DE102009045422B4

DE102009045422B4 - Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement

Info

Publication number: DE102009045422B4
Application number: DE102009045422.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Franke; Frank Freund; Christoph Meisel Daniel; Jochen Beintner; Alexander Buhmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: DE102009045422A1

Abstract

Sensoranordnung (1), insbesondere Drehratensensor, mit einem Substrat (2) und einem auf dem Substrat (2) angeordneten Sensorelement (3), wobei das Sensorelement (3) eine gegenüber dem Substrat (2) auslenkbare seismische Masse zur Sensierung einer Beschleunigung aufweist und wobei das Sensorelement (3) ein Detektionselement zur Erzeugung eines ersten Sensorsignals (10) in Abhängigkeit einer Auslenkung der seismischen Masse aufweist, wobei auf dem Substrat (2) ferner ein Pulsweitenmodulator (4) angeordnet ist, welcher zur Erzeugung eines zweites Sensorsignals (10') durch eine Pulsweitenmodulation des ersten Sensorsignals (10) konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulator (4) einen mikromechanischen Komparator (5) umfasst, welcher zum Vergleichen des ersten Sensorsignals (10) mit einem Trägersignal (12) konfiguriert ist.Sensor arrangement (1), in particular a rotation rate sensor, with a substrate (2) and a sensor element (3) arranged on the substrate (2), wherein the sensor element (3) has a seismic mass that can be deflected relative to the substrate (2) for sensing an acceleration, and wherein the sensor element (3) has a detection element for generating a first sensor signal (10) depending on a deflection of the seismic mass, wherein a pulse width modulator (4) is also arranged on the substrate (2), which is configured to generate a second sensor signal (10') by pulse width modulation of the first sensor signal (10), characterized in that the pulse width modulator (4) comprises a micromechanical comparator (5) which is configured to compare the first sensor signal (10) with a carrier signal (12).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a sensor arrangement according to the preamble of claim 1.

Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2005 055 474 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, welcher einen ersten und einen zweiten Chip umfasst. Der erste Chip weist eine mikromechanische Einrichtung zur Detektion einer auftretenden Beschleunigung auf, während der zweite Chip eine Auswerteeinheit zum Auswerten der detektierten Beschleunigung aufweist. Nachteilig dabei ist, dass analoge Detektionssignale des ersten Chips zur Aufbereitung erst zum zweiten Chip übertragen werden müssen. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Detektionssignale auf dem Weg vom ersten Chip zum zweiten Chip durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung und dergleichen, verfälscht werden. Darüberhinaus sind aus den Druckschriften DE 101 08 196 A1 , DE 101 08 197 A1 und DE 102 37 410 A1 Drehratensensoren mit Coriolis-Elementen bekannt, wobei jeweils ein Coriolis-Element zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt wird, wobei beim Vorliegen einer Drehrate parallel zur einer dritten Achse (senkrecht zur ersten Achse) das Coriolis-Element durch eine auf das Coriolis-Element wirkende Corioliskraft parallel zu einer zweiten Achse (senkrecht zur ersten und zur dritten Achse) ausgelenkt wird und wobei ein Detektionsmittel die Auslenkung des Coriolis-Elements kapazitiv oder piezoelektrisch detektiert. Die detektierte Auslenkung ist dabei abhängig von der Drehrate. Aus der Druckschrift DE 102 36 773 A1 ist ferner ein Beschleunigungssensor mit einem Substrat und einem Feldeffekttransistor bekannt, wobei der Feldeffekttransistor ein relativ zum Substrat bewegliches Gate aufweist. Eine Bewegung des beweglichen Gates relativ zum Substrat dient dabei zur Modulation eines Stromflusses durch einen Ladungskanal zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des Feldeffekttransistors. Die Veröffentlichung WO 2009/009803 A2 zeigt eine Sensoranordnung mit einem Drehratensensor und einem Multiplexer auf einem Substrat Die Veröffentlichung WO 2003/093763 A1 zeigt einen Drehratensensor mit einem pulsweitenmodulierten Antriebssignal. Die Veröffentlichung DE 10 2009 002 723 A1 offenbart ein mikromechanisches Messelement mit Moving Gate Elektrode, und die Veröffentlichung DE 10 2009 001 856 A1 zeigt eine Vorrichtung zum resonanten Antreiben eines mikromechanischen Systems.Such sensor arrangements are generally known. For example, the publication EN 10 2005 055 474 A1 an acceleration sensor is known which comprises a first and a second chip. The first chip has a micromechanical device for detecting an acceleration that occurs, while the second chip has an evaluation unit for evaluating the detected acceleration. The disadvantage here is that analog detection signals from the first chip must first be transmitted to the second chip for processing. This creates the risk that the detection signals are distorted on the way from the first chip to the second chip by external influences, such as electromagnetic radiation and the like. In addition, the publications EN 101 08 196 A1 , EN 101 08 197 A1 and DE 102 37 410 A1 Rotation rate sensors with Coriolis elements are known, whereby a Coriolis element is excited to oscillate parallel to a first axis, whereby when a rotation rate parallel to a third axis (perpendicular to the first axis) is present, the Coriolis element is deflected parallel to a second axis (perpendicular to the first and third axes) by a Coriolis force acting on the Coriolis element and whereby a detection means detects the deflection of the Coriolis element capacitively or piezoelectrically. The detected deflection depends on the rotation rate. From the publication DE 102 36 773 A1 Furthermore, an acceleration sensor with a substrate and a field effect transistor is known, wherein the field effect transistor has a gate that is movable relative to the substrate. A movement of the movable gate relative to the substrate serves to modulate a current flow through a charge channel between the source and drain terminals of the field effect transistor. The publication WO 2009/009803 A2 shows a sensor arrangement with a gyroscope and a multiplexer on a substrate The publication WO 2003/093763 A1 shows a yaw rate sensor with a pulse width modulated drive signal. The publication EN 10 2009 002 723 A1 discloses a micromechanical measuring element with moving gate electrode, and the publication EN 10 2009 001 856 A1 shows a device for resonantly driving a micromechanical system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sowohl das Sensorelement, als auch der Pulsweitenmodulator auf einem Substrat, d.h. auf dem gleichen Sensorchip, angeordnet sind. In vorteilhafter Weise ist der Signalweg zwischen dem Detektionselement und dem Pulsweitenmodulator somit vergleichsweise kurz. In vorteilhafter Weise wird durch die Pulsweitenmodulation des ersten Sensorsignals eine Analog-Digital-Konvertierung des analogen ersten Sensorsignals erzielt, so dass das zweite Sensorsignal ein digitales Signal umfasst, welches wesentlich störunempfindlicher gegenüber ungewünschten äußeren Einflüssen, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung, parasitäre Kapazitäten, elektrische Widerstände, Temperatur- und/oder Packageeinflüsse, ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine vergleichsweise aufwändige Abschirmung beim Transport des zweiten Sensorsignals zu einer weiteren Auswerteschaltung bzw. zu einem separaten Auswertechip einsparbar und/oder ist eine größere räumliche Distanz beim Transport des zweiten Sensorsignals zu einer weiteren Auswerteschaltung bzw. zu einem separaten Auswertechip überbrückbar, ohne dass das zweite Sensorsignal dabei durch die oben genannten äußeren Einflüsse negativ beeinträchtigt wird. Die Signalübertragung zum Auswertechip wird somit robuster und die Partitionierung zwischen Sensorchip und Auswertechip ist wesentlich flexibler zu gestalten. Darüberhinaus wird der Flächenbedarf auf dem Auswertechip reduziert. Das Substrat umfasst bevorzugt ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt ein Siliziumsubstrat. Ein Substrat im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere einen Wafer und/oder einen Waferstapel (Chip Stack).The sensor arrangement according to the invention and the method according to the invention for operating a sensor arrangement according to the independent claims have the advantage over the prior art that both the sensor element and the pulse width modulator are arranged on a substrate, i.e. on the same sensor chip. The signal path between the detection element and the pulse width modulator is therefore advantageously comparatively short. The pulse width modulation of the first sensor signal advantageously achieves an analog-digital conversion of the analog first sensor signal, so that the second sensor signal comprises a digital signal which is significantly less susceptible to interference from unwanted external influences, such as electromagnetic radiation, parasitic capacitances, electrical resistances, temperature and/or package influences. In an advantageous manner, comparatively complex shielding can thus be dispensed with when transporting the second sensor signal to a further evaluation circuit or to a separate evaluation chip and/or a larger spatial distance can be bridged when transporting the second sensor signal to a further evaluation circuit or to a separate evaluation chip without the second sensor signal being negatively affected by the external influences mentioned above. The signal transmission to the evaluation chip is thus more robust and the partitioning between the sensor chip and the evaluation chip can be designed to be much more flexible. In addition, the space required on the evaluation chip is reduced. The substrate preferably comprises a semiconductor substrate and particularly preferably a silicon substrate. A substrate in the sense of the present invention comprises in particular a wafer and/or a wafer stack (chip stack).

