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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Mikromechanische Drehratensensoren werden in vielfältigen Anwendungsbereichen wie beispielsweise im Automobilbau, in der Unterhaltungselektronik oder in Industrieanwendungen eingesetzt und eröffnen neuartige technologische Möglichkeiten wie beispielsweise Indoor-Navigation oder erweiterte Realität (augmented reality). Derartige Sensoren werden durch mikroelektromechanische Strukturen (microelectromechanical systems, MEMS) gebildet, die eine oder mehrere bewegliche Strukturen (Schwingmassen) aufweisen, die zu einer Antriebsschwingung angeregt werden und bei einer Drehung aufgrund der Corioliskraft eine senkrecht zur Antriebsschwingung verlaufende Detektionsschwingung ausführen, über die sich die anliegende Drehrate messen lässt.
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Aufgrund von Schwankungen im Fertigungsprozess, insbesondere bei der Herstellung der mikromechanischen Struktur, ergeben sich Abweichungen in den Eigenschaften und Abmessungen der Sensoren, so dass eine anschließende Kalibrierung notwendig ist, die sich deutlich in den Gesamtkosten des fertigen Produkts niederschlägt. Zudem führen weitere, über die Mikromaterialbearbeitung hinausgehende Faktoren, wie beispielsweise durch Lötprozesse erzeugte mechanische Spannungen, zu weiteren Veränderungen der mechanischen Parameter, so dass die, durch die vorher stattgefundene Kalibrierung erzeugte Anpassung nicht mehr dem optimalen Ergebnis entspricht.
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Eine der kritischen Fehlerquellen von MEMS-Drehratensensoren entsteht durch das sogenannte Quadratursignal. Die Quadratur entsteht durch eine unerwünschte Kopplung von Antriebs- und Detektionsschwingung, wie sie beispielsweise durch Abweichungen in der geometrischen Form der mikromechanischen Strukturen verursacht wird. Durch diese Kopplung entsteht eine, die Antriebsschwingung begleitende Bewegung in Detektionsrichtung, die mit der Antriebsschwingung in Phase schwingt, d.h. gegenüber der durch die Corioliskraft erzeugten Auslenkung um 90° phasenverschoben ist. Das Quadratursignal überlagert und verfälscht das durch die Corioliskraft erzeugte Messignal und muss im Allgemeinen durch die Ausleseelektronik kompensiert werden.
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In der
US 7,290,435 B2 und der
US 2014/0190258 A1 werden in diesem Zusammenhang Drehratensensoren beschrieben, bei denen die Quadratur durch ein Ausgleichssignal kompensiert wird. Derartige Methoden beruhen entweder darauf, die Kompensations-Parameter bereits bei der Herstellung festzulegen oder durch eine Rückkopplungsschleife während des Sensorbetriebs kontinuierlich anzupassen. Letztere Variante hat den Vorteil, dass die durch die Rückkopplungsschleife erzeugte Anpassung des Kompensationssignals immer optimal ist. Sie kann jedoch beim Betrieb zu Offset-Sprüngen führen oder sich mit andere Kompensationsprozessen, wie beispielsweise einer Temperaturkompensation überlagern. Wenn die Kompensationsmechanismen nicht kontinuierlich korrigiert werden, kann es dadurch zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine effiziente und zeitsparende Selbstkalibrierung durchführen lässt.
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Das Verfahren gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Selbstkalibrierung mittels sensorinterner Logik-Komponenten erfolgt, wodurch sich sowohl eine einfache und schnelle Kalibrierung als Teil des Herstellungsprozesses, als auch wiederholt durchgeführte Neukalibrierungen über die gesamte Produktlebensdauer des Sensors durchführen lassen. Auf diese Weise wird die, den Fertigungsprozess abschließende Produktprüfung verkürzt und zusätzlich die Möglichkeit für eine einfach durchzuführende Neukalibrierung geschaffen, um Veränderungen des Quadraturfehlers zu kompensieren, wie sie beispielsweise beim Verbau oder der Lötkontaktierung des Sensors oder im anschließenden Sensorbetrieb auftreten können. Die Selbstkalibrierung kann dabei durch den Nutzer initiiert werden oder auch durch eine vordefinierte Routine (beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Sensors) bzw. durch spezifische Ereignisse ausgelöst werden. Da auf diese Weise eine regelmäßige Neubestimmung der optimalen Kompensationsparameter erfolgt, wird eine hohe Leistungsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer des Sensors sichergestellt.
