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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, mindestens umfassend:
- - eine Gyroskop-Einrichtung zum Erfassen von Drehraten-Sensorsignalen
- o mit einem MEMS-Gyroskop mit einer zu Schwingungen anregbaren seismischen Masse,
- o mit einer Treiberschaltung zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse und
- o mit einer Sensiereinheit,
- - eine Steuereinheit zum Auswählen eines von mindestens zwei unterschiedlichen vordefinierten Betriebsmodi der Gyroskop-Einrichtung, wobei als Betriebsmodi mindestens ein Sensier-Betriebsmodus vordefiniert ist, in dem Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden, und mindestens ein Standby-Betriebsmodus, in dem keine Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden,
- - eine weitere Sensoreinrichtung zum Erfassen von weiteren Sensorsignalen, und
- - eine digitale Datenverarbeitungseinheit für die Drehraten-Sensorsignale und die weiteren Sensorsignale.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoranordnung.
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Stand der Technik
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Bekannte MEMS-Drehratensensoren, im Folgenden kurz als Gyroskope bezeichnet, werden häufig zusammen mit einem MEMS-Beschleunigungssensor in einer Inertialmesseinheit verwendet, um beispielsweise Anwendungen mit erweiterter Realität oder Navigation innerhalb von Gebäuden zu ermöglichen. Hierbei spielt insbesondere die Stabilität und Genauigkeit der Ausgabedatenrate, ODR, eine wichtige Rolle, also die Datenrate, mit der die ermittelten Daten von Gyroskop und/oder Beschleunigungssensor ausgegeben werden. Bei einigen Navigationsanwendungen wird die absolute Position basierend auf den Messsignalen des Gyroskops und des Beschleunigungssensors bestimmt. Dazu wird eine Zeitintegration dieser Messsignale vorgenommen. Eine ungenaue Ausgabedatenrate führt in diesem Fall zu einer entsprechenden Ungenauigkeit der ermittelten Position.
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Bekannte MEMS-Sensoranordnungen mit Gyroskop und Beschleunigungssensor weisen einen integrierten elektronischen Oszillator auf, der ein Signal beziehungsweise eine Frequenz für die Ausgabedatenrate des Beschleunigungssensors bereitstellt. Ist das Gyroskop eingeschaltet, wird die Ausgabedatenrate bzw. ein entsprechendes Taktsignal stattdessen von der Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung der seismischen Masse des MEMS-Gyroskops abgeleitet, die mit Hilfe einer Treiberschaltung angeregt und aufrechterhalten wird. Dieses Taktsignal steht aber nur zur Verfügung, wenn sich das Gyroskop in einem aktivierten Zustand befindet. Bei jedem Umschalten zwischen dem Taktsignal, erzeugt durch den integrierten elektronischen Oszillator, und dem Taktsignal, erzeugt durch die Treiberschaltung, tritt ein Sprung beziehungsweise Wechsel in der Frequenz der Ausgabedatenrate ODR auf. Zudem weist der integrierte elektronische Oszillator eine erhöhte Drift in Abhängigkeit von der Temperatur auf, verglichen mit der Treiberschaltung.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Sensoranordnung bereit, mindestens umfassend:
- - eine Gyroskop-Einrichtung zum Erfassen von Drehraten-Sensorsignalen
- o mit einem MEMS-Gyroskop mit einer zu Schwingungen anregbaren seismischen Masse,
- o mit einer Treiberschaltung zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse und
- o mit einer Sensiereinheit,
- - eine Steuereinheit zum Auswählen eines von mindestens zwei unterschiedlichen vordefinierten Betriebsmodi der Gyroskop-Einrichtung, wobei als Betriebsmodi mindestens ein Sensier-Betriebsmodus vordefiniert ist, in dem Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden, und mindestens ein Standby-Betriebsmodus, in dem keine Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden,
- - eine weitere Sensoreinrichtung zum Erfassen von weiteren Sensorsignalen, und
- - eine digitale Datenverarbeitungseinheit für die Drehraten-Sensorsignale und die weiteren Sensorsignale,
