WO2012130541A1 - Steuerschaltung, sensoranordnung und verfahren zum betrieb einer steuerschaltung - Google Patents

Steuerschaltung, sensoranordnung und verfahren zum betrieb einer steuerschaltung Download PDF

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WO2012130541A1
WO2012130541A1 PCT/EP2012/053220 EP2012053220W WO2012130541A1 WO 2012130541 A1 WO2012130541 A1 WO 2012130541A1 EP 2012053220 W EP2012053220 W EP 2012053220W WO 2012130541 A1 WO2012130541 A1 WO 2012130541A1
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WO
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charge pump
control circuit
sensor
control signal
voltage
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PCT/EP2012/053220
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rex Kho
Samiran Halder
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5726—Signal processing

Definitions

  • the invention is based on a control circuit according to the preamble of claim 1.
  • Such control circuits for controlling gyroscopes are well known.
  • a rotation rate sensor which has a seismic mass which is excited by means of capacitive driving means to a Coriolis oscillation. If a rate of rotation is present, a coriolis force acts on the seismic mass which deflects the seismic mass essentially perpendicular to both the Coriolis oscillation and the rate of rotation. The deflection is proportional to the rate of rotation, so that a measurement of the deflection by means of detection means is to be used as a measure of the applied rate of rotation.
  • a DC voltage is usually applied whose voltage level is increased beyond the electrical potential of the supply voltage by means of a charge pump (English charge charge pump).
  • the control voltage is usually generated by a digital-to-analog converter on an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) and amplified accordingly with an amplifier also located on the ASIC.
  • the connection for the supply voltage of the amplifier is connected to the charge pump in order to achieve a corresponding increase in the voltage level.
  • Such a charge pump is known for example from the document US 6,300,820 B1.
  • the increased control voltage is applied from the amplifier to an output pad of the ASIC.
  • the control signal input pad (also called quadrature frequency Control pad) of the actual rotation rate sensor is connected, for example via a bonding wire, with the output pad of the ASIC.
  • a disadvantage of this arrangement is that by the down control of the charge pump by the amplifier, the amplifier has a comparatively high
  • control circuit according to the invention, the sensor arrangement according to the invention and the method according to the invention for operating a control circuit according to the independent claims have the advantage over the prior art that the power requirement is considerably reduced. This is achieved by the charge pump being connected directly to the sensor interface and not connected to the sensor interface via an additional amplifier or down-regulated by the amplifier. The control signal is applied directly to the charge pump and not to an input of the additional amplifier arranged between the charge pump and the sensor interface, so that the voltage regulation at the sensor
  • the control circuit is on a semiconductor substrate, in particular silicon, and particularly preferably arranged on an ASIC.
  • the ASIC preferably has a sensor interface in the form of a pad (contact surface), which particularly preferably comprises an ESD (electro-static discharge) structure.
  • the charge pump preferably comprises a multistage charge pump, ie in particular a cascade connection of a plurality of charge pump gain stages.
  • the control circuit according to the invention is provided in particular for controlling a rotation rate sensor and preferably for quadrature control of a rotation rate sensor, wherein the control signal is applied here in particular in the form of a DC control signal at the sensor interface.
  • the control circuit according to the invention for the control of any actuators and / or sensors, in particular active sensors.
  • the sensor and / or actuator in particular comprises a sensor and / or actuator integrated in a semiconductor substrate, preferably silicon and particularly preferably by surface micromechanics.
  • the control circuit has a directly electrically conductively connected to the charge pump voltage regulator, wherein the charge pump is disposed between the voltage regulator and the sensor interface.
  • the voltage regulator is in particular connected to the voltage supply of the charge pump, so that the output voltage of the charge pump can advantageously be controlled directly via the control signal.
  • the voltage regulator comprises, for example, a simple source follower.
  • control circuit comprises a directly to the charge pump electrically conductively connected digital-to-analog converter for converting a digital control signal into an analog control signal, wherein the charge pump between the digital-to-analog converter and the sensor interface is.