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous embodiments and further developments of the invention can be found in the dependent claims and the description with reference to the drawings.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Pulsweitenmodulator einen mikromechanischen Komparator umfasst, welcher zum Vergleichen des ersten Sensorsignals mit einem Trägersignal konfiguriert ist. In vorteilhafter Weise wird durch die Realisierung des Pulsweitenmodulators als ein mikromechanisches Bauelement, eine Implementierung der Pulsweitenmodulation auf dem Substrat, d.h. auf den Sensorchip, erzielt. Vorteilhafterweise ist der mikromechanische Komparator dabei im mikromechanischen Herstellungsprozess, welcher zur Herstellung des Sensorelements dient, herstellbar. Die Herstellung des Sensorelements und des Komparators in einem gemeinsamen Herstellungsprozess ermöglicht dabei vorzugsweise eine Designabstimmung dahingehend, dass der Einfluss von Prozesstoleranzen auf z.B. die Empfindlichkeit des Sensorelements minimierbar ist (Empfindlichkeitskompensation). In vorteilhafter Weise wird durch den Komparator ein digitales zweites Sensorsignal erzeugt, welches eine Bitbreite 1 mit hoher Abtastrate (Überabtastung) aufweist.According to the invention, the pulse width modulator comprises a micromechanical comparator which is configured to compare the first sensor signal with a carrier signal. By implementing the pulse width modulator as a micromechanical component, an implementation of the pulse width modulation on the substrate, i.e. on the sensor chip, is advantageously achieved. The micromechanical comparator can advantageously be manufactured in the micromechanical manufacturing process which is used to manufacture the sensor element. The manufacture of the sensor element and the comparator The use of the comparator in a common manufacturing process preferably enables design coordination such that the influence of process tolerances on, for example, the sensitivity of the sensor element can be minimized (sensitivity compensation). The comparator advantageously generates a digital second sensor signal which has a bit width of 1 with a high sampling rate (oversampling).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Anregungselement zur Anregung einer Antriebsschwingung der seismischen Masse aufweist, wobei das Sensorelement zur Erzeugung eines dritten Sensorsignals in Abhängigkeit der Antriebsschwingung ausgebildet ist und wobei das Substrat einen weiteren Pulsweitenmodulator aufweist, welcher zur Erzeugung eines vierten Sensorsignals durch eine Pulsweitenmodulation des dritten Sensorsignals konfiguriert ist, wobei der weitere Pulsweitenmodulator vorzugsweise einen weiteren mikromechanischen Komparator umfasst, welcher zum Vergleichen des dritten Sensorsignals mit dem Trägersignal konfiguriert ist. In vorteilhafter Weise umfasst das Sensorelement somit insbesondere einen Drehratensensor. Ferner wird auch das dritte Sensorsignal durch den weiteren Pulsweitenmodulator zu einem vierten Sensorsignal digitalisiert, so dass eine spätere Demodulation des zweiten Sensorsignals mit dem vierten Sensorsignal durchführbar ist, wobei in einfacher Weise lediglich störunempfindlichere digitale Signale miteinander verglichen werden müssen.According to a preferred embodiment, it is provided that the sensor element has an excitation element for exciting a drive vibration of the seismic mass, wherein the sensor element is designed to generate a third sensor signal depending on the drive vibration and wherein the substrate has a further pulse width modulator which is configured to generate a fourth sensor signal by pulse width modulation of the third sensor signal, wherein the further pulse width modulator preferably comprises a further micromechanical comparator which is configured to compare the third sensor signal with the carrier signal. The sensor element thus advantageously comprises in particular a rotation rate sensor. Furthermore, the third sensor signal is also digitized by the further pulse width modulator to form a fourth sensor signal, so that a later demodulation of the second sensor signal with the fourth sensor signal can be carried out, wherein in a simple manner only digital signals that are less sensitive to interference have to be compared with one another.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf dem Substrat ein vorzugsweise mikromechanischer Demodulator, insbesondere ein XOR-Gatter (exclusive or gate) angeordnet ist, welcher sowohl mit dem Pulsweitenmodulator, als auch mit dem weiteren Pulsweitenmodulator elektrisch leitfähig verbunden ist und welcher zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit eines mit dem vierten Sensorsignal demodulierten zweiten Sensorsignals konfiguriert ist. In vorteilhafter Weise wird in einfacher Weise eine Demodulation des zweiten Sensorsignals mit dem vierten Sensorsignal derart bewirkt, dass das Ausgangssignal auf „1“ geschaltet wird, sobald die digitalen Zustände des zweiten und des vierten Sensorsignals unterschiedlich zueinander sind, und dass das Ausgangssignal auf „0“ geschaltet wird, sobald die digitalen Zustände des zweiten und des vierten Sensorsignals gleich sind. Auf diese Weise wird die Frequenz der Antriebsschwingung aus dem zweiten Sensorsignal herausgefiltert, so dass ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, welches eine von dem Sensorelement gemessene Drehrate quantifiziert.According to a preferred embodiment, a preferably micromechanical demodulator, in particular an XOR gate (exclusive OR gate), is arranged on the substrate, which is electrically conductively connected to both the pulse width modulator and the further pulse width modulator and which is configured to generate an output signal depending on a second sensor signal demodulated with the fourth sensor signal. Advantageously, a demodulation of the second sensor signal with the fourth sensor signal is effected in a simple manner in such a way that the output signal is switched to "1" as soon as the digital states of the second and fourth sensor signals are different from one another, and that the output signal is switched to "0" as soon as the digital states of the second and fourth sensor signals are the same. In this way, the frequency of the drive vibration is filtered out of the second sensor signal, so that a digital output signal is generated which quantifies a rotation rate measured by the sensor element.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Komparator, der weitere Komparator und/oder das XOR-Gatter einen Feldeffekttransistor (FET) mit einem gegenüber dem Substrat beweglichen Gate umfasst. In vorteilhafter Weise wird somit die Differenz zweier Eingangssignale (erstes Sensorsignal und Trägersignal bzw. zweites Sensorsignal und Trägersignal bzw. drittes und viertes Sensorsignal) in eine mechanische Auslenkung des beweglichen Gates umgewandelt, welche über eine Modulation eines korrespondierenden Ladungskanals des Feldeffekttransistors (Kanal zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors) messbar ist. In vorteilhafter Weise sind somit für die Analog-Digital-Umwandlung notwendigen Digitalbausteine, wie Komparator und/oder XOR-Gatter, in einfacher Weise als mikromechanische Struktur realisierbar.According to a preferred embodiment, the comparator, the further comparator and/or the XOR gate comprise a field effect transistor (FET) with a gate that is movable relative to the substrate. In an advantageous manner, the difference between two input signals (first sensor signal and carrier signal or second sensor signal and carrier signal or third and fourth sensor signal) is thus converted into a mechanical deflection of the movable gate, which can be measured via a modulation of a corresponding charge channel of the field effect transistor (channel between drain and source of the field effect transistor). In an advantageous manner, the digital components required for the analog-digital conversion, such as comparator and/or XOR gate, can thus be implemented in a simple manner as a micromechanical structure.