claims (10)

Schwingungsanordnung (1) für einen Inertialsensor, mit einer Schwingmasse (SM), welche über mindestens ein Federelement (F1, F2) schwingfähig mit mindestens einem Festlager (3) gekoppelt ist, und einer Messvorrichtung (20), welche eine Auslenkung der Schwingmasse (SM) als Messgröße bestimmt, wobei mindestens eine Stellvorrichtung (10) die Auslenkung der Schwingmasse (SM) beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stellvorrichtung (10) ein elektrisches Signal (U) erzeugt und über das erzeugte elektrische Signal (U) eine Federkonstante des mindestens einen Federelements (F1, F2) und damit eine Resonanzfrequenz der Schwingungsanordnung (1) einstellt.Oscillation arrangement (1) for an inertial sensor, with an oscillating mass (SM), which is coupled to at least one fixed bearing (3) via at least one spring element (F1, F2), and a measuring device (20) which controls a deflection of the oscillating mass (SM ) is determined as a measured variable, wherein at least one adjusting device (10) influences the deflection of the oscillating mass (SM), characterized in that the at least one adjusting device (10) generates an electrical signal (U) and via the generated electrical signal (U) a spring constant of the at least one spring element (F1, F2) and thus sets a resonance frequency of the oscillation arrangement (1). Schwingungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stellvorrichtung (10) eine Spannungsquelle (12) und einen Stellkondensator (CS) umfasst, wobei die Spannungsquelle (12) eine Spannung als elektrisches Signal (U) erzeugt und an den Stellkondensator (CS) ausgibt, welche eine Ladung des Stellkondensators (CS) bestimmt.Vibration arrangement according to Claim 1 , characterized in that the at least one adjusting device (10) comprises a voltage source (12) and a variable capacitor (CS), wherein the voltage source (12) generates a voltage as an electrical signal (U) and outputs to the variable capacitor (CS), which determines a charge of the variable capacitor (CS). Schwingungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladevorgang des Stellkondensators (CS) die Federsteifigkeit erhöht und ein Entladevorgang des Stellkondensators (CS) die Federsteifigkeit reduziert.Vibration arrangement according to Claim 2 , characterized in that a charging of the variable capacitor (CS) increases the spring stiffness and a discharge of the variable capacitor (CS) reduces the spring stiffness. Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (F1, F2) als Biegefeder oder als Torsionsfeder ausgeführt ist.Vibration arrangement according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the at least one spring element (F1, F2) is designed as a spiral spring or as a torsion spring. Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) mindestens eine Messkapazität (C1, C2) umfasst, welche sich zwischen mindestens einem Messfinger (MF), welcher an der Schwingmasse (SM) angeordnet ist, und mindestens einem Referenzfinger (RF) einer korrespondierenden Referenzstruktur (RS1, RS2) ausbildet, wobei eine Relativbewegung zwischen dem mindestens einen Messfingers (MF) und dem mindestens einen Referenzfinger (RF) eine Kapazitätsänderung der mindestens einen Messkapazität (C1, C2) bewirkt.Vibration arrangement according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the measuring device (20) comprises at least one measuring capacitance (C1, C2) which is arranged between at least one measuring finger (MF), which is arranged on the oscillating mass (SM), and at least one reference finger (RF) of a corresponding reference structure (RS1, RS2) is formed, wherein a relative movement between the at least one measuring finger (MF) and the at least one reference finger (RF) causes a change in capacitance of the at least one measuring capacitance (C1, C2). Schwingungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messfinger (MF) mit mehreren Referenzfingern (RF) eine differenzielle Messstruktur mit mehreren Messkapazitäten (C1, C2) ausbilden.Vibration arrangement according to Claim 5 , characterized in that a plurality of measuring fingers (MF) with a plurality of reference fingers (RF) form a differential measuring structure with a plurality of measuring capacitances (C1, C2). Schwingungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine erste Messkapazität (C1) zwischen einer mit den Messfingern (MF) elektrisch verbundenen ersten Messelektrode (ME1) und einer mit den Referenzfingern (RF) einer ersten Referenzstruktur (RS1) verbundenen ersten Referenzelektrode (RE1) ausbildet, und sich eine zweite Messkapazität (C2) zwischen einer mit den Messfingern (MF) elektrisch verbundenen zweiten Messelektrode (ME2) und einer mit den Referenzfingern (RF) einer zweiten Referenzstruktur (RS2) verbundenen zweiten Referenzelektrode (RE2) ausbildet.Vibration arrangement according to Claim 6 , characterized in that a first measuring capacitance (C1) is formed between a first measuring electrode (ME1) electrically connected to the measuring fingers (MF) and a first reference electrode (RE1) connected to the reference fingers (RF) of a first reference structure (RS1), and a second measuring capacitance (C2) is formed between a second measuring electrode (ME2) electrically connected to the measuring fingers (MF) and a second reference electrode (RE2) connected to the reference fingers (RF) of a second reference structure (RS2). Schwingungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (SM) zwischen zwei Federelementen (F1, F2) eingespannt ist, welche jeweils als erste Biegebalken ausgeführt sind, wobei die ersten Biegebalken an den Enden jeweils mit zweiten Biegebalken (16) gekoppelt sind, welche jeweils zwischen zwei Festlagern (3) eingespannt sind.Vibration arrangement according to one of Claims 5 to 7 , characterized in that the oscillating mass (SM) between two spring elements (F1, F2) is clamped, which are each designed as a first bending beam, wherein the first bending beam at the ends in each case with second bending beam (16) are coupled, each between two Fixed bearings (3) are clamped. Schwingungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Biegebalken (16) jeweils eine Elektrode (16) eines korrespondierenden Stellkondensators (CS) ausbilden.Vibration arrangement according to Claim 8 , characterized in that the second bending beam (16) each form an electrode (16) of a corresponding variable capacitor (CS). Inertialsensor, gekennzeichnet durch eine Schwingungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Inertial sensor, characterized by a vibration arrangement (10) according to one of Claims 1 to 9 ,
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011006399A1 (en) 2011-03-30 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Oscillating device for inertial sensor, particularly micromechanical inertial sensor, has substrate suspension for suspending oscillating mass to substrate, and adjusting unit is arranged for adjusting nonlinearity of oscillation
DE10357870B4 (en) 2003-12-11 2013-02-07 Robert Bosch Gmbh Sensor with symmetrical limitation of a signal

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