  • the output signal of the digital-to-analog converter is thus used to control the supply voltage of at least a first stage of the charge pump.
  • the digital-to-analog converter can be compared to The prior art is preferably formed much more compact space, since the resolution of the digital-to-analog converter 1 to 1 from the input to the output of the control circuit is transmitted and not - as in the prior art - the resolution is multiplied by an amplifier between input and output (which also multiplies deviations / errors).
  • the charge pump comprises a multi-stage charge pump, wherein a first stage of the multi-stage charge pump is electrically conductively connected to the voltage regulator and preferably to the digital-to-analog converter.
  • the multistage charge pump comprises at least one further stage, which is electrically conductively connected to at least one further voltage regulator.
  • the output voltage ranges of the further stages of the charge pump via the other voltage regulators are adjustable, so that an efficient adaptation of the control circuit to the requirements of the sensor and / or actuator is achieved.
  • Another object of the present invention is a sensor arrangement comprising a control circuit according to the invention, wherein the charge pump is connected via the sensor interface directly to a control interface of the sensor.
  • the charge pump is thus directly connected to the sensor.
  • the control signal whose voltage level has been increased by the charge pump in a particularly power-saving manner, is used in particular for the quadrature frequency control of a rotation rate sensor.
  • the control interface therefore particularly comprises a quadrature or frequency control pad with an ESD structure.
  • the leakage currents occurring in this case are based primarily on leakage currents in the ESD structure, which are comparatively low in comparison to the leakage currents occurring in the amplifier known from the prior art.
  • Frequency control pad essentially provides only an electrical capacity so that no significant currents occur at the commonly used low frequencies.
  • Another object of the present invention is a method for operating a control circuit, wherein the electrical voltage of a control signal is increased by means of a charge pump and wherein the control signal from the charge pump is passed directly to a sensor interface, which is configured for connection to a sensor is.
  • a sensor interface which is configured for connection to a sensor is.
  • the sensor interface preferably comprises a quadrature and / or frequency control pad of the sensor and / or actuator.
  • the electrical control signal is coupled via a voltage regulator to the charge pump, so that the output voltage of the charge pump can be controlled directly via the control signal.
  • control signal is converted by means of a voltage regulator in the form of a digital-to-analog converter from a digital control signal into an analog control signal.
  • a digital control signal is therefore to be used to control the operating method according to the invention and to control the sensor and / or actuator.
  • the electrical voltage of the control signal is increased by means of a multi-stage charge pump, wherein the control signal is passed through the voltage regulator to a first stage of the multi-stage charge pump and preferably at least one further stage of the multi-stage charge pump via a more
  • Charge regulator is regulated.
  • the output voltage of the charge pump is to be increased to a multiple of the supply voltage, wherein the output voltage of the charge pump by means of the further charge controller or the digital-to-analog converter is preferably precisely adjustable.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a sensor arrangement with a control circuit according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of a sensor arrangement with a control circuit according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a sensor arrangement 10 with a control circuit 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the sensor arrangement has the control circuit 1, as well as a sensor 2 embodied by way of example as a micromechanical rotation rate sensor.
  • the control circuit 1 is realized on an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) T, while the sensor 2 is realized on a separate substrate 2 'processed by means of surface micromechanics.
  • the rotation rate sensor 1 comprises a relative to the substrate 2 'movably suspended seismic mass 13 (often referred to as Coriolis or sensor element).
  • the seismic mass 13 is excited by means of capacitive drive units 14 to a working vibration 15, which in the present example is aligned parallel to a main extension plane 100 of the substrate 2 '.
  • the drive units 14 ' comprise substrate-fixed finger electrode structures 14', between which counter electrodes 14 "of the seismic mass 13 formed as finger electrodes engage, and an alternating voltage applied on each side of the seismic mass 13 between the finger electrode structures 14 'and the counter electrodes 14" generates due to electrostatic Interaction between the finger electrode structures 14 'and the counter electrodes 14 "a driving force on the seismic mass 13, whereby the working vibration 15th is induced.
