DE19635923C1 - Verfahren zur Antriebsanregung von Schwingern zur kapazitiven Messung von Kraft, Beschleunigung und/oder Drehraten - Google Patents
Verfahren zur Antriebsanregung von Schwingern zur kapazitiven Messung von Kraft, Beschleunigung und/oder DrehratenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Antriebsanregung
von schwingenden Strukturen für Sensoren zur kapazitiven Messung von
physikalischen Größen wie Kraft, Beschleunigung und/oder von
Drehraten über die Bestimmung von Corioliskräften, bei dem eine auf die
Eigenfrequenz des Sensors abgestimmte Folge von Spannungspulsen
einen mit dem Sensor verbundenen Antriebskondensator beaufschlagt.
Vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich kommen im Rahmen der
Erfindung plattenförmige Schwinger zur Anwendung.
Bei der Art der Sensoren handelt es sich um solche, bei denen frequenz
analoge Anregungsverfahren und drall- bzw. impulserhaltende Meß
prinzipien angewendet und bei der Auslesung Drall- bzw. Pulsänderungen
erfaßt werden. Als Beispiel wird in erster Linie auf Coriolis-Drehraten
sensoren Bezug genommen.
Die Messung von Drehraten durch die Bestimmung von Corioliskräften ist
grundsätzlich bekannt und wird in einigen Ausführungsformen von
Sensoren dieser Gattung praktisch genutzt.
Bei den zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Coriolis-Drehratensensoren
werden zur Anregung von Schwingungen und bei der Auslesung piezo
elektrische Effekte genutzt. In US 4 578 650 wird beispielsweise vor
geschlagen, zur Schwingungsanregung ein Rechtecksignal zu verwenden,
um die Einflüsse von Störkapazitäten in Zeitschlitze der Signalübergänge
zu legen um dadurch abzugleichende Brückenschaltungen zu vermeiden
und mit einfacheren Filterkreisen auskommen zu können.
Ein Problem bei allen Sensoren dieser Art besteht darin, daß die in der
Regel elektrostatische Anregung in den Auslesekanal einkoppelt. Durch
Toleranzen in den Flächen, Elektrodenschichten, über die nur idealer
weise orthogonal zur Schwingerfläche wirkenden Attraktionskräfte wird
ein Teil des Anregungssignals in den Auslesekanal eingekoppelt. Da beide
Signale mit der gleichen Frequenz auftreten, muß dieser Fehler kompen
siert werden. Diese Kompensation weist in der Regel Temperatur
abhängigkeiten auf. Erschwerend kommt hinzu, daß die Amplituden der
kapazitiv auszulesenden im Sub-Mikrovoltbereich liegenden Signale um
mehrere Größenordnungen unter denen der anregenden Signale liegen,
woraus Stabilitätsprobleme für ein Nullpunktsignal resultieren. Für die
Trennung der Antriebsimpulse von diesen äußerst schwachen Auslesesi
gnalen werden hohe Trenndämpfungen verlangt. Dabei reicht die
Trennung durch Abschirmung, konstruktive Symmetrie und elektronische
Maßnahmen, wie getrennte Erdschleifen für Antrieb und Auslesung,
Gleichtaktunterdrückung in der Signalverstärkung, usw. für genauere
Sensoren nicht aus.
Es sind Anordnungen solcher Sensoren vorgeschlagen worden, die mikro
mechanisch vorzugsweise aus Silicium hergestellt Sensorelemente
verwenden, für die in der Regel kapazitive Abgriffe vorgesehen werden.
Für den Antrieb wird meist ein elektrostatischer Aktuator vorgesehen.
Auch für diese bekannten Anordnungen stellt das Übersprechen der An
regung in die Ausleseelektronik ein Problem dar.
Als Ausweg wurde ein elektromagnetischer Antrieb vorgeschlagen (vgl. US
4 791 815), für den allerdings ein unerwünscht hoher Strombedarf
erforderlich wird, was die Verlustleistung der Gesamtanordnung stark
erhöht. Andere bekannte Lösungen benutzen für die Auslesung
Trägerfrequenzverfahren und/oder Frequenzumsetzerverfahren, für die
ein erheblicher elektronischer Mehraufwand erforderlich ist (vgl. US
5 481 914).
Im folgenden wird die Problematik bekannter elektrostatischer Antriebs
verfahren anhand der Fig. 4 dargestellt, wobei gleichzeitig auf Fig. 4 der
früheren DE-Patentanmeldung 195 20 051.9 Bezug genommen wird.
Für die einseitige Anregung eines plattenförmigen Schwingers 101
(unsymmetrische Anordnung) mit einer im dargestellten Beispiel ober
seitigen Elektrode 100 bzw. für die beidseitige Anregung über zwei
Elektroden 100 bzw. 102 (symmetrische Anordnung; vergleiche auch Fig.
