DE102021210010A1

DE102021210010A1 - Sensorvorrichtung und Messverfahren

Info

Publication number: DE102021210010A1
Application number: DE102021210010.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lammel; David Slogsnat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, mit einer mikroelektromechanischen, MEMS,-Sensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, MEMS-Sensormesswerte zu erzeugen; einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, wobei die MEMS-Sensoreinrichtung auf dem ASIC angeordnet ist; einer auf oder in dem ASIC angeordneten Temperatursensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Temperaturmesswerte zu erzeugen; und einer Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die MEMS-Sensormesswerte unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte zu kompensieren, wobei die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zu berücksichtigen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung sowie ein Messverfahren.
Stand der Technik
Barometrische Drucksensoren werden unter anderem dazu eingesetzt, um in Mobilgeräten wie Smartphones, Smartwatches, Fitnesstrackern und anderen Geräten die aktuelle Höhe des Nutzers zu bestimmen. Beispielsweise können dadurch die zurückgelegten Treppenstufen oder der zurückgelegte Höhenunterschied erkannt werden, da eine positive Höhenänderung einen deutlichen Einfluss auf den Kalorienverbrauch und die Fitness hat.
Ein beispielhafter mikroelektromechanischer (MEMS) kapazitiver Drucksensor ist aus der EP 2 211 156 B1 bekannt. Die DE 10 2013 213 065 B4 betrifft einen weiteren MEMS-Drucksensor.
Durch Bestimmung der Höhe kann weiter das genaue Stockwerk, in dem man sich befindet, ermittelt werden. Dies ist für alle Arten der Indoor-Navigation notwendig, insbesondere aber für die automatische Ermittlung der Position eines Anrufers bei einem Notruf.
Hierbei ist eine Genauigkeit von wenigen Pascal notwendig, auch bei Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie der Temperatur und der Luftfeuchte. Eine geforderte Genauigkeit von einem Meter entspricht etwa 12 Pa. Die Temperatur des Sensors kann dabei um bis zu 30°C schwanken. Dasselbe gilt für Sensoren, die zur Ermittlung eines Referenzdruckes eingesetzt werden. Der Referenzdruck ist dabei erforderlich, um z.B. ein Driften aufgrund des Wetters herausrechnen zu können.
Die US 2021/053819 A betrifft die Kompensation von Sensordaten mittels Temperaturgradienten. Dabei werden ausschließlich räumliche Gradienten zwischen verschiedenen Sensorkomponenten betrachtet, die im Sensor in allen drei Dimensionen verteilt werden. Eine ähnliche Temperaturkompensation ist in der US 2008/297955 A1 beschrieben. Die Nutzung der Ableitung der Temperatur zur Kompensation eines Inertialsensors ist in der US 10 877 059 B2 beschrieben.
Zunehmend sollen Drucksensoren auch dazu eingesetzt werden, Fitnessübungen bzw. deren Ausführungen zu erkennen und zu bewerten, etwa Liegestütze, Sit-ups, Squads und dergleichen. Da hier Bewegungen im Bereich von weniger als einem Meter erfasst werden sollen, sind die Genauigkeitsanforderungen noch einmal größer.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Sensorvorrichtung und ein Messverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung, mit einer mikroelektromechanischen, MEMS,-Sensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, MEMS-Sensormesswerte zu erzeugen; einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, wobei die MEMS-Sensoreinrichtung auf dem ASIC angeordnet ist; einer auf oder in dem ASIC angeordneten Temperatursensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Temperaturmesswerte zu erzeugen; und einer Recheneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die MEMS-Sensormesswerte unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte zu kompensieren, wobei die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zu berücksichtigen.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Messverfahren. Eine mikroelektromechanische, MEMS,-Sensoreinrichtung erzeugt MEMS-Sensormesswerte, wobei die MEMS-Sensoreinrichtung auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, angeordnet ist. Eine auf oder in dem ASIC angeordnete Temperatursensoreinrichtung erzeugt Temperaturmesswerte. Die MEMS-Sensormesswerte werden unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte kompensiert, wobei zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte berücksichtigt wird.