  • a Coriolis force acts perpendicular to the main extension plane 100 on the seismic mass 13, causing a Coriolis deflection 17 of the seismic mass 3 perpendicular to the main extension plane 100.
  • the Coriolis deflection 6 is a measure of the rate of rotation 16 to be measured and is measured capacitively by means of surface electrode elements 18, which are arranged, for example, between the seismic mass 13 and the substrate 2 '.
  • the quadrature frequency control of the rotation rate sensor is performed by the control circuit 1, which is coupled to the drive units 14 via a control interface 9, in particular a quadrature frequency control pad, of the sensor 2, for example.
  • the control circuit 1 has a charge pump 5, which is connected via a sensor interface 3 directly and directly to the control interface 9 electrically conductive. The voltage regulation at the sensor interface 3 thus takes place directly through the charge pump 5.
  • the sensor interface 3 and the control interface 9 comprise, for example, contact pads and / or contact pins, which are electrically conductively connected to one another via bonding wires and / or via a printed circuit board. To protect against electrostatic overvoltages, the pads are preferably each equipped with ESD structures (not shown).
  • a digital control signal 4, 4 ' is converted into an analog control signal 4, 4 "on the ASIC T by means of a voltage regulator 6 designed in the form of a digital-to-analog converter 6'
  • the analog control signal 4, 4" is fed directly to a voltage supply connection of the Charge pump 5 created.
  • the charge pump 5 serves to increase the voltage level beyond the supply voltage available on the ASIC 1 ', so that, in particular, an efficient quadrature compensation can be controlled.
  • FIG. 2 shows a schematic view of a sensor arrangement 10 with a control circuit 1 according to a second embodiment of the present invention, the second embodiment being substantially similar to the first embodiment illustrated in FIG.
  • the control circuit 1 in turn serves to control any desired actuator and / or sensor 2, which comprises a corresponding (sensor) interface 9, in particular a pedestal, and an active actuator or sensor element 12.
  • the control circuit 1 further comprises the charge pump 5, which in the present example as a multi-stage La The number of stages 7, 7 ', 7 "depends on the requirements of the voltage level of the amplified analog control signal 4"' at the Sensor interface 3.
  • the fact that the charge pump 5 has more than the three stages 7, 7 ', 7 "shown in FIG. 2, as required, is schematically indicated by dots 19 in FIG.
  • the digital control signal 4 ' is converted by means of the digital-to-analog converter into an analog control signal 4 ", which is applied to the input of a first stage 7 of the charge pump 5.
  • the supply voltage 20 of the first stage 7 is further corresponding by means of a further voltage regulator 8 Following the first stage 7, the further stages 7 ', 7 “of the charge pump 5, their supply voltages 20 also being adjusted by further voltage regulators 8.
  • the output of the last further stage 7 " is electrically conductively connected directly to the sensor interface 3, so that the amplified analog control signal 4"'is output to the sensor interface 3.
  • the voltage regulation at the sensor interface 3 is thus effected directly by the supply and / or the input voltage to the charge pump 5.
  • the analog control signal 4 ' is connected directly to the supply voltage terminal 20 of the first stage 7.

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Abstract

Es wird eine Steuerschaltung zur Steuerung eines Aktors und/oder Sensors, insbesondere eines Drehratensensors vorgeschlagen, wobei die Steuerschaltung eine Sensor-Schnittstelle aufweist, welche zur Übermittelung eines Steuersignals an den Sensor konfiguriert ist, und wobei die Steuerschaltung eine Ladungspumpe zur Erhöhung einer elektrischen Spannung des Steuersignals aufweist und wobei ferner die Ladungspumpe unmittelbar mit der Sensor-Schnittstelle elektrisch leitfähig verbunden ist.