4 der genannten älteren DE-Patentanmeldung) ist der auf die Eigen
frequenz des Schwingers 101 abgestimmte zeitliche Verlauf der
Anregungsspannungen und der daraus resultierenden Kräfte oder Kraft
pulse in den Diagrammen der Fig. 4(a) und 4(b) dargestellt. Durch Pfeile
in dem jeweiligen Kraft-Zeit-Diagramm ist angedeutet, daß - bedingt
durch den bekannten quadratischen Zusammenhang zwischen der
Antriebsspannung und den resultierenden Kräften - zwischen der/den
nur schematisch angedeuteten Elektrode(n) 101 bzw. 100, 102 und dem
Schwinger nur Attraktionskräfte möglich sind. Im Fall der Fig. 4(a), also
bei einseitiger Anregung kann deshalb nur eine Halbwelle der Erreger
spannung für den Antrieb genutzt werden. Für die beidseitige Anregung
ist der zeitliche Verlauf der Erregerspannungen und der resultierenden
Kräfte in den zeitbezogenen Diagrammen der Fig. 4(b) veranschaulicht.
Der Schwinger 101 wird durch die zeitliche Aufeinanderfolge der Attrak
tionskräfte beider Elektroden 100 bzw. 102, die beidseitig vorhanden sein
können, erregt.
In beiden Fällen müssen für die Anregung des Schwingers 101 relativ hohe
Spannungen verwendet werden, von denen Anteile auf elektrostatischem
oder auf galvanischem Wege unvermeidlich in den Auslesekanal ein
koppeln.
Bei der Messung von Drehraten im Genauigkeitsbereich von eineigen Grad
pro Sekunde und darunter, sind - wie erwähnt - die Auslesesignale um
mehrere Größenordnungen kleiner als die Signale (Spannungspulse) für
die Schwingungsanregung. Zwar können die Kopplungen in dem Auslese
signal durch sorgfältige Leitungsführung klein gehalten werden. Jedoch
ist die geforderte Signaltrennung in der Größenordnung von 100 dB und
mehr mit erheblichem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kapa
zitiven Antriebsanregung von schwingenden plattenförmigen Schwingern
von Sensoren, insbesondere zur Messung von Drehraten anzugeben,
durch das sich die erwähnten Probleme der Einkopplung der Anregungs
signale in den Auslesekanal zuverlässig vermeiden lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kapazitiven Antriebsanregung von
schwingenden, vorzugsweise plattenförmigen Strukturen von Sen
soren zur kapazitiven Messung von physikalischen Größen wie Kraft,
Beschleunigung und/oder Drehraten über die Bestimmung von Corio
liskräften, bei dem eine auf die Eigenfrequenz der schwingenden Struktur
abgestimmte Folge von Spannungspulsen einen mit dem Schwinger verkoppel
ten Antriebskondensator beaufschlagt, ist durch die Merkmale des Patentan
spruchs 1 gekennzeichnet.
Durch Zuschalten bzw. Wegschalten einer oder mehrerer Perioden der Recht
eckspannung bei den einzelnen HF-Pulspaketen kann die Pulsweite bzw.
Pulsbreite der jeweiligen Pulspakete oder die Pulsphase über Prozessoren zur
Regelung der Schwingeranregung verändert werden.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug
auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungsform erläutert.
Fig. 1 zeigt eine der bereits erläuterten Fig. 4 entsprechende
Darstellung zur einseitigen bzw. beidseitigen Anregung eines
Schwingers durch phasen- oder pulsbreitengeregelte gleich
spannungsfreie HF-Pulspakete;
Fig. 2 dient zur Erläuterung, wie die Anregung eines Schwingers
aufgrund der Erfindung verändert werden kann;
Fig. 3 vermittelt Anhaltspunkte dafür, wie die Frequenz der HF-Erreger
pulspakete in Relation zur Schwingereigenfrequenz gewählt
werden sollte;
Fig. 4 verdeutlicht eine bereits erläuterte prinzipielle
Anordnung zur elektrostatischen Anordnung linearer
Schwinger;
Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform für eine
flächenmäßige Verteilung und Anordnung von Elektroden
für einen ein- oder zweiseitig anregbaren Schwinger eines
mikromechanischen Drehratensensors mit Geschwin
digkeitsregelung bzw. Drehratenrückstellung, wie er in
der bereits angesprochenen DE-Patentanmeldung P
195 20 051.9 beschrieben ist;
Fig. 6 verdeutlicht eine Brückenschaltung zur Auslesung eines
Sensorsignals über das sich eine Antriebskorrektur bzw.
das Drehratensignal gewinnen läßt; und
Fig. 7 zeigt eine Modelldarstellung eines mikromechanischen,
auf dem Coriolisprinzip beruhenden Drehratensensors,
für den sich die erfindungsgemäße Antriebstechnik gut
eignet.