Vorteile der Erfindung
Zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte wird auch die zeitliche Ableitung der Temperatur berücksichtigt. Indem nicht mehr nur die absolute Temperatur zur Temperatur-Kompensation der gemessenen MEMS-Sensormesswerte herangezogen wird, sondern auch dynamische Temperatureffekte berücksichtigt werden, kann die Genauigkeit deutlich erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die MEMS-Sensorvorrichtung ein Umgebungssensor mit mindestens einer auslenkbaren Membran. Beispielsweise kann die MEMS-Sensorvorrichtung ein Drucksensor sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung auf oder in dem ASIC angeordnet. Die Recheneinrichtung kann insbesondere in dem ASIC integriert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung Teil eines Host-Systems.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, die zeitliche Ableitung der Temperaturmesswerte (d.h. die zeitliche Ableitung der Temperatur) als einen Differenzenquotienten der erzeugten Temperaturmesswerte zu berechnen. Zur Berechnung der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte können jedoch auch weitere Messwerte hinzugezogen werden, und ggf. auch durch ein Filter geglättet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung umfasst die Temperatursensoreinrichtung 3 genau einen Temperatursensor und ist dadurch besonders kostengünstig und platzsparend.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, die Sensormesswerte weiter unter Verwendung der Temperaturmesswerte zu kompensieren. Dadurch wird die Abhängigkeit vom Absolutwert der Temperatur berücksichtigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, die Sensormesswerte unter Verwendung eines ersten additiven Faktors zu kompensieren, welcher proportional zu der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte ist. Die Kompensation kann beispielsweise anhand folgender Formel erfolgen: $P_f i n a l_C o m p = p C o m p + T l i n' \cdot a 1.$
Dabei bezeichnet P_final_Comp den vollständig kompensierten MEMS-Sensormesswert Tlin' die zeitliche Ableitung des Temperaturmesswertes Tlin und al ist ein vorgegebener Wert. Weiter bezeichnet pComp den (möglicherweise anhand weiterer Faktoren bereits kompensierten) MEMS-Sensorwert, etwa einen Druckwert.
Insbesondere kann der Temperaturmesswert selbst berücksichtigt werden, um den MEMS-Sensorwert weiter zu kompensieren, etwa anhand eines linearen Beitrags. Beispielsweise kann das Kompensieren des MEMS-Sensormesswerts anhand der Temperaturmesswerte mittels folgender Formel berechnet werden: $\begin{array}{l} p C o m p = K T K 1 O \cdot T l i n + K T K 2 O \cdot T l i n^{2} + K T K 3 O \cdot T l i n^{3} + p l i n \cdot (1 + \\ K T K 1 S \cdot T l i n + K T K 2 S \cdot T l i n^{2} \cdot K T K 3 S \cdot T l i n^{3}) + p l i n^{2} \cdot K T K N L S \cdot T l i n \end{array}$
Dabei ist Tlin der Temperaturmesswert oder ein linearisierter Temperaturmesswert, welcher durch lineare Interpolation mehrerer Temperaturmesswerte zu aufeinander folgenden Zeitpunkten erhalten werden kann. Weiter sind KTK1O, KTK2O, KTK3O, KTK1S, KTK2S, KTK3S und KTKNLS vorgegebene Werte. Weiter ist plin der MEMS-Sensormesswert (etwa ein Druckmesswert) oder ein linearisierter MEMS-Sensormesswert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, die Sensormesswerte unter Verwendung eines zweiten additiven Faktors zu kompensieren, welcher proportional zum Produkt der Temperaturmesswerte und der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte ist. Insbesondere kann der zweite additive Faktor zusammen mit dem ersten additiven Faktor herangezogen werden, etwa gemäß folgender Formel: $P_f i n a l_C o m p = p C o m p + T l i n' \cdot a 1 + T l i n \cdot T l i n' \cdot b 1.$
Dabei bezeichnet bl einen vorgegebenen Wert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte mindestens eine höhere zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zu berücksichtigen. Durch höhere Ableitungen (welche etwa durch Berechnung der Differenzen der Differenzen der Temperaturmesswerte berechnet werden können), können auch Effekte höherer Ordnung kompensiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, weitere Temperaturmesswerte von mindestens einer weiteren Temperatursensoreinrichtung zu empfangen, wobei die mindestens eine weitere Temperatursensoreinrichtung eine Komponente der Sensorvorrichtung ist oder in einer Umgebung der Sensorvorrichtung angeordnet ist. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgebildet, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte mindestens eine Differenz der Temperaturmesswerte der Temperatursensoreinrichtung und der weiteren Temperaturmesswerte der mindestens einen weiteren Temperatursensoreinrichtung zu berücksichtigen. Temperaturänderungen können unterschiedliche Ursachen haben. So kann die Temperaturveränderung von der Unterseite der Sensorvorrichtung kommen. Beispielweise kann Wärme über eine als „2nd-Level-PCB“ bezeichnete Leiterplatte unterhalb der Sensorvorrichtung und dann über Bondpads zwischen Leiterplatte und Sensorvorrichtung übertragen werden. Der Wärmeübertrag kann jedoch auch von der Oberseite herkommen, insbesondere dann, wenn die Sensorvorrichtung relativ offen vom Medium umströmt wird. In Abhängigkeit von der Richtung, aus welcher der Wärmeübertrag stattfindet, können zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte unterschiedliche Koeffizienten verwendet werden. Die Richtung, aus welcher der Wärmeübertrag stattfindet, kann anhand der Temperaturmesswerte der mindestens einen weiteren Temperatursensoreinrichtung bestimmt werden. Beispielsweise kann eine weitere Temperatursensoreinrichtung auf dem 2nd-Level-PCB angeordnet sein.