wobei die Treiberschaltung entsprechend der unterschiedlichen Betriebsmodi der Gyroskop-Einrichtung in unterschiedlichen Betriebsmodi mit unterschiedlichem Energieverbrauch betreibbar ist, so dass die Schwingungsbewegung der seismischen Masse im zumindest einen Sensier-Betriebsmodus und in mindestens einem Standby-Betriebsmodus aufrechterhalten wird und wobei die digitale Datenverarbeitungseinheit dazu ausgelegt ist, die digitalisierten Drehraten-Sensorsignale und/oder die digitalisierten weiteren Sensorsignale im zumindest einen Sensier-Betriebsmodus und in dem mindestens einen Standby-Betriebsmodus mit einer auf der Schwingungsfrequenz der seismischen Masse basierenden Ausgabedatenrate (ODR) zur Verfügung zu stellen.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Sensoranordnung bereit, mindestens umfassend
- - eine Gyroskop-Einrichtung zum Erfassen von Drehraten-Sensorsignalen
- o mit einem MEMS-Gyroskop mit einer zu Schwingungen anregbaren seismischen Masse,
- o mit einer Treiberschaltung zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse und
- o mit einer Sensiereinheit,
- - eine Steuereinheit zum Auswählen eines von mindestens zwei unterschiedlichen vordefinierten Betriebsmodi der Gyroskop-Einrichtung, wobei als Betriebsmodi mindestens ein Sensier-Betriebsmodus vordefiniert ist, in dem Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden, und mindestens ein Standby-Betriebsmodus, in dem keine Drehraten-Sensorsignale erfasst und/oder vorverarbeitet werden,
- - eine weitere Sensoreinrichtung zum Erfassen von weiteren Sensorsignalen, und
- - eine digitale Datenverarbeitungseinheit für die Drehraten-Sensorsignale und die weiteren Sensorsignale,
wobei die Treiberschaltung entsprechend der unterschiedlichen Betriebsmodi der Gyroskop-Komponente in unterschiedlichen Betriebsmodi mit unterschiedlichem Energieverbrauch, insbesondere Stromverbrauch betrieben wird, so dass die Schwingungsbewegung der seismischen Masse in mindestens einem Sensier-Betriebsmodus und in mindestens einem Standby-Betriebsmodus aufrechterhalten wird, und
wobei eine mittels der Datenverarbeitungseinheit bereitgestellten Ausgabedatenrate (ODR) der digitalisierten Drehraten-Sensorsignale und/oder der digitalisierten weiteren Sensorsignale im zumindest einen Sensier-Betriebsmodus und in dem zumindest einen Standby-Betriebsmodus auf der Schwingungsfrequenz der seismischen Masse basiert.
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Somit basiert also die Ausgabedatenrate ODR für alle Sensoren der Sensoranordnung auf der Schwingungsbewegung der seismischen Masse des MEMS-Gyroskops, die unabhängig vom Betriebsmodus des MEMS-Gyroskops aufrechterhalten wird, nämlich sowohl im Sensier-Betriebsmodus, wenn Drehratensignale erfasst werden, als auch im Standby-Betriebsmodus, wenn keine Drehratenmesssignale erfasst werden. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Oszillator als Taktgeber für die Ausgabendatenrate ODR verzichtet werden. Die seismische Masse des MEMS-Gyroskops wird in der Regel zu Resonanzschwingungen angeregt. Diese Schwingungsbewegung ist sehr frequenzstabil. Außerdem ist die Resonanzfrequenz weitgehend temperaturunabhängig. Dadurch wird eine äußerst hohe Stabilität der Ausgabedatenrate nicht nur beim Betrieb des MEMS-Gyroskops, also im Sensier-Betriebsmodus, sondern in allen Betriebszuständen ermöglicht. Frequenzsprünge im Taktsignal und damit in der Ausgabendatenrate ODR beim Umschalten zwischen Betriebszuständen werden vermieden. Ebenso werden Temperatur-Drifte in der Ausgabendatenrate ODR erheblich reduziert. Zudem wird der Energieverbrauch zum Aufrechterhalten der Schwingungsbewegung der seismischen Masse des MEMS-Gyroskops in Grenzen gehalten. Lediglich im Sensier-Betriebsmodus wird die Treiberschaltung in einem High Performance Mode mit hohem Energieverbrauch betrieben. Im Standby-Betriebsmodus erweist sich ein Low Power Mode für die Treiberschaltung als ausreichend zum Aufrechterhalten der Schwingungsbewegung der seismischen Masse.