Erfindungsgemäß kann das direkte Einkoppeln des Anregungssignals in
das Auslesesignal eines schwingenden Sensors der hier in Rede stehenden
Art durch Verwendung eines Träger- oder Hochfrequenzsignals in Form
von Pulspaketen vermieden werden. Nachteilig wäre daran zunächst die
Notwendigkeit einer zusätzlichen synchronen Demodulationsstufe und
die Erzeugung eines entsprechenden Referenzsignals. Wie sich aus Fig. 1,
deren Darstellung der Fig. 4 entspricht, für die einseitige Anregung eines
Schwingers 101 (Fig. 1(a) bzw. für die zweiseitige Anregung Fig. 1(b))
ersehen läßt, wird erfindungsgemäß eine hochfrequente Rechteckspan
nung ohne Gleichspannungsanteile benutzt.
Da die auf den Schwinger 101 ausgeübten Momente bzw. Kräfte von der
angelegten Spannung quadratisch abhängig sind, wirken die positiven
und negativen Halbwellen der Pulspakete P1, P2, . . . ausschließlich in
Attraktionsrichtung auf den Schwinger 101, wie die Kraft-/Zeit-Dia
gramme der Teile (a) und (b) der Fig. 1 durch entsprechende Pfeile
erkennen lassen.
Wird wie erwähnt, die Amplitude des aus den Pulspaketen P1, P2,
bestehenden Anregungssignals konstant gehalten, so wirkt ein Attrak
tions-Momentenpuls um die Schwingerachse bzw. ein Kräftepuls in
Schwingungsrichtung.
Die Fig. 2 mit Teilfiguren (a) bis (c) veranschaulicht, für den Fachmann
unmittelbar einleuchtend, wie die auf den Schwinger wirkende durch ein
einzelnes Pulspaket P bewirkte Attraktionskraft sowohl in ihrer Breite als
auch in der Phase verschoben werden kann, um eine optimale Resonanz
anregung des Schwingers zu erreichen. Die Phase und die Breite des
Momenten- bzw. Kräftepulses F läßt sich auf einfache Weise, z. B. digital
beeinflussen, um dadurch das gesamte Schwingersystem zu regeln.
Ersichtlicherweise kann das vom elektrostatischen Antrieb erzeugte
Moment oder die Kraftkomponente leicht über mehr oder weniger Perioden
pro Pulspaket linear verändert werden.
Wie die Fig. 3 zeigt, lassen sich in den Sensorausgang übergekoppelte
Anteile der HF-Anregung durch einen geeignet gewählten großen
Frequenzunterschied zwischen der Schwingereigenfrequenz fs und der
Hochfrequenz der Erregerpulse fEP mittels Filter heraussieben. In Fig. 3
ist ein Ausführungsbeispiel für eine zweiseitige Anregung eines Platten
schwingers veranschaulicht. Die mittlere Kurve zeigt einen prinzipiellen
Kurvenverlauf eines herausgefilterten Auslesesignals A.
Durch Aufteilung der Anregungselektroden e₃₁, e₃₂ und der
Ausleseelektroden e₁₁, e₁₂, wie sie in Fig. 5 veranschaulicht ist, und
entsprechend einem von einer Rückstellelektronik 11P erzeugten Signal,
ist es ferner möglich, Momente MD in der Ausleseachse (orthogonalen
Schwingerachse) zum Zweck der Rückstellung des Meßausschlags zu
erzeugen (Closed Loop-Prinzip).