Es kann vorgesehen sein, die Kompensation der MEMS-Sensormesswerte in Abhängigkeit von der Differenz der Temperaturmesswerte der Temperatursensoreinrichtung und der mindestens einen weiteren Temperatursensoreinrichtung anzupassen. Je nach Differenz der Sensormesswerte und insbesondere deren Vorzeichen können unterschiedliche Koeffizienten a1, b1 zur Kompensation herangezogen werden, oder die Kompensation kann ein- oder ausgeschaltet werden.
Die Sensorvorrichtung kann auch so ausgelegt werden, dass ein thermischer Widerstand auf dem Wärmepfad vom Medium zu einem 2nd-Level-Package und dann zum 2nd-Level-PCB gleich oder niedriger ist als der thermische Widerstand von Medium zur Sensorvorrichtung. Das 2nd-Level-Package kann beispielsweise ein Gehäuse des Gerätes (etwa eines Smartphones) sein, in welches die Sensorvorrichtung eingebaut ist. Es können beispielsweise wärmeleitende Metallstrukturen im oder am 2nd-Level-PCB vorgesehen sein, oder der Zugang für das Medium kann entsprechend gestaltet werden, um die thermischen Widerstände entsprechend anzupassen. Die Sensorvorrichtung kann auch direkten mechanischen Kontakt mit dem Second-Level-Package haben, so dass ein direkter Wärmeaustausch gegeben ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, das Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte in Abhängigkeit von zumindest der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte nur dann durchzuführen, wenn ein Wert der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Dadurch kann der Rauschbeitrag der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte reduziert werden. Um einen Sprung des Signals beim Durchschreiten des Schwellenwertes zu verhindern, kann das Umschalten zum Schwellenwert auch als geglättete Sprungfunktion implementiert werden. Hierbei sind polynomielle Verfahren wie die Smoothstep-Funktion aufgrund des geringen Rechenbedarfes besonders vorteilhaft. Der Schwellenwert kann bevorzugt derart gewählt werden, dass er oberhalb des Quadratisches-Mittel-Rauschens der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, das Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte weiter in Abhängigkeit von einer Abtastrate der MEMS-Sensoreinrichtung durchzuführen. Die Abtastrate kann veränderlich sein. Die Änderung der Abtastrate kann berücksichtigt werden, indem die zeitliche Ableitung der Temperaturmesswerte oder die Koeffizienten der Kompensation mit einem von der Abtastrate abhängigen Faktor korrigiert werden. Vorteilhaft sind dabei Faktoren, die proportional zu 1/Abtastrate sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte die zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zeitlich zu versetzen. Hierbei kann eine Zeitkonstante t eingestellt werden, so dass einem zum Zeitpunkt T ermittelten MEMS-Sensormesswert eine zeitliche Ableitung der Temperaturmesswerte vom Zeitpunkt T+t zugeordnet wird. Hierzu kann ein Speicher vorgesehen sein, der bei einer negativen Zeitkonstante die Temperatur- und/oder Ableitungswerte aus dem Zeitraum T-t bis T vorhält. Bei einer positiven Zeitkonstante kann der Speicher die MEMS- Sensormesswerte aus dem Zeitraum T-t bis T vorhalten. Bei einer positiven Zeitkonstante werden dann die kompensierten MEMS- Sensormesswerte mit einer zusätzlichen zeitlichen Verzögerung t ausgegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von der Kompensation der MEMS-Sensormesswerte eine Unsicherheit der kompensierten MEMS-Sensormesswerte zu berechnen. Es wird somit eine temperaturbedingte Unsicherheit bzw. Genauigkeit ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist die Recheneinrichtung dazu ausgebildet, die berechnete Unsicherheit der kompensierten MEMS-Sensormesswerte an eine externe Einrichtung (etwa ein Host-System) auszugeben und/oder ein Interrupt-Signal an die externe Einrichtung auszugeben, falls die berechnete Unsicherheit einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Ebenso könnten die kompensierten MEMS-Sensormesswerte mit einer Markierung oder einer Unsicherheitsbewertung versehen werden. Diese ermöglicht es dem Host-System, die MEMS-Sensormesswerte entsprechend zu gewichten, wenn beispielsweise eine Sensordatenfusion mit anderen Sensoren eingesetzt wird.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung um die Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Temperaturverlaufs und einer beispielhaften Temperaturverteilung innerhalb einer Sensorvorrichtung;