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das bewegliche Gate mittels eines ersten Antriebselements zu einer ersten Bewegung und mittels eines zweiten Antriebselements zu einer zur ersten Bewegung antiparallelen zweiten Bewegung antreibbar ist, wobei das erste Antriebselement mit dem ersten Sensorsignal und das zweite Antriebselement mit dem Trägersignal oder das erste Antriebselement mit dem dritten Sensorsignalsignal und das zweite Antriebselement mit dem Trägersignal oder das erste Antriebselement mit dem zweiten Sensorsignal und das zweite Antriebselement mit dem vierten Sensorsignal elektrisch leitfähig verbunden sind. In vorteilhafter Weise regen das erste und zweite Antriebselement erste und zweite Bewegungen an, welche diametral entgegengesetzt sind. Dies hat zur Folge, dass das bewegliche Gate nur beim Vorliegen einer Antriebskraftdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Antriebselement eine Bewegung durchführt, da sich andernfalls die Antriebskräfte des ersten und zweiten Antriebselements kompensieren. Der Ladungskanal des Feldeffekttransistors ist derart angeordnet, dass sowohl eine erste, als auch eine zweite Bewegung des beweglichen Gates ein Signal (insbesondere logisch 1) erzeugt.According to a preferred embodiment, it is provided that the movable gate can be driven by means of a first drive element to a first movement and by means of a second drive element to a second movement antiparallel to the first movement, wherein the first drive element is electrically conductively connected to the first sensor signal and the second drive element to the carrier signal or the first drive element is electrically conductively connected to the third sensor signal and the second drive element to the carrier signal or the first drive element is electrically conductively connected to the second sensor signal and the second drive element to the fourth sensor signal. Advantageously, the first and second drive elements stimulate first and second movements which are diametrically opposed. This has the consequence that the movable gate only carries out a movement when there is a driving force difference between the first and second drive elements, since otherwise the driving forces of the first and second drive elements compensate each other. The charge channel of the field effect transistor is arranged in such a way that both a first and a second movement of the movable gate generates a signal (in particular logic 1).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf dem Substrat ein mikromechanischer Signalgenerator angeordnet ist, welcher zur Erzeugung des Trägersignals konfiguriert ist, wobei das Trägersignal vorzugsweise ein Dreiecks- und/oder ein Sägezahnsignal umfasst. In vorteilhafter Weise werden somit alle für die Bereitstellung des digitalen Ausgangssignals wesentlichen Signale und Bausteine in mikromechanischen Strukturen erzeugt oder hergestellt, so dass eine vollständige Analog-Digital-Wandlung und Demodulierung des ersten Sensorsignals auf dem Substrat, d.h. auf dem Sensorchip implementierbar ist.According to a preferred embodiment, a micromechanical signal generator is arranged on the substrate, which is configured to generate the carrier signal, wherein the carrier signal preferably comprises a triangular and/or a sawtooth signal. Advantageously, all signals and components essential for providing the digital output signal are thus generated or manufactured in micromechanical structures, so that a complete analog-digital conversion and demodulation of the first sensor signal can be implemented on the substrate, i.e. on the sensor chip.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das erste Sensorsignal von dem Detektionselement erzeugt wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt das zweite Sensorsignal durch eine Pulsweitenmodulation des ersten Sensorsignals von dem Pulsenweitenmodulator erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Analog-Digital-Konvertierung auf dem Substrat, d.h. auf dem Sensorchip realisiert, so dass ein digitales zweites Sensorsignal erzeugt wird, welches im Vergleich zum ersten Sensorsignal deutlich störunempfindlicher gegenüber den oben genannten ungewünschten Einflüssen ist.Another object of the present invention is a method for operating a sensor sensor arrangement, wherein in a first method step the first sensor signal is generated by the detection element and wherein in a second method step the second sensor signal is generated by a pulse width modulation of the first sensor signal by the pulse width modulator. In an advantageous manner an analog-digital conversion is thus realized on the substrate, ie on the sensor chip, so that a digital second sensor signal is generated which, in comparison to the first sensor signal, is significantly less susceptible to interference from the undesirable influences mentioned above.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem dritten Verfahrensschritt ein drittes Sensorsignal von dem Sensorelement erzeugt wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt ein viertes Sensorsignal durch eine Pulsweitenmodulation des dritten Sensorsignals von einem weiteren Pulsweitenmodulator durchgeführt wird, wobei in einem fünften Verfahrensschritt ein Ausgangssignal durch eine Demodulation des zweiten Sensorsignals mit dem vierten Sensorsignal erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird ferner das zweite Sensorsignal bereits auf dem Substrat, d.h. auf dem Auswertechip mit dem vierten Sensorsignal demoduliert, so dass vom dem Auswertechip ein digitales Ausgangssignal bereitgestellt wird, welches die von dem Sensorelement detektierte Drehrate quantifiziert. Die Demodulation wird dabei vorzugsweise mittels eines mikromechanischen XOR-Gatters durchgeführt.According to the invention, in a third method step, a third sensor signal is generated by the sensor element, wherein in a fourth method step, a fourth sensor signal is implemented by pulse width modulation of the third sensor signal by a further pulse width modulator, wherein in a fifth method step, an output signal is generated by demodulation of the second sensor signal with the fourth sensor signal. Furthermore, the second sensor signal is advantageously demodulated on the substrate, i.e. on the evaluation chip with the fourth sensor signal, so that a digital output signal is provided by the evaluation chip, which quantifies the rotation rate detected by the sensor element. The demodulation is preferably implemented by means of a micromechanical XOR gate.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem ersten Sensorsignal und dem Trägersignal, im vierten Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem dritten Sensorsignal und dem Trägersignal und/oder im fünften Verfahrensschritt in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem zweiten und dem vierten Sensorsignal ein bewegliches Gate eines Feldeffekttransistors zu einer Bewegung angeregt wird, wobei in Abhängigkeit der Bewegung die elektrische Leitfähigkeit eines Ladungskanals des Feldeffekttransistors gesteuert wird. In vorteilhafter Weise wird das Gate dabei senkrecht oder parallel zum Substrat bewegt, so dass entweder die Überlappung zwischen dem Ladungskanal und dem Gate senkrecht zum Substrat oder der Abstand zwischen dem Landungskanal und dem Gate senkrecht zum Substrat durch die Bewegung des Gates verändert wird und somit eine Modulation des Ladungsflusses durch den Ladungskanal zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors erzielt wird.According to the invention, in the second method step, depending on a difference between the first sensor signal and the carrier signal, in the fourth method step depending on a difference between the third sensor signal and the carrier signal and/or in the fifth method step depending on a difference between the second and the fourth sensor signal, a movable gate of a field effect transistor is excited to move, wherein the electrical conductivity of a charge channel of the field effect transistor is controlled depending on the movement. The gate is advantageously moved perpendicularly or parallel to the substrate, so that either the overlap between the charge channel and the gate perpendicular to the substrate or the distance between the charge channel and the gate perpendicular to the substrate is changed by the movement of the gate, thus achieving a modulation of the charge flow through the charge channel between the drain and source of the field effect transistor.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Es zeigen