Description

Beschreibung Titel
Steuerschaltung, Sensoranordnung und Verfahren zum Betrieb einer Steuerschaltung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Steuerschaltungen zur Steuerung von Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2009 000 168 A1 ein Drehratensensor bekannt, welcher eine seismische Masse aufweist, die mit Hilfe von kapazitiv arbeitenden Antriebsmitteln zu einer Coriolisschwingung angeregt wird. Beim Vorliegen einer Drehrate wirkt auf die seismische Masse eine Corio- liskraft, welche die seismische Masse im Wesentlichen senkrecht sowohl zur Coriolisschwingung, als auch zur Drehrate auslenkt. Die Auslenkung ist dabei proportional zur Drehrate, so dass eine Messung der Auslenkung mittels Detekti- onsmitteln als Maß für die anliegende Drehrate zu verwenden ist. Zur Quadraturregelung der Coriolisschwingung wird üblicherweise eine Gleichspannungssteuerspannung angelegt, deren Spannungsniveau mit Hilfe einer Ladungspumpe (engl. Charge Pump) über das elektrische Potential der Versorgungsspannung hinaus erhöht wird. Die Steuerspannung wird dabei üblicherweise von einem Digital-Analog-Konverter auf einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) erzeugt und mit einem ebenfalls auf dem ASIC befindlichen Verstärker entsprechend verstärkt. Der Anschluss für die Versorgungsspannung des Verstärkers wird dabei mit der Ladungspumpe verbunden, um eine entsprechende Anhebung des Spannungsniveaus zu erzielen. Eine solche Ladungspumpe ist beispielsweise aus der Druckschrift US 6 300 820 B1 bekannt. Die erhöhte Steuerspannung wird ausgehend vom Verstärker an ein Ausgangspad des ASIC 's angelegt. Das Steuersignal-Eingangspad (auch als Quadratur-Frequenz- Regelungspad bezeichnet) des eigentlichen Drehratensensors wird, beispielsweise über einen Bonddraht, mit dem Ausgangspad des ASIC's verbunden.
Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass durch die Runterregelung der Ladungs- pumpe durch den Verstärker, der Verstärker einen vergleichsweise hohen
Stromverbrauch aufweist. Dies ist erforderlich, da einerseits ein großer Spannungsbereich am Ausgang des Verstärkers verfügbar sein muss und andererseits der Spannungsbereich am Ausgang des Verstärkers sehr präzise einstellbar sein muss, d.h. es wird eine hohe Auflösung benötigt. Zum Erzielen dieser hohen Auflösung muss ferner der Digital-Analog-Konverter vergleichsweise hochauflösend ausgebildet sein, wodurch zusätzlich ein vergleichsweise großer Flächen- und Strombedarf auf dem ASIC entsteht.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Steuerschaltung, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Steuerschaltung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Strombedarf erheblich reduziert wird. Dies wird da- durch erreicht, dass die Ladungspumpe direkt mit der Sensor-Schnittstelle verbunden ist und nicht über einen zusätzlichen Verstärker mit der Sensor- Schnittstelle verbunden bzw. durch den Verstärker runtergeregelt ist. Das Steuersignal wird direkt an der Ladungspumpe angelegt und nicht an einem Eingang des zwischen der Ladungspumpe und der Sensor-Schnittstelle angeordneten zu- sätzlichen Verstärkers, so dass die Spannungsregelung an der Sensor-
Schnittstelle durch die Versorgungs- und/oder der Eingangsspannung an der Ladungspumpe erfolgt. Die aus dem Stand der Technik bekannte Verwendung des zusätzlichen Verstärkers wird somit vollständig eingespart. Es hat sich gezeigt, dass der Strombedarf hierdurch um ein Vielfaches gesenkt wird, da der Ausgang der Ladungspumpe nicht, wie im Stand der Technik, durch den Verstärker runtergeregelt wird. Insbesondere arbeitet die Ladungspumpe lediglich im benötigten Spannungsbereich des Steuersignals, so dass am Ausgang der Ladungspumpe lediglich ein kleiner Spannungsbereich und eine geringere Genauigkeit notwendig sind und nicht wie beim Stand der Technik permanent der gesamte potentiell mögliche Spannungsbereich mit hoher Präzision zur Verfügung gestellt werden muss. Bevorzugt ist die Steuerschaltung auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere Silizium, und besonders bevorzugt auf einem ASIC angeordnet. Der ASIC weist vorzugsweise eine Sensor-Schnittstelle in Form eines Pad's (Kontaktfläche) auf, welches besonders bevorzugt eine ESD- (eletro-static di- scharge) Struktur umfasst. Die Ladungspumpe umfasst vorzugsweise eine mehrstufige Ladungspumpe, d.h. insbesondere eine Kaskadenschaltung mehrerer Ladungspumpen-Verstärkungsstufen. Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist insbesondere zur Steuerung eines Drehratensensors und vorzugsweise zur Quadraturregelung eines Drehratensensors vorgesehen, wobei das Steuersignal hier insbesondere in Form eines DC-Steuersignals an der Sensor-Schnittstelle angelegt wird. Alternativ ist jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße Steuerschaltung für die Ansteuerung jedweder Aktoren und/oder Sensoren, insbesondere aktiver Sensoren, zu verwenden. Der Sensor und/oder Aktor umfasst insbesondere einen in ein Halbleitersubstrat, bevorzugt Silizium und besonders bevorzugt mittels Oberflächenmikromechanik integrierten Sensor und/oder Aktor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung einen mit der Ladungspumpe unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Spannungsregler aufweist, wobei die Ladungspumpe zwischen dem Spannungsregler und der Sensor-Schnittstelle angeordnet ist. Der Spannungsregler ist insbesondere an die Spannungsversorgung der Ladungspumpe angeschlossen, so dass die Ausgangsspannung der Ladungspumpe vorteilhafterweise direkt über das Steuersignal steuerbar ist. Der Spannungsregler umfasst beispielsweise einen einfachen Sourcefolger.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuerschaltung einen mit der Ladungspumpe unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Digital-Analog-Konverter zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals in ein analoges Steuersignal aufweist, wobei die Ladungspumpe zwischen dem Digital-Analog-Konverter und der Sensor-Schnittstelle angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit das Ausgangssignal des Digital-Analog-Konverters zur Steuerung der Versorgungsspannung zumindest einer ersten Stufe der Ladungspumpe verwendet. Der Digital-Analog-Konverter kann im Vergleich zum Stand der Technik vorzugsweise wesentlich bauraumkompakter ausgebildet werden, da die Auflösung des Digital-Analog-Konverters 1 zu 1 vom Eingang zum Ausgang der Steuerschaltung übertragen wird und nicht - wie im Stand der Technik - die Auflösung durch einen Verstärker zwischen Eingang und Ausgang multipliziert wird (wodurch sich auch Abweichungen/Fehler multiplizieren).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladungspumpe eine mehrstufige Ladungspumpe umfasst, wobei eine erste Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe mit dem Spannungsregler und vorzugsweise mit dem Digital-Analog-Konverter elektrisch leitfähig verbunden ist. In vorteilhafter
Weise ist somit eine Erhöhung des Spannungsniveaus des Steuersignals um ein Vielfaches der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung möglich. Beispielsweise wird somit eine effiziente Ansteuerung des Drehratensensors oder anderer aktiver Sensoren ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mehrstufige Ladungspumpe wenigstens eine weitere Stufe umfasst, welche mit wenigstens einem weiteren Spannungsregler elektrisch leitfähig verbunden ist. In vorteilhafter Weise sind die Ausgangsspannungsbereiche der weiteren Stufen der Ladungspumpe über die weiteren Spannungsregler einstellbar, so dass eine effiziente Anpassung der Steuerschaltung an die Erfordernisse des Sensors und/oder Aktors erzielt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung aufweisend eine erfindungsgemäße Steuerschaltung, wobei die Ladungspumpe über die Sensor-Schnittstelle unmittelbar mit einer Steuerschnittstelle des Sensors verbunden ist. In vorteilhafter Weise ist die Ladungspumpe somit unmittelbar mit dem Sensor verbunden. Das Steuersignal, dessen Spannungsniveau durch die Ladungspumpe in besonders stromsparender Weise erhöht wurde, wird insbesondere zur Quadraturfrequenzregelung eines Drehratensensors verwendet. Die Steuerschnittstelle umfasst daher insbesondere ein Quadratur- oder Frequenzregelungspads mit einer ESD-Struktur. Die hierbei auftretenden Verlustströme basierend hauptsächlich auf Verlustströmen in der ESD-Struktur, welche im Vergleich zu den im aus dem Stand der Technik bekannten Verstärker auftretenden Verlustströmen vergleichsweise niedrig sind. Das Quadratur- oder