4 beispielhafte Druck- und Temperaturverläufe zur Erläuterung des Kompensierens von Druckmesswerten;
5 weitere beispielhafte Druck- und Temperaturverläufe zur Erläuterung des Kompensierens von Druckmesswerten, unter Verwendung eines zeitlichen Versatzes der Temperaturmesswerte; und
6 ein Flussdiagramm eines Messverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Sensorvorrichtung 100. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst eine MEMS-Sensoreinrichtung 2, welche durch einen Anregungssignalgenerator 1 gesteuert MEMS-Sensormesswerte erzeugt. Die MEMS-Sendeeinrichtung 2 ist beispielsweise ein barometrischer Drucksensor, welcher zum Beispiel mittels einer oder mehrerer Membranen den Luftdruck misst. Insbesondere kann es sich dabei um einen kapazitiven Drucksensor handeln, bei dem jede der Membranen zusammen mit einer Gegenelektrode als Messkapazität fungiert. Eine solche Messkapazität kann mit anderen Mess- oder festen Referenzkapazitäten zu einer wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet werden.
Die MEMS-Sendeeinrichtung 2 ist auf einem ASIC angeordnet oder in diesen integriert. Weiter umfasst die Sensorvorrichtung 100 eine Temperatursensoreinrichtung 3, welche Temperaturmesswerte erzeugt.
Die MEMS-Sensormesswerte und die Temperaturmesswerte werden durch ein analoges Frontend 4 mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert.
Weiter umfasst die Sensorvorrichtung 100 eine Recheneinrichtung 13. Diese kann ebenfalls in den ASIC integriert sein, kann jedoch auch eine externe Recheneinrichtung 13 sein. Die Recheneinrichtung 13 kann Software- und/oder Hardwarekomponenten umfassen, etwa Mikroprozessoren, Mikrokontroller, integrierte Schaltkreise oder dergleichen.
Die Recheneinrichtung 13 umfasst eine erste Recheneinheit 5, welche dazu ausgebildet ist, die MEMS-Sensorwerte und Temperaturmesswerte zu glätten, etwa durch eine Linearisierung. Die linearisierten MEMS-Sensorwerte und Temperaturmesswerte werden einer zweiten Recheneinheit 6 bereitgestellt, welche einen ersten Kompensationsschritt durchführt, wobei die MEMS-Sensormesswerte anhand der Temperaturmesswerte kompensiert werden.
Die linearisierten MEMS-Sensorwerte und Temperaturmesswerte werden weiter einer dritten Recheneinheit 7 bereitgestellt, welche Differenzen der Temperaturmesswerte berechnet und diese einer vierten Recheneinheit 8 bereitstellt. Die vierte Recheneinheit 8 führt einen zweiten Kompensationsschritt durch, wobei die bereits anhand der Temperaturmesswerte kompensierten MEMS-Sensorwerte auch anhand der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte kompensiert werden. Die zeitliche Ableitung der Temperaturmesswerte wird dabei durch die Differenzen der Temperaturmesswerte dargestellt.
Die Kompensation kann unter Verwendung von Koeffizienten erfolgen, welche etwa die Beiträge von additiven Faktoren gewichten, welche von der ersten oder von höheren zeitlichen Ableitungen der Temperaturmesswerte abhängen. Die Koeffizienten können in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. Die Koeffizienten können sensorspezifisch sein, aber auch teileindividuell ermittelt worden sein. Die teileindividuelle Ermittlung kann etwa in einem 2nd-Level-Package erfolgen, bzw. darauf optimiert sein, indem die dort auftreten Temperatureffekte berücksichtigt werden.