1 eine Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2 und 3 eine schematische Aufsicht und ein schematisches Schaltbild eines Pulsweitenmodulators einer Sensoranordnung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Show it

1 a sensor arrangement according to an exemplary embodiment of the present invention and
2 and 3 a schematic plan view and a schematic circuit diagram of a pulse width modulator of a sensor arrangement according to the exemplary embodiment of the present invention.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

In 1 ist eine Sensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die illustrierte Sensoranordnung 1 insbesondere einen Sensorchip umfasst. Die Sensoranordnung 1 weist ein Substrat 2 auf, auf welchem beispielhaft ein Sensorelement 3 in Form eines mikromechanischen Drehratensensors realisiert ist. Der Drehratensensor umfasst eine nicht dargestellte seismische Masse, welche mittels Anregungselementen zu einer Antriebsschwingung entlang einer ersten Richtung angeregt wird. Beim Vorliegen einer Drehrate um eine Drehachse entlang einer zur ersten Richtung senkrechten dritten Richtung wirken Corioliskräfte auf die seismische Masse, so dass die seismische Masse entlang einer zur ersten und zur dritten Richtung senkrechten zweiten Richtung ausgelenkt wird. Diese Auslenkung der seismischen Masse wird von einem nicht abgebildeten Detektionselement des Sensorelements 3 detektiert und als ein analoges erstes Sensorsignal 10, welches von der Auslenkung der seismischen Masse abhängt, von dem Detektionselement in einem ersten Verfahrensschritt bereitgestellt. Das Detektionselement ist mit einem Pulsweitenmodulator 4 elektrisch leitfähig verbunden. Der Pulsweitenmodulator 4 stellt ein zweites Sensorsignal 10` her, welche durch eine Pulsweitenmodulation des ersten Sensorsignals 10 in einem zweiten Verfahrensschritt erzeugt wird. Dazu wird der Pulsweitenmodulator 4 mit einem Trägersignal 12 versorgt, welches von einem Signalgenerator 14 erzeugt wird. Der Signalgenerator 14 ist vorzugsweise als mikromechanisches Bauelement in das Substrat 2 und den Sensorchip integriert. Optional ist aber auch denkbar, dass der Signalgenerator 14 vom Sensorchip getrennt realisiert ist und lediglich das Trägersignal 12 auf den Sensorchip geführt wird. Das Trägersignal 12 umfasst insbesondere ein Dreieckssignal oder ein gekapptes Dreieckssignal. Der Pulsweitenmodulator 4 umfasst einen mikromechanischen Komparator 5, welcher das erste Sensorsignal 10 mit dem Trägersignal 12 vergleicht und das zweite Sensorsignal 10` in Abhängigkeit dieses Vergleichs herstellt. Der Komparator 5 kann lediglich zwei Schaltzustände unterscheiden: „0“ und „1“. Das zweite Sensorsignal 10` umfasst somit eine Abfolge von Pulsen, deren Pulsbreite (Weite) durch Abtasten des ersten Sensorsignals 10 moduliert wird. Folglich erzeugt der Komparator 5 ein digitales zweites Sensorsignal 10'. Aufgrund der Antriebsschwingung ist das erste Sensorsignal 10 mit der Antriebsfrequenz der Antriebsschwingung moduliert, so dass eine entsprechende Demodulation des zweiten Sensorsignals 10` nach der Drehrate durchgeführt werden muss, um ein digitales Ausgangssignal 13 zu erzeugen, welches lediglich von der detektierten Drehrate abhängt. Dazu wird von dem Sensorelement 3 in einem dritten Verfahrensschritt ein analoges drittes Sensorsignal 11 bereitgestellt, welches von der Antriebsschwingung der seismischen Masse abhängig ist. Dieses dritte Sensorsignal 11 wird analog zum ersten Sensorsignal 10 mittels eines weiteren Pulsweitenmodulators 6 in einem vierten Verfahrensschritt pulsweitenmoduliert. Der weitere Pulsweitenmodulator 6 umfasst einen mikromechanischen weiteren Komparator 7, welcher ebenfalls mit dem Signalgenerator 14 elektrisch leitfähig verbunden ist und mit dem Trägersignal 12 beaufschlagt wird. Der weitere Komparator 7 stellt analog zum zweiten Sensorsignal 10` ein digitales viertes Sensorsignal 11 ` bereit, welches durch einen Vergleich des dritten Sensorsignals 11 mit dem Trägersignal 12 erzeugt wird. Der Pulsweitenmodulator 4 und der weitere Pulsweitenmodulator 6 sind jeweils elektrisch leitfähig mit einem Demodulator 8 verbunden, welcher ein mikromechanisches XOR-Gatter 9 umfasst. Der Demodulator 8 demoduliert in einem fünften Verfahrensschritt das zweite Sensorsignal 10` mit dem vierten Sensorsignal 11' und stellt das digitale Ausgangssignal 13 bereit. Dazu vergleicht das XOR-Gatter 9 das zweite Sensorsignal 10` mit dem vierten Sensorsignal 11'. Das Ausgangssignal 13 wird auf „0“ geschaltet, wenn das zweite und vierte Sensorsignal 10', 11' den gleichen logischen Zustand aufweisen, während das Ausgangssignal 13 auf „1“ geschaltet wird, wenn das zweite und vierte Sensorsignal 10', 11' einen ungleichen logischen Zustand aufweisen. Das digitale Ausgangssignal 13 wird anschließend vorzugsweise zur weiteren Auswertung an einen Auswertechip, insbesondere einen ASIC-Halbleiterchip, weitergeleitet (Alternativ wäre auch denkbar, das zweite und vierte Sensorsignal 10', 11' direkt an den externen Auswertechip zu leiten). Das XOR-Gatter 9 ist als mikromechanisches Bauelement ausgeführt, wobei das XOR-Gatter 9 einen nicht dargestellten Feldeffekttransistor 100 (suspended FET, SG-FET) aufweist, welcher einen Ladungskanal 111 zwischen einem Drain- und einem Source-Anschluss 109, 110 des Feldeffekttransistors 100, sowie ein bewegliches Gate 101 umfasst. Das bewegliche Gate 101 ist gegenüber dem Ladungskanal 111 beweglich ausgebildet, wobei das bewegliche Gate 101 vorzugsweise senkrecht oder parallel zum Substrat 2 beweglich ist. Durch eine Bewegung des beweglichen Gates 101 relativ zum Ladungskanal 111 wird entweder die Überlappung zwischen dem Ladungskanal 111 und dem beweglichen Gate 101 senkrecht zum Substrat 2 oder der Abstand zwischen dem Ladungskanal 111 und dem beweglichen Gate 101 senkrecht zum Substrat 2 verändert, so dass die Bewegung des beweglichen Gates 101 den Schaltzustand des Feldeffekttransistors 100 aufgrund einer Änderung des elektrischen Feldes im Bereich des Ladungskanals 111 beeinflusst. Das bewegliche Gate 101 ist dabei mittels eines ersten Antriebselements 102 zu einer ersten Bewegung 103 und mittels eines zweiten Antriebselements 104 zu einer zur ersten Bewegung 103 antiparallelen zweiten Bewegung 105 aus einer Ausgangslage heraus antreibbar (erste und zweite Bewegung 103, 105 sind diametral entgegengesetzt), wobei das erste Antriebselement 102 mit dem zweiten Sensorsignal 10' und das zweite Antriebselement 104 mit dem vierten Sensorsignal 11' elektrisch leitfähig verbunden ist. Dies hat zur Folge, dass das bewegliche Gate 101 nur beim Vorliegen einer Antriebskraftdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten Sensorsignal 10', 11' die erste oder zweite Bewegung 103, 105 durchführt, da sich andernfalls die Antriebskräfte des ersten und zweiten Antriebselements 102, 104 gerade kompensieren. Der Ladungskanal 111 des Feldeffekttransistors 100 ist derart angeordnet, dass sowohl bei