Frequenzregelungspad stellt im Wesentlichen lediglich eine elektrische Kapazität dar, so dass bei den üblicherweise verwendeten niedrigen Frequenzen keine wesentlichen Ströme auftreten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Be- trieb einer Steuerschaltung, wobei die elektrische Spannung eines Steuersignals mittels einer Ladungspumpe erhöht wird und wobei das Steuersignal von der Ladungspumpe unmittelbar an eine Sensor-Schnittstelle geleitet wird, welche zum Anschluss an einen Sensor konfiguriert ist. Vorteilhafterweise wird somit kein zusätzlicher Verstärker zwischen der Ladungspumpe und der Sensor-Schnittstelle benötigt, so dass der Stromverbrauch im Vergleich zum Stand der Technik erheblich gesenkt wird. Die Sensor-Schnittstelle umfasst vorzugsweise ein Quadratur- und/oder Frequenzregelungspad des Sensors und/oder Aktors.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elektrische Steuersignal über einen Spannungsreglers an die Ladungspumpe gekoppelt wird, so dass die Ausgangsspannung der Ladungspumpe unmittelbar über das Steuersignal regelbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuersig- nal mittels eines Spannungsreglers in Form eines Digital-Analog-Konverters von einem digitalen Steuersignal in ein analoges Steuersignal gewandelt wird. Vorteilhafterweise ist somit ein digitales Steuersignal zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens und zur Steuerung des Sensors und/oder Aktors zu verwenden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das die elektrische Spannung des Steuersignal mittels einer mehrstufigen Ladungspumpe erhöht wird, wobei das Steuersignal über den Spannungsregler an eine erste Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe geleitet wird und wobei vorzugsweise wenigs- tens eine weitere Stufe der mehrstufigen Ladungspumpe über einen weiteren
Ladungsregler geregelt wird. In vorteilhafter Weise ist somit die Ausgangsspannung der Ladungspumpe auf ein Vielfaches der Versorgungsspannung zu steigern, wobei die Ausgangsspannung der Ladungspumpe mittels der weiteren Ladungsregler oder dem Digital-Analog-Konverter vorzugsweise präzise justierbar ist. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung mit einer Steuerschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 2 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung mit einer Steuerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 10 mit einer Steuerschaltung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung weist die Steuerschaltung 1 , sowie einen beispielhaft als mikromechanischen Drehratensensor ausgebildeten Sensor 2 auf. Die Steuerschaltung 1 ist auf einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit) T realisiert, während der Sensor 2 auf einem separaten mittels Oberflä- chenmikromechanik bearbeiteten Substrat 2' realisiert ist. Der Drehratensensor 1 umfasst eine gegenüber dem Substrat 2' beweglich aufgehängte seismische Masse 13 (häufig auch als Coriolis- oder Sensor-Element bezeichnet). Die seismische Masse 13 wird mittels kapazitiver Antriebseinheiten 14 zu einer Arbeitsschwingung 15 angeregt, welche im vorliegenden Beispiel parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2' ausgerichtet ist. Die Antriebseinheiten 14' umfassen dazu substratfeste Fingerelektrodenstrukturen 14', zwischen welche als Fingerelektroden ausgebildete Gegenelektroden 14" der seismischen Masse 13 eingreifen. Eine auf jeder Seite der seismischen Masse 13 jeweils zwischen den Fingerelektrodenstrukturen 14' und den Gegenelektroden 14" angelegte Wechselspannung erzeugt aufgrund von elektrostatischer Wechselwirkung zwischen den Fingerelektrodenstrukturen 14' und