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Der Drehratensensor weist mindestens eine schwingfähig gelagerte Masse auf, die zu Schwingungen in mindestens zwei verschiedenen, aufeinander senkrecht stehenden Richtungen angeregt werden kann. Die Schwingung in Antriebsrichtung, im Folgenden als Antriebsschwingung bezeichnet, wird üblicherweise über von Elektrodenstrukturen erzeugte elektrostatische Felder angetrieben. Die Amplitude der Detektionsschwingung lässt sich beispielsweise mittels einer Kapazitätsmessung detektieren und in ein zur Auslenkung proportionales Rohsignal umwandeln. Das Rohsignal setzt sich zusammen, aus dem von der Corioliskraft bewirkten Signalanteil und dem Quadratursignal. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, den Quadraturanteil des Rohsignals in Form mindestens einer Quadraturkenngröße zu quantifizieren, basierend auf dieser Quadraturkenngröße Parameter zur Quadraturkompensation des Rohsignals zu ermitteln und die entsprechende Quadraturkompensation anzuwenden. Erfindungsgemäß werden diese Teilschritte von zwei verschiedenen Logik-Komponenten des Drehratensensors ausgeführt. Der analoge Schaltkreis erzeugt in einem ersten Schritt aus dem Rohsignal die Quadraturkenngröße. Die Quadraturkenngröße quantifiziert die Größe des Quadraturanteils des Rohsignals und entspricht vorzugsweise der Amplitude des Quadratursignals oder hängt mit dieser zusammen. Gemäß einer vorteilhaft einfachen Ausführungsform kann die Bestimmung beispielsweise durch eine Komparator-Schaltung geleistet werden, die beim Maximalwert des Quadratursignals getriggert wird und als Ausgabesignal das Vorzeichen des Quadratursignals liefert, das wiederum als Quadraturkenngröße dienen kann. Die Isolation des Quadratursignals aus dem Rohsignal kann beispielsweise durch einen Vergleich mit dem, die Antriebsschwingung treibenden Antriebssignal erfolgen. Während die durch die Corioliskraft getriebene Schwingung gegenüber der Antriebsschwingung um 90° phasenversetzt schwingt, erzeugen die Quadratureinflüsse eine Schwingung, die mit der Antriebsschwingung in Phase ist, so dass sich beide Signale durch ein phasenselektives Verfahren separieren lassen. Im auf die Erzeugung der Quadraturkenngröße folgenden Schritt führt die digitale Datenverarbeitungseinheit die Bestimmung eines oder mehrerer Kompensationsparameter durch (im Folgenden wird hier die Mehrzahl verwendet, womit jedoch ein einzelner Parameter implizit eingeschlossen ist). Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter algorithmisch und wird entweder durch eine verbindungsprogrammierte Steuerung oder durch einen Mikrokontroller durchgeführt. Vorzugsweise weist die digitale Datenverarbeitungseinheit hierfür einen Logik-Block auf, der im Folgenden auch als Selbstkalibrierungseinheit bezeichnet wird. Die Aufgabe der Selbstkalibrierungseinheit besteht darin, möglichst optimale Kompensationsparameter zu ermitteln, d.h. Kompensationsparameter, die eine möglichst vollständige Kompensation des Quadratursignals und eine entsprechend vollständige Korrektur des Rohsignals erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kompensationsparameter zeitlich zu variieren und jede Veränderung auf ihre Auswirkung auf die Quadraturkenngröße hin zu testen. Vorteilhafterweise kann die Dauer eines solchen Testschritts sehr kurz sein, im Extremfall so kurz wie eine Schwingungsdauer der MEMS-Struktur, da für eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine aufwändigeren Operationen und keine Analog-Digital-Umwandlung des Quadratursignals notwendig sind. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, eine Neukalibrierung beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Sensors durchzuführen, ohne dass es dadurch zu einer deutlichen Verzögerung des Startvorgangs kommt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt durch die digitale Datenverarbeitungseinheit auf Grundlage der Kompensationsparameter eine Korrektur eines Ausgangssignal des analogen Schaltkreises. Nach der Verarbeitung des Rohsignals durch den analogen Schaltkreis wird das analoge Signal durch einen Analog-Digital-Umsetzer umgewandelt und an die digitale Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. Das digitale Ausgangssignal wird von digitalen Datenverarbeitungseinheit weiterverarbeitet und erfährt dabei vorzugsweise eine zusätzliche Kalibrierung auf Grundlage der von der digitalen Datenverarbeitungseinheit bestimmten Kompensationsparameter. Neben der Korrektur des Rohsignals kann auf diese Weise vorteilhafterweise auch eine zusätzliche Kalibrierung des digitalen Signals durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Quadraturkenngröße auf der Basis des Rohsignals synchronisiert mit einem Antriebssignal erzeugt. Insbesondere lässt sich auf diese Weise eine Abtrennung des Quadratursignals aus dem Rohsignal erreichen, da das Quadratursignal mit dem Antriebssignal in einer um 90° versetzten Phasenbeziehung steht. Denkbar ist auch, das Quadratursignal durch eine phasenselektive Demodulation zu isolieren und die Kompensationsparameter anschließend anhand der Amplitude des Quadratursignals festzulegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter durch Minimierung des Quadraturanteils des Rohsignals. Wenn die Quadraturkenngröße die Größe des Quadratursignals wiedergibt, lassen sich die Kompensationsparameter durch eine Minimierung der Quadraturkenngröße optimieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter durch ein Sweep-Verfahren oder ein binäre Suche. Beim Sweep-Verfahren wird ein Satz möglicher Parameterwerte in effizienter Weise systematisch abgesucht und so die optimalen Parameterwerte ermittelt. Bei der binären Suche werden die Kompensationsparameter in immer kleiner werdenden Schritten verändert, wobei sich die Richtung jeder Änderung danach richtet, ob sich der Quadraturanteil im vorhergehenden Schritt eine vergrößert oder verringert hat. In beiden Fällen konvergieren die Kompensationsparameter schrittweise gegen ihre optimalen Werte. Denkbar sind auch andere Optimierungsalgorithmen oder auch, dass die digitale Datenverarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, unterschiedliche algorithmischen Verfahren durchzuführen, wobei der verwendete Algorithmus vom Nutzer ausgewählt werden kann.
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Die eingangs formulierte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 6. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Drehratensensor zur Durchführung einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Besondere Merkmale und Vorteile, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, übertragen sich unmittelbar auf entsprechende Merkmale und Vorteile des Drehratensensors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors weist die digitale Datenverarbeitungseinheit eine verbindungsprogrammierte Steuerung auf und die verbindungsprogrammierte Steuerung ist zur Bestimmung der Kompensationsparameter konfiguriert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors weist die digitale Datenverarbeitungseinheit einen Mikrokontroller auf und der Mikrokontroller ist zur Bestimmung der Kompensationsparameter und/oder zur Korrektur eines Ausgangssignal des analogen Schaltkreises konfiguriert. Auf diese Weise lässt sich durch die digitale Datenverarbeitungseinheit vorteilhafterweise neben der Korrektur des Rohsignals eine zusätzliche Kalibrierung des digitalen Signals durchgeführen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine Variante zur Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik.
- 2 veranschaulicht eine weitere Variante zur Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik.