Obwohl die ersten bis vierten Recheneinheiten 5 bis 8 als separate Einheiten beschrieben worden sind, können diese auch in einer einzigen Einheit, etwa in einem Mikroprozessor umgesetzt sein.
Die nach dem zweiten Kompensationsschritt erhaltenen kompensierten MEMS-Sensormesswerte werden in ein Register 9 geschrieben und weiter einer First-in-First-out (FIFO)-Steuerlogik 10 bereitgestellt, welche einen FIFO-Speicher 11 steuert und die kompensierten MEMS-Sensormesswerte in dem FIFO-Speicher 11 speichert.
Die in dem FIFO-Speicher 11 und in dem Register 9 gespeicherten kompensierten MEMS-Sensormesswerte können über eine digitale Schnittstelle 12 (etwa eine I2C-Schnittstelle, eine I3C-Schnittstelle oder eine SPI-Schnittstelle) an ein Host-System 300 ausgegeben werden.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So kann etwa auch nur entweder ein FIFO-Speicher 11 oder ein Register 9 vorhanden sein.
Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Kompensation bereits auf dem ASIC implementiert. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist die Recheneinrichtung 13 jedoch auch Teil des Host-Systems 300.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Sensorvorrichtung 200. Eine MEMS-Sensoreinrichtung 2, etwa ein Drucksensor, ist über eine Verbindungsschicht 23 auf einem ASIC 22 angeordnet. Der ASIC 22 ist auf einem Substrat 21 angeordnet. Weiter befindet sich eine Temperatursensoreinrichtung 3 auf dem ASIC, welche eine Temperatur in der Umgebung der MEMS-Sendeeinrichtung 2 misst. Die Temperatursensoreinrichtung 3 kann von der MEMS-Sendeeinrichtung 2 beabstandet sein. Die MEMS-Sendeeinrichtung 2 und der ASIC 22 werden durch eine metallische Abdeckung 24 geschützt. Die Temperatursensoreinrichtung 3 und die MEMS-Sendeeinrichtung 2 übermitteln Messsignale an eine Recheneinrichtung 13, welche, wie oben beschrieben, die MEMS-Sensorwerte unter Berücksichtigung der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte kompensiert. Die Recheneinrichtung 13 kann auch in den ASIC integriert sein.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Temperaturverlaufs 31 am ASIC 22, eines entsprechenden Temperaturverlaufs 32 bei der MEMS-Sendeeinrichtung 2 und einer beispielhaften Temperaturverteilung zwischen einem Minimalwert min von etwa 25°C und einem Maximalwert max von etwa 42°C. Die in der MEMS-Sendeeinrichtung 2 auftretenden Temperaturgradienten führen zu Fehlern im MEMS-Messsignal, z.B. aufgrund mechanischer Verspannungen, die möglicherweise durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialen noch verstärkt werden können. Aber auch bei homogenen Ausdehnungskoeffizienten muss mit Verspannungen gerechnet werden. Darüber hinaus kann es noch weitere physikalische Ursachen geben, insbesondere Effekte elastischer oder viskoelastischer Natur.
Die in 3 gezeigten Abhängigkeiten resultieren von einem Aufheizprozesses, bei dem die Unterseite mittels eines Temperaturschrittes aufgeheizt wird. Illustriert ist also die Sprungantwort. Mittels der Methoden der Systemtheorie können hieraus auch die entsprechenden Verläufe für andere Temperaturverläufe berechnet werden. Die Temperaturdifferenzen von ASIC 22 und MEMS-Sensoreinrichtung 2 sind weitgehend mit der Ableitung der gemessenen Temperaturen korreliert.
4 zeigt beispielhafte Druck- und Temperaturverläufe zur Erläuterung des Kompensierens von Druckmesswerten. Die Sensorvorrichtung wird dabei Temperaturwechseln unterzogen, wobei die Temperatur einem Temperaturverlauf 41 folgt. Um Wetterdriften usw. ausklammern zu können, wird die MEMS-Signaldifferenz 43 zu einem Referenzsensor betrachtet, wobei sich eine Abweichung E ergibt. Weiter ist die Ableitung 42 der Temperatur dargestellt, welche zur besseren Sichtbarkeit mit dem Faktor 10 multipliziert ist. Dieser Wert wird zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte mit einem Faktor multipliziert und zum MEMS-Sensormesswert addiert. Der Verlauf 44 der kompensierten MEMS-Sensormesswerte hat dann einen niedrigeren Fehler.