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Mit anderen Worten wird durch Ausführungsformen der Erfindung und insbesondere durch die Bereitstellung von zumindest zwei Betriebsmodi mit unterschiedlichem Energieverbrauch für die Treiberschaltung der Gyroskop-Einrichtung eine einfache, flexible und kosten- sowie energiesparende Sensoranordnung bereitgestellt, die eine hohe Genauigkeit und Stabilität der Ausgabedatenrate aufweist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbart.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Sensiereinheit und/oder die Treiberschaltung der Gyroskop-Einrichtung direkt anzusteuern, um einen Betriebsmodus vorzugeben. Damit wird auf einfache und flexible Weise eine Steuerung der Sensiereinheit und/oder der Treiberschaltung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Treiberschaltung dazu ausgebildet, der digitalen Datenverarbeitungseinheit ein Takt-Signal mit Informationen über die Schwingungsfrequenz der seismischen Masse zur Verfügung zu stellen. Vorteil hiervon ist, dass die digitale Datenverarbeitungseinheit Daten der Sensiereinheit auf besonders genaue und stabile Weise bereitstellen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Treiberschaltung mindestens zwei separate Treiberschaltkreise, mit denen unterschiedliche Betriebsmodi der Treiberschaltung bereitgestellt werden. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf zuverlässige Weise getrennte Betriebsmodi bereitgestellt werden können. Mit anderen Worten kann damit jeder Betriebsmodus der Treiberschaltung durch einen separaten Treiberschaltkreis bereitgestellt werden. Dadurch wird im Wesentlichen mindestens ein zweiter Schaltkreis innerhalb der Treiberschaltung bereitgestellt, dessen Ziel es ist, die Gyroskop-Einrichtung, genauer eine Oszillation der seismischen Masse der Gyroskop-Einrichtung mit einem Minimum an Energie aufrechtzuerhalten. Dieser zweite Schaltkreis wird somit benutzt, wenn der Schaltkreis für den ordnungsgemäßen Betrieb der Gyroskop-Einrichtung - Sensier-Betriebsmodus - ausgeschaltet ist, also Daten der Gyroskop-Einrichtung nicht benötigt werden. Die Taktsignale der Treibersignalschaltkreise können über separate Schnittstellen bereitgestellt werden. Die Steuereinheit kann dann zur Auswahl der entsprechenden Schnittstelle ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die weitere Sensoreinrichtung einen MEMS-Beschleunigungssensor, ein Magnetometer, einen Drucksensor, einen Gassensor und/oder einen Feuchtesensor. Vorteil hiervon ist eine einfache Implementierung der Sensoreinrichtung für unterschiedlichste Anwendungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden 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.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt
- 1 eine bekannte MEMS-Sensoranordnung;
- 2 eine MEMS-Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 3 eine MEMS-Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine bekannte MEMS-Sensoranordnung 1 mit einer Gyroskop-Einrichtung zum Erfassen von Drehraten-Sensorsignalen und mit einer weiteren Sensoreinrichtung in Form eines Beschleunigungssensors. Die Gyroskop-Einrichtung umfasst ein MEMS-Gyroskop 2 mit einer zu Schwingungen anregbaren seismischen Masse 2a und einer analogen Schaltungseinrichtung 7. Dies analoge Schaltungseinrichtung 7 umfasst eine Treiberschaltung 3 zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der seismischen Masse 2a und eine Sensiereinheit 5 zum Auslesen von Gyroskop-Messsignalen 101 und Wandeln dieser Messsignale 101 in ein analoges elektrisches Signal 106.
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Die Bewegung der seismischen Masse 2a wird in Form eines Positionssignals 100 erfasst und der Treiberschaltung 3 zugeführt. Das Positionssignal 100 liefert Informationen über die Amplitude und Frequenz der Schwingungsbewegung der seismischen Masse 2a. Auf Basis dieser Informationen generiert die Treiberschaltung 3 ein Treibersignal 103 zum Antrieb und Aufrechterhalten einer definierten Schwingungsbewegung der seismischen Masse 2a.