- 3 veranschaulicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Quadratursignals während eines erfindungsgemäßen Optimierungsvorgangs zusammen mit der Anpassung des entsprechenden Kompensationsparameters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist das funktionale Prinzip einer Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Drehratensensor weist eine mikromechanische Struktur 3 auf, die mit einer Antriebseinheit 4 zu Schwingungen in eine Antriebsrichtung angeregt werden kann. Diese Antriebsschwingung wird über ein elektrisches Signal 8 angetrieben, die resultierende Amplitude detektiert und ein zur Auslenkung proportionales Überwachungssignal 9 an das elektronische Auslesesystem 7 weitergegeben. Das elektronische Auslesesystem 7 des Drehratensensors weist einen analogen Schaltkreis 1 mit einer Antriebsregeleinheit 6 auf, die über das Antriebssignal 8 die Stärke der treibenden Kraft für die Antriebsschwingung derart regelt, dass sich eine stabile Schwingung in Antriebsrichtung einstellt, wodurch Dämpfungsverluste ausgeglichen werden. Der zugehörige Regelkreis umfasst damit die Antriebseinheit 4, die das Überwachungssignal 9 an die Antriebsregeleinheit 6 weitergibt, die auf Basis des Überwachungssignals 9 wiederum das Antriebssignal 8 reguliert.
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Die mikromechanische Struktur 3 kann neben den Schwingungen in Antriebsrichtung auch Schwingungen in eine dazu senkrechte Richtung ausführen, die im Folgenden als Detektionsschwingung bezeichnet wird und mit einer Detektionseinrichtung 5 erfasst werden. Im Falle einer Drehbewegung des Drehratensensors um eine Achse senkrecht zur Antriebsrichtung wirkt eine Corioliskraft senkrecht zur Drehachse und senkrecht zur Antriebsrichtung. Diese Corioliskraft ist proportional zur Geschwindigkeit der schwingenden Masse und zur anliegenden Drehrate. Die Coriolisbeschleunigung bewirkt damit eine Auslenkung in Detektionsrichtung, so dass eine entsprechende Detektionsschwingung angeregt wird, die mit Hilfe der Detektionseinrichtung 5 über eine kapazitive Messung in ein zur Amplitude dieser Schwingung proportionales Rohsignal 10 umgewandelt wird. Die beiden Schwingungsmoden in Antriebs- und Detektionsrichtung sind idealerweise mechanisch voneinander entkoppelt und beeinflussen sich gegenseitig nicht. In einem realen System besteht dagegen immer eine gewisse Kopplung, die aufgrund von Fertigungsschwankungen in den Materialeigenschaften und geometrischen Abmessungen der mikromechanischen Struktur von Bauteil zu Bauteil variieren kann. Durch die Kopplung entsteht ein Energieübertrag von der Antriebsschwingung auf die Detektionsschwingung, so dass Auslenkungen in Detektionsrichtung bewirkt werden, die nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen werden und das eigentliche Messignal überlagern und verfälschen.
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Das Rohsignal 10 wird durch die Auswertungseinheit 11 in ein digitales Signal 16 umgewandelt und an die digitale Datenverarbeitungseinheit 2 weitergegeben, wo es durch den Datenpfad 13 weiterverarbeitet wird und über die Schnittstelle 14 an ein an den Sensor angeschlossenes äußeres System weitergegeben wird. Um den Quadraturfehler im Rohsignal 10 zu kompensieren, weist die digitale Datenverarbeitungseinheit 2 ein Register 15 mit Kompensationsparametern auf, die bei der Endkalibrierung im Herstellungsprozess festgelegt werden und nachfolgend nicht mehr geändert werden. Auf Grundlage dieser Kompensationsparameter führt die Kompensationseinheit 12 des analogen Schaltkreises 1 eine Kompensation des Quadraturfehlers des Rohsignals 10 durch.
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Da sich das Quadraturverhalten bei der Montage der Sensoreinheit oder im anschließenden Sensorbetrieb weiter verändern kann, besteht der Nachteil der Verwendung von fixierten Kompensationsparametern darin, dass diese Veränderungen nicht berücksichtigt werden können und die Quadraturkompensation nicht zu optimalen Ergebnissen führt.