den Gegenelektroden 14" eine Antriebskraft auf die seismische Masse 13, wodurch die Arbeitsschwingung 15 induziert wird. Liegt nun eine Drehrate 16 an, welche beispielsweise senkrecht zur Arbeitsschwingung 15 und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgerichtet ist, wirkt auf die seismische Masse 13 eine Corioliskraft senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100, wodurch eine Coriolisauslenkung 17 der seismischen Masse 3 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 verursacht wird. Die Coriolisauslenkung 6 ist ein Maß für die zu messende Drehrate 16 und wird mittels Flächenelektrodenelementen 18, welche beispielsweise zwischen der seismischen Masse 13 und dem Substrat 2' angeordnet sind, kapazitiv vermessen. Die Quadratur-Frequenz-Regelung des Drehratensensors erfolgt durch die Steuerschaltung 1 , welche über eine Steuerschnittstelle 9, insbesondere ein Quadra- tur-Frequenz-Regelungspad, des Sensors 2 beispielsweise mit den Antriebseinheiten 14 gekoppelt ist. Die Steuerschaltung 1 weist eine Ladungspumpe 5 auf, welche über eine Sensor-Schnittstelle 3 unmittelbar und direkt mit der Steuerschnittstelle 9 elektrisch leitfähig verbunden ist. Die Spannungsregelung an der Sensor-Schnittstelle 3 erfolgt somit unmittelbar durch die Ladungspumpe 5. Die Sensor-Schnittstelle 3 und die Steuerschnittstelle 9 umfassen beispielsweise Kontaktpads und/oder Kontaktpins, welche über Bonddrähte und/oder über eine Leiterplatte miteinander elektrisch leitfähig verbunden sind. Zum Schutz vor elektrostatischen Überspannungen sind die Pads vorzugsweise jeweils mit ESD- Strukturen ausgestattet (nicht abgebildet). Ein digitales Steuersignal 4, 4' wird auf dem ASIC T mittels eines in Form eines Digital-Analog-Wandlers 6' ausgebildeten Spannungsreglers 6 in ein analoges Steuersignal 4, 4" umgewandelt. Das analoge Steuersignal 4, 4" wird direkt an einen Spannungsversorgungsanschluss der Ladungspumpe 5 angelegt. Die Ladungspumpe 5 dient zur Erhöhung des Spannungsniveaus über die auf dem ASIC 1 ' zur Verfügung stehende Versorgungsspannung hinaus, so dass insbesondere eine effiziente Quadraturkompensation steuerbar ist.
In Figur 2 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 10 mit einer Steuerschaltung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht. Die Steuerschaltung 1 dient wiederum zur Steuerung eines beliebigen Aktors und/oder Sensors 2, welcher eine entsprechende (Sensor-)Schnittstelle 9, insbesondere ein Päd, und ein akti- ves Aktor- oder Sensorelement 12 umfasst. Die Steuerschaltung 1 weist ferner die Ladungspumpe 5 auf, welcher im vorliegenden Beispiel als mehrstufige La- dungspumpe ausgebildet ist, d.h. die Ladungspumpe 5 weist eine Mehrzahl von Stufen 7, 7', 7" auf. Die Anzahl der Stufen 7, 7', 7" richtet sich nach den Anforderungen an das Spannungsniveau des verstärkten analogen Steuersignals 4"' an der Sensor-Schnittstelle 3. Dass die Ladungspumpe 5 je nach Bedarf mehr als die in Figur 2 eingezeichneten drei Stufen 7, 7', 7" aufweist, ist in Figur 2 durch Punkte 19 schematisch angedeutet. Das digitale Steuersignal 4' wird mittels des Digital-Analog-Konverters in ein analoges Steuersignal 4" umgewandelt, welches an den Eingang einer ersten Stufe 7 der Ladungspumpe 5 angelegt wird. Die Versorgungsspannung 20 der ersten Stufe 7 wird ferner mittels eines weiteren Spannungsreglers 8 entsprechend justiert. Auf die erste Stufe 7 folgend die weiteren Stufen 7', 7" der Ladungspumpe 5, wobei deren Versorgungsspannungen 20 ebenfalls durch weitere Spannungsregler 8 justiert werden. Der Ausgang der letzten weiteren Stufe 7" ist unmittelbar mit der Sensor-Schnittstelle 3 elektrisch leitfähig verbunden, so dass das verstärkte analoge Steuersignal 4"' an die Sensor-Schnittstelle 3 ausgegeben wird. Die Spannungsregelung an der Sensor- Schnittstelle 3 erfolgt somit unmittelbar durch die Versorgungs- und/oder der Eingangsspannung an der Ladungspumpe 5. Alternativ ist denkbar, dass das analoge Steuersignal 4' direkt an den Versorgungsspannungsanschluss 20 der ersten Stufe 7 angeschlossen wird.