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Die durch eine Drehbewegung der Gyroskop-Einrichtung hervorgerufene Auslenkung der schwingenden seismischen Masse 2a entlang einer oder auch mehrerer Raumachsen wird mit einer geeigneten Schaltungseinrichtung 2b des MEMS-Gyroskops 2 erfasst, beispielsweise kapazitiv. Dieses Gyroskop-Messsignal 101 wird dann mit Hilfe der Sensiereinheit 5 in ein analoges elektrisches Gyroskop-Signal 106 gewandelt, beispielsweise mit Hilfe eines Kapazitäten-Spannungs-Wandlers.
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Der Beschleunigungssensor umfasst ebenfalls ein MEMS-Sensorelement 6 mit mindestens einem auslenkbaren Strukturelement. Die durch eine Beschleunigung hervorgerufene Auslenkung dieses Strukturelements entlang einer oder auch mehrerer Raumachsen wird mit Hilfe einer geeigneten Schaltungseinrichtung 6b, beispielsweise kapazitiv oder piezoresistiv, erfasst. Auch der Beschleunigungssensor umfasst eine analoge Schaltungseinrichtung 8 mit einer Sensiereinheit 9 zum Auslesen und Wandeln dieses Messsignals 102 in ein analoges elektrisches Beschleunigungssignal 107, beispielsweise mit Hilfe eines Kapazität-Spannungs-Wandlers.
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Die analogen Schaltungseinrichtungen 7 und 8 der Gyroskop-Einrichtung und des Beschleunigungssensors bilden den analogen Teil einer elektronischen Ausleseschaltung 20 der hier dargestellten Sensoranordnung 1. Der digitale Teil 16 dieser Ausleseschaltung 20 umfasst eine Energieverwaltungseinheit 11 als Steuereinheit, eine Ausgabendatenrateneinheit 12 zur Erzeugung einer Ausgabedatenrate ODR, jeweils eine Signalverarbeitungseinheit 13 und 14 für das analoge elektrische Gyroskop-Signal 106 und das Beschleunigungssignal 107 sowie eine Schnittstelle 15 für die Ausgabe von Sensordaten 110.
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Die Energieverwaltungseinheit 11 gibt den Betriebsmodus des Gyroskop-Einrichtung vor, hier entweder einen Sensier-Betriebsmodus, in dem Drehraten-Sensorsingale erfasst werden, oder einen inaktiven Betriebsmodus, in dem die seismische Masse nicht angetrieben wird und auch keine Drehraten-Signale erfasst werden. Auf die Darstellung der Signalpfade zur entsprechenden Ansteuerung der einzelnen Komponenten der Gyroskop-Einrichtung wurde hier aus Gründen der Übersicht verzichtet.
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Die Ausleseschaltung 20 der in 1 dargestellten Sensoranordnung umfasst schließlich auch noch einen Oszillator 4, der ein Taktsignal 104 generiert. Mit Hilfe eines Schalters 120, der über die Energieverwaltungseinheit 11 angesteuert wird, wird der Ausgabedatenrateneinheit 12 und den Signalverarbeitungseinheiten 13, 14 wahlweise dieses Oszillator-Taktsignal 104 oder ein Taktsignal 105 zugeführt, das von der Treiberschaltung 3 der Gyroskop-Einrichtung auf der Basis des Positionssignals 100 generiert worden ist. Die Energieverwaltungseinheit 11 wählt die Schalterstellung des Schalters 120 entsprechend dem Betriebsmodus der Gyroskop-Einrichtung. Im Sensier-Betriebsmodus dient die schwingende seismische Masse 2a als Taktgeber für die Sensoranordnung 1. Im inaktiven Betriebsmodus, also wenn die seismische Masse nicht angetrieben wird und dem nach auch nicht als Taktgeber fungieren kann, wird der Oszillator 4 zugeschaltet und dient dann als Taktgeber für die Sensoranordnung 1. In beiden Fällen steht also ein Taktsignal 108 zur Verfügung, das den Signalverarbeitungseinheiten 13 und 14 zugeführt wird und beispielsweise im Rahmen der Digitalisierung der analogen Sensorsignale 101, 102 genutzt werden kann. Das Taktsignal 108 wird außerdem der Ausgabendatenrateneinheit 12 zugeführt. Diese generiert auf der Basis des Taktsignals 108 die aktuelle Ausgabedatenrate ODR 109 für die Schnittstelle 15, so dass die Ausgabe der Sensordaten 10 mit dieser Ausgabedatenrate 109 erfolgt. Schwankungen und Instabilitäten des Taktsignals 108 wirken sich daher direkt auf die Ausgabedatenrate 109 der Sensoranordnung 1 aus.