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In 2 ist ein weiteres Prinzip einer Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Statt, wie in 1 dargestellt, das Kompensationsverhalten durch in einem Register 15 einmalig abgelegte Parameter festzulegen, wird hier die Kompensation durch einen geschlossenen Regelkreis realisiert. Das Ausgangssignal 16 der Auswertungseinheit 11 wird auch hier an den Datenpfad 13 weitergeleitet, der jedoch hier mit einer Kontrolleinheit 17 verbunden ist, die auf der Basis des vorverarbeiteten und digitalisierten Rohsignals Kompensationsparameter bestimmt und an die Kompensationseinheit 12 weiterleitet. Auf diese Weise bilden die Auswertungseinheit 11, der Datenpfad 13, die Kontrolleinheit 17 und die Kompensationseinheit 12 in eine geschlossene Regelschleife, über die die Quadraturkompensation dynamisch angepasst werden kann. Ein Nachteil dieser Methode liegt in der Entstehung von Offset-Sprüngen und der störenden wechselseitigen Beeinflussung durch andere Kompensationsprozesse.
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In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibrierung dargestellt. Im Vergleich zu den 1 und 2 weist der analoge Schaltkreis 1 einen zusätzlichen logischen Block 18 zur Quadraturbestimmung auf. Die Einheit 18 quantifiziert anhand des Rohsignals 10 die Größe des Quadratursignals, bestimmt eine Quadraturkenngröße und gibt diese Kenngröße an die Selbstkalibrierungseinheit 19 der digitalen Datenverarbeitungseinheit 2 weiter. Die Selbstkalibrierungseinheit 19 bestimmt auf der Basis des Quadratursignals und/oder dieses Kennwerts neue Kompensationsparameter, die an die Kompensationseinheit 12 weitergeleitet werden und dann zur Korrektur des Rohsignals 10 verwendet werden. Die Bestimmung der Kompensationsparameter kann beispielsweise durch eine algorithmische Minimierung Quadratursignals erfolgen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, den Kompensationsparameter systematisch zu variieren, bis das Quadratursignal verschwindet oder einen minimalen Wert annimmt, so dass der dadurch ermittelte Kompensationsparameter einem optimalen Wert entspricht.
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Optional kann die digitale Auswertungseinheit 2 einen Mikrokontroller 20 aufweisen, der auf Grundlage der von der Selbstkalibrierungseinheit 19 bestimmten Quadraturkenngröße weitere Kompensationsparameter berechnet, die von dem Datenpfad 13 zur Korrektur des Ausgangsignals 16 der Auswertungseinheit 11 verwendet werden. Die Selbstkalibrierungseinheit 19 kann alternativ auch Teil des Mikrokontrollers 20 sein, bzw. in Form einer Selbstkalibrierungsroutine auf dem Mikrokontroller 20 ausgeführt werden.
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In der oberen Hälfte der 4 ist ein möglicher Verlauf des Quadratursignals 21 während einer, von der digitalen Datenverarbeitungseinheit 2, insbesondere von der Selbstkalibrierungseinheit 19 durchgeführten Optimierungsroutine dargestellt. Die algorithmische Bestimmung eines optimalen Kompensationsparameters, dessen Anpassung in der unteren Hälfte der 4 dargestellt ist, besteht hier in einer binären Suche, bei der der Kompensationsparameter 22 schrittweise variiert wird, wobei sich die Richtung jeder Veränderung des Kompensationsparameters 22 (d.h. Vergrößerung oder Verkleinerung) daran orientiert, ob die letzte Veränderung zu einer Verkleinerung oder Vergrößerung der Amplituden des Quadratursignals 21 geführt hat. Durch die binäre Suche wird der Kompensationsparameter 22 schrittweise an seinen optimalen Wert hergeführt, bei dem der Quadraturfehler, d.h. die Amplitude des Quadratursignals 21, minimal ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7290435 B2 [0005]
- US 2014/0190258 A1 [0005]