der ersten, als auch bei der zweiten Bewegung 103, 105 das Ausgangssignal 13 auf „1“ gesetzt wird. Sind der Schaltungszustand des zweiten und vierten Sensorsignals 10', 11' gleich, verweilt das bewegliche Gate 101 in seiner Ausgangslage und das Ausgangssignal 13 wird auf „0“ gesetzt. Die vorliegende Ausführungsform hat lediglich beispielhaften Charakter. Das Sensorelement 1 umfasst optional beispielsweise einen linearen Beschleunigungssensor.In 1 a sensor arrangement 1 according to an exemplary embodiment of the present invention is shown, wherein the illustrated sensor arrangement 1 in particular comprises a sensor chip. The sensor arrangement 1 has a substrate 2 on which a sensor element 3 in the form of a micromechanical rotation rate sensor is implemented, for example. The rotation rate sensor comprises a seismic mass (not shown) which is excited by excitation elements to a drive oscillation along a first direction. When there is a rotation rate about an axis of rotation along a third direction perpendicular to the first direction, Coriolis forces act on the seismic mass, so that the seismic mass is deflected along a second direction perpendicular to the first and third directions. This deflection of the seismic mass is detected by a detection element (not shown) of the sensor element 3 and is provided by the detection element in a first method step as an analog first sensor signal 10 which depends on the deflection of the seismic mass. The detection element is electrically conductively connected to a pulse width modulator 4. The pulse width modulator 4 produces a second sensor signal 10`, which is generated by a pulse width modulation of the first sensor signal 10 in a second method step. For this purpose, the pulse width modulator 4 is supplied with a carrier signal 12, which is generated by a signal generator 14. The signal generator 14 is preferably integrated as a micromechanical component in the substrate 2 and the sensor chip. Optionally, however, it is also conceivable that the signal generator 14 is implemented separately from the sensor chip and only the carrier signal 12 is fed to the sensor chip. The carrier signal 12 comprises in particular a triangular signal or a clipped triangular signal. The pulse width modulator 4 comprises a micromechanical comparator 5, which compares the first sensor signal 10 with the carrier signal 12 and produces the second sensor signal 10` depending on this comparison. The comparator 5 can only distinguish between two switching states: "0" and "1". The second sensor signal 10` thus comprises a sequence of pulses whose pulse width (width) is modulated by sampling the first sensor signal 10. Consequently, the comparator 5 generates a digital second sensor signal 10'. Due to the drive vibration, the first sensor signal 10 is modulated with the drive frequency of the drive vibration, so that a corresponding demodulation of the second sensor signal 10` must be carried out according to the rotation rate in order to generate a digital output signal 13 which depends only on the detected rotation rate. For this purpose, in a third method step, the sensor element 3 provides an analog third sensor signal 11 which depends on the drive vibration of the seismic mass. This third sensor signal 11 is pulse width modulated analogously to the first sensor signal 10 by means of a further pulse width modulator 6 in a fourth method step. The further pulse width modulator 6 comprises a micromechanical further comparator 7, which is also electrically connected to the signal generator 14 and is supplied with the carrier signal 12. The further comparator 7 provides a digital fourth sensor signal 11` analogous to the second sensor signal 10`, which is generated by comparing the third sensor signal 11 with the carrier signal 12. The pulse width modulator 4 and the further pulse width modulator 6 are each electrically connected to a demodulator 8, which comprises a micromechanical XOR gate 9. In a fifth method step, the demodulator 8 demodulates the second sensor signal 10` with the fourth sensor signal 11' and provides the digital output signal 13. To do this, the XOR gate 9 compares the second sensor signal 10` with the fourth sensor signal 11'. The output signal 13 is switched to "0" if the second and fourth sensor signals 10', 11' have the same logic state, while the output signal 13 is switched to "1" if the second and fourth sensor signals 10', 11' have an unequal logic state. The digital output signal 13 is then preferably forwarded to an evaluation chip, in particular an ASIC semiconductor chip, for further evaluation (alternatively, it would also be conceivable to route the second and fourth sensor signals 10', 11' directly to the external evaluation chip). The XOR gate 9 is designed as a micromechanical component, wherein the XOR gate 9 has a field effect transistor 100 (suspended FET, SG-FET), not shown, which comprises a charge channel 111 between a drain and a source connection 109, 110 of the field effect transistor 100, as well as a movable gate 101. The movable gate 101 is designed to be movable relative to the charge channel 111, wherein the movable gate 101 is preferably movable perpendicularly or parallel to the substrate 2. By moving the movable gate 101 relative to the charge channel 111, either the overlap between the charge channel 111 and the movable gate 101 perpendicular to the substrate 2 or the distance between the charge channel 111 and the movable gate 101 perpendicular to the substrate 2 is changed, so that the movement of the movable gate 101 influences the switching state of the field effect transistor 100 due to a change in the electric field in the region of the charge channel 111. The movable gate 101 can be driven from an initial position by means of a first drive element 102 to a first movement 103 and by means of a second drive element 104 to a second movement 105 that is antiparallel to the first movement 103 (first and second movements 103, 105 are diametrically opposed), with the first drive element 102 being electrically connected to the second sensor signal 10' and the second drive element 104 being electrically connected to the fourth sensor signal 11'. This means that the movable gate 101 only carries out the first or second movement 103, 105 when there is a drive force difference between the second and fourth sensor signals 10', 11', since otherwise the drive forces of the first and second drive elements 102, 104 just compensate each other. The charge channel 111 of the field effect transistor 100 is arranged in such a way that the output signal 13 is set to "1" during both the first and the second movement 103, 105. If the circuit state of the second and fourth sensor signals 10', 11' are the same, the movable gate 101 remains in its initial position and the output signal 13 is set to "0". The present embodiment is merely exemplary. The sensor element 1 optionally comprises, for example, a linear acceleration sensor.