Claims

Steuerschaltung (1) zur Steuerung eines Aktors und/oder Sensors (2), insbesondere eines Drehratensensors, wobei die Steuerschaltung (1) eine Sensor-Schnittstelle (3) aufweist, welche zur Übermittelung eines Steuersignals (4) an den Sensor (2) konfiguriert ist, und wobei die Steuerschaltung (1) eine Ladungspumpe (5) zur Erhöhung einer elektrischen Spannung des Steuersignals (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpe (5) unmittelbar mit der Sensor-Schnittstelle (3) elektrisch leitfähig verbunden ist.
Steuerschaltung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) einen mit der Ladungspumpe (5) unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Spannungsregler (6) aufweist, wobei die Ladungspumpe (5) zwischen dem Spannungsregler (6) und der Sensor-Schnittstelle (3) angeordnet ist.
Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) einen mit der Ladungspumpe (5) unmittelbar elektrisch leitfähig verbundenen Digital-Analog-Konverter (6') zur Umwandlung eines digitalen Steuersignals (4') in ein analoges Steuersignal (4") aufweist, wobei die Ladungspumpe (5) zwischen dem Digital- Analog-Konverter (6') und der Sensor-Schnittstelle (3) angeordnet ist.
Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpe (5) eine mehrstufige Ladungspumpe (5') umfasst, wobei eine erste Stufe (7) der mehrstufigen Ladungspumpe (5') mit dem Spannungsregler (6) und vorzugsweise mit dem Digital-Analog- Konverter (6') elektrisch leitfähig verbunden ist.
Steuerschaltung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrstufige Ladungspumpe (5') wenigstens eine weitere Stufe (7') umfasst, welche mit wenigstens einem weiteren Spannungsregler (8) elektrisch leitfähig verbunden ist.
Sensoranordnung (10) aufweisend eine Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einen Sensor (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpe (5) über die Sensor-Schnittstelle (3) unmittelbar mit einer Steuerschnittstelle (9) des Sensors (2) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb einer Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung eines Steuersignals (4) mittels einer Ladungspumpe (5) erhöht wird und dass das Steuersignal (4) von der Ladungspumpe (5) unmittelbar an eine Sensor- Schnittstelle (3) geleitet wird, welche zum Anschluss an einen Sensor (2) konfiguriert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Steuersignal (4) über einen Spannungsreglers (6) an die Ladungspumpe (5) gekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (4) mittels eines Spannungsreglers (6) in Form eines Digital-Analog-Konverters (6') von einem digitalen Steuersignal (4') in ein analoges Steuersignal (4") gewandelt wird. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das die elektrische Spannung des Steuersignal (4) mittels einer mehrstufigen Ladungspumpe (5) erhöht wird, wobei das Steuersignal (4) über den Spannungsregler (6) an eine erste Stufe (7) der mehrstufigen Ladungspumpe (5') geleitet wird und wobei vorzugsweise wenigstens eine weitere Stufe (7') der mehrstufigen Ladungspumpe (5') über einen weiteren Ladungsregler (6) geregelt wird.
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