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2 zeigt eine MEMS-Sensoranordnung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der MEMS-Sensoranordnung 1 gemäß 1 ist bei der hier dargestellten MEMS-Sensoranordnung 200 kein separater elektronischer Oszillator 4 als Taktgeber vorhanden. Als Taktgeber für alle Komponenten der Sensoranordnung 200 dient hier immer der Oszillator der Gyroskop-Einrichtung, das heißt, die seismische Masse 2a zusammen mit der Treiberschaltung 3. Dazu hält die Treiberschaltung die Schwingungsbewegung der seismischen Masse 2a aufrecht, und zwar unabhängig vom Betriebsmodus der Gyroskop-Einrichtung. Die Treiberschaltung 3 der Gyroskop-Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist so ausgebildet, dass sie in zwei Betriebszuständen 3-1 betrieben werden kann, die sich in ihrem Energieverbrauch unterscheiden, also in einem Niedrigenergie-Betriebsmodus für den Standby-Betriebsmodus, in dem keine Drehratensignale des MEMS-Gyroskops 2 erfasst werden sollen, und in einem Hochenergie-Betriebsmodus für den Sensier-Betriebsmodus, in dem Drehratensignale des MEMS-Gyroskops 2 erfasst werden sollen. In beiden Betriebsmodi erzeugt die Treiberschaltung 3 ein Treibersignal 103 zum Antrieb der seismischen Masse 2a der MEMS-Gyroskop-Einrichtung, das eine frequenzstabile Schwingungsbewegung der seismischen Masse 2a gewährleistet. Basierend auf dem Treibersignal 103 wird ein Taktsignal 105 als Systemtakt beziehungsweise Systemclock für die Sensoranordnung 200 generiert. Die Vorgabe beziehungsweise Auswahl des Betriebsmodus 3-1 für die Treiberschaltung 3 durch den Schalter 120 übernimmt wiederum die Energieverwaltungseinheit 11 zusammen mit der Vorgabe eines Betriebsmodus 3-1 für die Gyroskop-Einrichtung. Ein Wechsel des Betriebszustandes 3-1 vom Standby- in den Sensier-Betriebsmodus oder umgekehrt hat hier also keine Auswirkung auf das Taktsignal 105 und die Ausgabedatenrate ODR 109.
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3 zeigt eine MEMS-Sensoranordnung 201 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Im Unterschied zur MEMS-Sensoranordnung 200 gemäß 2 sind bei der MEMS-Sensoranordnung 201 gemäß 3 anstelle einer einzelnen Treiberschaltung 3, die in zwei Betriebsmodi betreibbar ist, separate Treiberschaltkreise 3a, 3b für die unterschiedlichen Betriebsmodi angeordnet, genauer ein Niedrigenergie- beziehungsweise Standby-Treiberschaltkreis 3a und ein Hochenergie- beziehungsweise Sensier-Treiberschaltkreis 3b. Entsprechend muss das Positionssignal 100 der MEMS-Gyroskops 2 beiden Treiberschaltkreisen 3a, 3b zugeführt werden. Die Treibersignale 105a, 105b der beiden Treiberschaltkreise 3a und 3b werden über separate Schnittstellen 70a, 70b zur Verfügung gestellt. Die Auswahl des jeweiligen Treiberschaltkreises 3a oder 3b erfolgt zusammen mit der Vorgabe eines Betriebsmodus 3-1 für die Gyroskop-Einrichtung durch die Energieverwaltungseinheit 11, die dazu einen den Schnittstellen 70a, 70b nachgeschalteten Schalter 120 entsprechend ansteuert.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- - Niedrigerer Energieverbrauch des Ausleseschaltkreises verglichen mit bekannten Ausleseschaltkreisen
- - niedrigere Komplexität des MEMS-Gesamtsystems
- - hohe Genauigkeit und Stabilität der Ausgabedatenrate
- - Vermeidung von Sprüngen oder Einschwingphasen beim Umschalten zwischen einem zusätzlichen Oszillator als Taktgeber und der Gyroskop-Komponente als Taktgeber für das gesamte Sensorsystem.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