In 2 und 3 sind eine schematische Aufsicht und ein schematisches Schaltbild 121 eines Pulsweitenmodulators 4 einer Sensoranordnung 1 gemäß der in 1 illustrierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Pulsweitenmodulator 4 einen als mikromechanisches Bauelement ausgeführten Komparator 5 umfasst. Ähnlich wie das mikromechanische XOR-Gatter 9 umfasst der Komparator 5 einen Feldeffekttransistor 100, welche ein mit einer Antriebsmasse 108 verbundenes bewegliches Gate 101 aufweist. Die Antriebsmasse 108 ist über Federn 106 und Verankerungselemente 107 beweglich am Substrat 2 befestigt. Der Komparator 5 weist ferner ein erstes Antriebselement 102 auf, welches die Antriebsmasse 108 und somit auch das bewegliche Gate 101 zu einer ersten Bewegung 103 antreibt. Das erste Antriebselement 102 umfasst eine erste Kammelektrodenstruktur aus substratfesten ersten Antriebselektroden, welche in Abhängigkeit des ersten Signals 10 beschaltet werden, und aus korrespondierenden mit der Antriebsmasse 108 verbundenen ersten Gegenelektroden. Der Komparator 5 weist ein zum ersten Antriebselement 102 im Wesentlichen baugleiches zweites Antriebselement 104 auf, welches die Antriebsmasse 108 und somit das bewegliche Gate 101 zu einer zur ersten Bewegung 103 antiparallelen zweiten Bewegung 105 antreibt. Substratfeste zweite Antriebselektroden einer zweiten Kammelektrodenstruktur des zweiten Antriebselements 104, welche mit zweiten Gegenelektroden der Antriebsmasse 108 zusammenwirken, werden in Abhängigkeit des Trägersignals 12 beschaltet. Der Feldeffekttransistor 100 umfasst ferner einen Drain-Anschluss 109 und einen Source-Anschluss 110, welche mittels eines Ladungskanals 111 miteinander verbunden sind. Die elektrische Leitfähigkeit des Ladungskanals 111 bildet sich dabei in Abhängigkeit der Überdeckung des Ladungskanals 111 durch das bewegliche Gate 101 senkrecht zum Substrat 2 aus. In einer illustrierten beispielhaften Ausgangsstellung wird der Ladungskanal 111 nicht durch das bewegliche Gate 101 überdeckt. Wenn die Antriebskräfte des ersten Antriebselements 102 größer als die Antriebskräfte des zweiten Antriebselements 104 werden, wird das bewegliche Gate 101 in Richtung Ladungskanal 111 entsprechend der ersten Bewegung 103 bewegt, so dass sich die elektrische Leitfähigkeit des Ladungskanals 111, welche zur Erzeugung des digitalen zweiten Sensorsignals 10` dient, ändert. Es wird somit die logische Operation eines logischen Komparators durch den Komparator 5 realisiert. Als ein Referenzelement für den mikromechanischen Komparator 5 ist beispielhaft ein weiterer Feldeffekttransistor 112 dargestellt, welcher zur Minimierung von Prozessschwankungen im Wesentlichen baugleich zum Feldeffekttransistor 100 ausgebildet ist, wobei eine weitere Antriebsmasse 116 des weiteren Feldeffekttransistors 112 substratfest angeordnet ist, so dass das weitere Gate 117 des weiteren Feldeffekttransistors 112 eine unveränderliche elektrische Leitfähigkeit in einem weiteren Ladungskanal 118 zwischen weiteren Drain- und Sourceanschlüssen 119, 120 des weiteren Feldeffekttransistors 112 erzeugt. Der weitere Feldeffekttransistor 112 fungiert in diesem Fall beispielhaft als Stromsenke. Der weitere Pulsweitenmodulator 6 ist vorzugsweise analog zum Pulsweitenmodulator 4 ausgebildet. Das erste und zweiten Antriebselement 102, 104 sind alternativ als Plattenkondensatorstrukturen, als piezoelektrische Strukturen, als thermoelastische Strukturen (mit einer geeigneten Bimorph-Struktur) und/oder als magnetische Aktoren ausgebildet. Das erste und zweite Antriebselemente 102, 104 werden vorzugsweise derart dimensioniert, dass für den gewählten Frequenzgang des Komparators 5 und die Größe der Eingangssignale ausreichende Kräfte erzeugt werden können, um die Antriebsmasse 108 gegenüber dem Substrat 2 auszulenken und eine für die am Ausgang verwendete Abtastrate ausreichende Flankensteilheit zu erzeugen. In 3 ist schematisch ein Schaltbild des Pulsweitenmodulators 4 dargestellt, wobei der Feldeffekttransistor 100 in Reihe mit dem weiteren Feldeffekttransistor 112 geschaltet wird. Der Feldeffekttransistor 100 fungiert dabei als Stromquelle, während der weitere Feldeffekttransistor 112 als Stromsenke fungiert. Ein Knoten 122 zwischen dem Feldeffekttransistor 100 und dem weitere Feldeffekttransistor 112 wird mit einem einfachen Strom-Spannung- Wandler 125 verbunden, welcher insbesondere einen Operationsverstärker 126 und einen ohmschen Widerstand 127 umfasst. Am Ausgang 128 des Operationsverstärkers 126 liegt je nach Auslenkung des beweglichen Gates 101 des Feldeffekttransistors 100 entweder logisch „1“ oder logisch „0“ an, so dass am Ausgang 128 das zweite Sensorsignal 10' erzeugt wird. Alternativ ist denkbar, dass anstatt des weiteren Feldeffekttransistors 112 mit dem feststehenden weiteren Gate 117 ein weiterer Feldeffekttransistor 112 realisiert wird, welcher analog zum Feldeffekttransistor 100 ebenfalls ein weiteres bewegliches Gate aufweist. Besonders bevorzugt weist dabei der Feldeffekttransistor 100 lediglich das erste Antriebselement 102 und der weitere Feldeffekttransistor 112 ein weiteres erstes Antriebselement auf, wobei das erste Antriebselement 102 und das weitere erste Antriebselement differenziell miteinander verschaltet werden. Alternativ ist vorgesehen, dass das bewegliche Gate 101 senkrecht zum Substrat 2 eine Mehrzahl von Ladungskanälen 111 überstreicht und/oder seitlich an der Antriebsmasse 108 angeordnet ist. In einer optionalen Ausführungsform ist die Antriebsmasse 108 perforiert und/oder als rotierende Struktur (anstelle einer linear beweglichen Struktur) ausgebildet. Der Feldeffekttransistor 100 umfasst vorzugsweise Anschlagselemente, welche die maximale Auslenkung der Antriebsmasse 108 gegenüber dem Substrat 2 zum Schutz gegen Überlastsituationen begrenzt. Der Frequenzgang des Komparators 5 ist vorzugsweise durch eine Anpassung der Güte, welche beispielsweise über einen entsprechenden Gaseinschluss einstellbar ist, und/oder durch die Wahl einer entsprechenden Resonanzfrequenz anpassbar. Ferner ist denkbar, dass der Komparator 5 eine Mehrzahl von Signalen miteinander vergleicht, wofür beispielsweise eine Mehrzahl von Antriebselementen realisiert wird. Die Mehrzahl von Signalen wird dabei besonders bevorzugt durch