Die Ausgangsgröße eines Coriolis-Drehratensensors mit Rückstellung ist
proportional zur Schwingergeschwindigkeit. Für die Konstanz des
Sensorskalenfaktors ist die Schwingergeschwindigkeit konstant zu
halten. Zur Regelung der Schwingergeschwindigkeit kann die Kapazitäts
änderung der Antriebskapazität oder einer Elektrode bzw. eines Elektro
denpaars herangezogen werden, wofür Fig. 6 ein Beispiel zeigt. Dabei wird
für die direkte Auslesung des Sensorsignals die Ladungsverschiebung ±
dC aufgrund der Änderung eines oder im dargestellten Beispiel zweier
(mehrerer) Kondensatoren benutzt, wobei als Kapazitäten sowohl die
Antriebselektroden e₃₁, e₃₂ als auch zusätzliche Elektroden e₁₁, e₁₂
(vergleiche Fig. 5) benutzt werden können. Die Halb- bzw. Vollbrücke wird
dabei mit einer konstanten Gleichspannung beaufschlagt.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Dreh
ratensensors, für den sich das erfindungsgemäße Anregungs- und Aus
leseverfahren gut eignet. Dieser Sensor besteht im Prinzip aus drei Wafer
schichten, nämlich einer oberen Deckplatte 13, einer unteren Deckplatte
14 und einem dazwischen angeordneten Rahmen 11, innerhalb dessen
über Stege 15 der plattenförmige Schwinger 12 gehalten ist, bei dem aus
Gründen der übersichtlichen Darstellung Elektrodenbeläge weggelassen
sind. Die obere bzw. untere Deckplatte sind spiegelsymmetrisch
zueinander angeordnet. Die Flächenverteilung der über Durchführungen
10 kontaktierbaren Anregungselektroden e₃₁, e₃₂ bzw. Auslese- oder
Abgriffelektroden e₁₁, e₁₂ ist auf der Innenfläche der unteren Deckplatte
14 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur kapazitiven Antriebsanregung hat
mindestens eine der folgenden Eigenschaften und bietet die folgenden
Vorteile:
- 1. Für die Anregung der Erregerschwingungen wird die elektro statische Attraktionskraft zwischen zwei unterschiedlich gelade nen Flächen benutzt. Die zur Schwingungsanregung anzulegende Wechselspannung hat eine wesentlich höhere Frequenz als der eigentliche Schwinger 12 und ist frei von Gleichspannungs anteilen bzw. niederen Frequenzkomponenten. Vorzugsweise wird eine Rechteckspannung mit konstanter Amplitude benutzt. Durch Zuschalten bzw. Wegschalten einer oder mehrerer Perioden der Rechteckspannung kann die Pulsweite oder Pulsphase über Prozessoren im Sinne einer Regelung der Schwingeranregung verändert werden.
- 2. Eine rückstellende Meßanordnung läßt sich verwirklichen, wenn
das Antriebssignal entsprechend dem Drehratensignal auf
gespalten wird und - wie anhand der Fig. 5 veranschaulicht - auf
entsprechend aufgeteilte Elektroden aufgeschaltet wird oder
indem parallel zum Antriebssignal ein vom Antriebssignal
abgeleitetes und entsprechend einem Signalabgriff aufgespaltetes
Zusatzsignal auf ein zusätzliches Elektrodenpaar e21, e22 (Fig. 5)
geschaltet wird. Die Anordnung der Elektroden ist im ersten Fall
so gewählt, daß sie außer zum Antrieb um die Antriebsachse bzw.
Antriebsrichtung auch zur Rückstellung des Sensorsignals in der
Ausleseachse geeignet ist. Im zweiten Fall ist das gesonderte
Elektrodenpaar lediglich für die Rückstellung vorgesehen. Beim
Rückstellsignal Null ist die Aufteilung also 1 : 1.
Durch Kompensation der durch Drehraten erzeugten Schwinger bewegungen sind somit rückgestellte Systeme realisierbar. Ein konstanter Nullpunktfehler läßt sich auf diese Art ebenfalls vergleichsweise einfach kompensieren. - 3. Bei den vorstehenden Erläuterungen wurde von der Verwen dung von Spannungszeitinkrementen zur Anregung bzw. Regelung und Rückstellung ausgegangen. Es sind jedoch auch signalver arbeitungstechnische Lösungen denkbar, bei denen Strom zeitinkremente benutzt werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur kapazitiven Antriebsanregung von schwingenden Struk
turen (101; 12) bei Sensoren zur kapazitiven Messung von physikalischen
Größen wie Kraft, Beschleunigung und/oder Drehraten über die Bestimmung
von Corioliskräften, wobei ein mit dem Sensor verbundener Antriebskonden
sator (e₃₁, e₃₂) mit hochfrequenten, aus Rechteckspannungspulsen bestehen
den Pulspaketen (P1, P2 . . .) beaufschlagt wird, wobei die Frequenz der Recht
eckspannungsimpulse (fEP) ein Vielfaches der Eigenfrequenz (fs) der schwingen
den Struktur (101; 12) ist, wobei die zeitliche Abfolge der Pulspakete (P1, P2 . . .)
auf die Eigenfrequenz (fs) der schwingenden Struktur (101; 12) abgestimmt ist
und wobei die Pulspakete (P1, P2 . . .) keine Gleichspannungsanteile aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der
Antriebsspannung auf den plattenförmig gestalteten Sensor ausgeübte Kraft
pulse durch Änderung der Breite der Rechteckspannungsimpulse (fEP) pro
Pulspaket (P1, P2, . . .) geregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei zur Schwingungsachse paarweise
symmetrische Anordnung von mindestens zwei Anregungselektroden (e₃₁, e₃₂),
dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des auf den Sensor wirkenden
Antriebsmoments die Breite und/oder die Phase der Spannungsimpulse der
Pulspakete verändert wird.
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