5 zeigt weitere beispielhafte Druck- und Temperaturverläufe zur Erläuterung des Kompensierens von Druckmesswerten, unter Verwendung eines zeitlichen Versatzes der Temperaturmesswerte. Die Kompensation 44 in 4 wurde für steigende Temperaturen optimiert, während bei der fallenden Temperatur ein Restfehler bleibt. Die Kompensation 54 mit zeitlichem Versatz ist nochmals verbessert.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Messverfahrens, welches insbesondere mit einer der oben beschriebenen Sensorvorrichtung 100, 200 durchgeführt werden kann.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden MEMS-Sensormesswerten durch eine MEMS-Sensoreinrichtung 2 erzeugt, wobei die MEMS-Sensoreinrichtung 2 auf einem ASIC 22 angeordnet ist.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden Temperaturmesswerte durch eine auf oder in dem ASIC 22 angeordnete Temperatursensoreinrichtung 3 erzeugt.
In einen dritten Verfahrensschritt S3 werden die MEMS-Sensormesswerte unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte kompensiert, wobei zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte berücksichtigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2211156 B1 [0003]
DE 102013213065 B4 [0003]
US 2021053819 A [0006]
US 2008297955 A1 [0006]
US 10877059 B2 [0006]

Claims

Sensorvorrichtung (100; 200), mit: einer mikroelektromechanischen, MEMS,-Sensoreinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, MEMS-Sensormesswerte zu erzeugen; einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, (22) wobei die MEMS-Sensoreinrichtung (2) auf dem ASIC (22) angeordnet ist; einer auf oder in dem ASIC (22) angeordneten Temperatursensoreinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, Temperaturmesswerte zu erzeugen; und einer Recheneinrichtung (13), welche dazu ausgebildet ist, die MEMS-Sensormesswerte unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte zu kompensieren, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zu berücksichtigen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 1, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, die Sensormesswerte unter Verwendung eines ersten additiven Faktors zu kompensieren, welcher proportional zu der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte ist.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, die Sensormesswerte unter Verwendung eines zweiten additiven Faktors zu kompensieren, welcher proportional zum Produkt der Temperaturmesswerte und der zeitlichen Ableitung der Temperaturmesswerte ist.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte mindestens eine höhere zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zu berücksichtigen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, weitere Temperaturmesswerte von mindestens einer weiteren Temperatursensoreinrichtung zu empfangen, wobei die mindestens eine weitere Temperatursensoreinrichtung eine Komponente der Sensorvorrichtung (100; 200) ist oder in einer Umgebung der Sensorvorrichtung (100; 200) angeordnet ist; und wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte mindestens eine Differenz der Temperaturmesswerte der Temperatursensoreinrichtung (3) und der weiteren Temperaturmesswerte der mindestens einen weiteren Temperatursensoreinrichtung zu berücksichtigen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, das Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte in Abhängigkeit von zumindest der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte nur dann durchzuführen, wenn ein Wert der zeitlichen Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, das Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte weiter in Abhängigkeit von einer Abtastrate der MEMS-Sensoreinrichtung (2) durchzuführen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte die zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte zeitlich zu versetzen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Kompensation der MEMS-Sensormesswerte eine Unsicherheit der kompensierten MEMS-Sensormesswerte zu berechnen.
Sensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 9, wobei die Recheneinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, die berechnete Unsicherheit der kompensierten MEMS-Sensormesswerte an eine externe Einrichtung (300) auszugeben und/oder ein Interrupt-Signal an die externe Einrichtung (300) auszugeben, falls die berechnete Unsicherheit einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Messverfahren mit den Schritten: Erzeugen (S1) von MEMS-Sensormesswerten durch eine mikroelektromechanische, MEMS,-Sensoreinrichtung (2), wobei die MEMS-Sensoreinrichtung (2) auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, (22) angeordnet ist; Erzeugen (S2) von Temperaturmesswerten durch eine auf oder in dem ASIC (22) angeordnete Temperatursensoreinrichtung (3); und Kompensieren (S3) der MEMS-Sensormesswerte unter Berücksichtigung der Temperaturmesswerte, wobei zum Kompensieren der MEMS-Sensormesswerte zumindest eine zeitliche Ableitung der erzeugten Temperaturmesswerte berücksichtigt wird.