entsprechende unterschiedliche Dimensionierungen der Mehrzahl von Antriebselementen unterschiedlich gewichtet.In 2 and 3 are a schematic plan view and a schematic circuit diagram 121 of a pulse width modulator 4 of a sensor arrangement 1 according to the 1 illustrated exemplary embodiment of the present invention, wherein the pulse width modulator 4 comprises a comparator 5 designed as a micromechanical component. Similar to the micromechanical XOR gate 9, the comparator 5 comprises a field effect transistor 100, which has a movable gate 101 connected to a drive mass 108. The drive mass 108 is movably attached to the substrate 2 via springs 106 and anchoring elements 107. The comparator 5 also has a first drive element 102, which drives the drive mass 108 and thus also the movable gate 101 to a first movement 103. The first drive element 102 comprises a first comb electrode structure made of substrate-fixed first drive electrodes, which are connected depending on the first signal 10, and of corresponding first counter electrodes connected to the drive mass 108. The comparator 5 has a second drive element 104 which is essentially identical in construction to the first drive element 102 and which drives the drive mass 108 and thus the movable gate 101 to a second movement 105 which is antiparallel to the first movement 103. Substrate-fixed second drive electrodes of a second comb electrode structure of the second drive element 104, which interact with second counter electrodes of the drive mass 108, are connected depending on the carrier signal 12. The field effect transistor 100 further comprises a drain connection 109 and a source connection 110, which are connected to one another by means of a charge channel 111. The electrical conductivity of the charge channel 111 is formed depending on the coverage of the charge channel 111 by the movable gate 101 perpendicular to the substrate 2. In an illustrated exemplary starting position, the charge channel 111 is not covered by the movable gate 101. When the driving forces of the first driving element 102 become greater than the driving forces of the second driving element 104, the movable gate 101 is moved in the direction of the charge channel 111 in accordance with the first movement 103, so that the electrical conductivity of the charge channel 111, which serves to generate the digital second sensor signal 10', changes. The logical operation of a logical comparator is thus realized by the comparator 5. As a reference element for the micromechanical comparator 5, a further field effect transistor 112 is shown by way of example, which is designed to be essentially identical to the field effect transistor 100 in order to minimize process fluctuations, wherein a further drive mass 116 of the further field effect transistor 112 is arranged fixed to the substrate, so that the further gate 117 of the further field effect transistor 112 generates an unchanging electrical conductivity in a further charge channel 118 between further drain and source connections 119, 120 of the further field effect transistor 112. In this case, the further field effect transistor 112 functions, for example, as a current sink. The further pulse width modulator 6 is preferably designed analogously to the pulse width modulator 4. The first and second drive elements 102, 104 are alternatively designed as plate capacitor structures, as piezoelectric structures, as thermoelastic structures (with a suitable bimorph structure) and/or as magnetic actuators. The first and second drive elements 102, 104 are preferably dimensioned such that sufficient forces can be generated for the selected frequency response of the comparator 5 and the size of the input signals in order to deflect the drive mass 108 relative to the substrate 2 and to generate a slope sufficient for the sampling rate used at the output. In 3 A schematic circuit diagram of the pulse width modulator 4 is shown, wherein the field effect transistor 100 is connected in series with the further field effect transistor 112. The field effect transistor 100 functions as a current source, while the further field effect transistor 112 functions as a current sink. A node 122 between the field effect transistor 100 and the further field effect transistor 112 is connected to a simple current-voltage converter 125, which in particular comprises an operational amplifier 126 and an ohmic resistor 127. Depending on the deflection of the movable gate 101 of the field effect transistor 100, either logic "1" or logic "0" is present at the output 128 of the operational amplifier 126, so that the second sensor signal 10' is generated at the output 128. Alternatively, it is conceivable that instead of the further field effect transistor 112 with the fixed further gate 117, a further field effect transistor 112 is realized, which, analogous to the field effect transistor 100, also has a further movable gate. Particularly preferably, the field effect transistor 100 has only the first drive element 102 and the further field effect transistor 112 has a further first drive element, wherein the first drive element 102 and the further first drive element are differentially connected to one another. Alternatively, it is provided that the movable gate 101 sweeps over a plurality of charge channels 111 perpendicular to the substrate 2 and/or is arranged laterally on the drive mass 108. In an optional embodiment, the drive mass 108 is perforated and/or designed as a rotating structure (instead of a linearly movable structure). The field effect transistor 100 preferably comprises stop elements which limit the maximum deflection of the drive mass 108 relative to the substrate 2 to protect against overload situations. The frequency response of the comparator 5 can preferably be adjusted by adjusting the quality, which can be set, for example, via a corresponding gas inclusion, and/or by selecting a corresponding resonance frequency. It is also conceivable that the comparator 5 compares a plurality of signals with one another, for which purpose a plurality of drive elements are implemented, for example. The plurality of signals are particularly preferably weighted differently by correspondingly different dimensions of the plurality of drive elements.

Claims

Sensor arrangement (1), in particular rotation rate sensor, with a substrate (2) and a sensor element (3) arranged on the substrate (2), wherein the sensor element (3) has a seismic mass that can be deflected relative to the substrate (2) for sensing an acceleration and wherein the sensor element (3) has a detection element for generating a first sensor signal (10) in Dependence on a deflection of the seismic mass, wherein a pulse width modulator (4) is further arranged on the substrate (2), which is configured to generate a second sensor signal (10') by pulse width modulation of the first sensor signal (10), characterized in that the pulse width modulator (4) comprises a micromechanical comparator (5) which is configured to compare the first sensor signal (10) with a carrier signal (12).

Sensor arrangement (1) according to Claim 1 , characterized in that the sensor element (3) has an excitation element for exciting a drive vibration of the seismic mass, wherein the sensor element (3) is designed to generate a third sensor signal (11) as a function of the drive vibration and wherein the substrate (2) has a further pulse width modulator (6) which is configured to generate a fourth sensor signal (11') by pulse width modulation of the third sensor signal (11), wherein the further pulse width modulator (6) preferably comprises a micromechanical further comparator (7) which is configured to compare the third sensor signal (11) with the carrier signal (12).

Sensor arrangement (1) according to Claim 2 , characterized in that a preferably micromechanical demodulator (8), in particular an XOR gate (9), is arranged on the substrate (2), which is electrically conductively connected both to the pulse width modulator (4) and to the further pulse width modulator (6) and which is configured to generate an output signal (13) depending on a second sensor signal (10') demodulated with the fourth sensor signal (11').

Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the comparator (5), the further comparator (7) and/or the XOR gate (9) comprises a field effect transistor (100) with a gate (101) movable relative to the substrate (2), wherein the movable gate (101) is preferably movable relative to a charge channel (111) of the field effect transistor (100).

Sensor arrangement (1) according to Claim 4 , characterized in that the movable gate (101) can be driven by means of a first drive element (102) to a first movement (103) and by means of a second drive element (104) to a second movement (105) antiparallel to the first movement (103), wherein preferably the first drive element (102) is electrically conductively connected to the first sensor signal (10) and the second drive element (104) to the carrier signal (12) or wherein preferably the first drive element (102) is electrically conductively connected to the third sensor signal (11) and the second drive element (104) to the carrier signal (12) or wherein preferably the first drive element (102) is electrically conductively connected to the second sensor signal (10') and the second drive element (104) is electrically conductively connected to the fourth sensor signal (11').

Sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a micromechanical signal generator (14) is arranged on the substrate (2), which is configured to generate the carrier signal (12), wherein the carrier signal (12) preferably comprises a triangular and/or a sawtooth signal.

Method for operating a sensor arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein in a first method step the first sensor signal (10) is generated by the detection element, wherein in a second method step the second sensor signal (10') is generated by the pulse width modulator (4) by pulse width modulation of the first sensor signal (10), wherein in a third method step a third sensor signal (11) is generated by the sensor element (3), wherein in a fourth method step a fourth sensor signal (11') is generated by a further pulse width modulator (6) by pulse width modulation of the third sensor signal (11), wherein in a fifth method step an output signal (13) is generated by demodulation of the second sensor signal (10') with the fourth sensor signal (11'), wherein in the second method step depending on a difference between the first sensor signal (10) and a carrier signal (12) and/or in the fourth method step depending on a difference between the third sensor signal (11) and the Carrier signal (12) and/or in the fifth method step, depending on a difference between the second sensor signal (10') and the fourth sensor signal (11'), a movable gate (101) of a field effect transistor (100) is excited to a first or second movement (103, 105), wherein the electrical conductivity of a charge channel (111) of the field effect transistor (100) is controlled depending on the first or second movement (103, 105).