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Die Erfindung geht aus von einem
mikromechanischen Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es sind bereits mikromechanische Drehratensensoren bekannt, bei
denen das Ausgangssignal aus einer Drehrate besteht, d.h. einer
Information bzw. einer Angabe beispielsweise in der Einheit „Grad pro
Sekunde" (°/s). Weiterhin
sind mikromechanische Drehratensensoren bekannt, bei denen das Ausgangssignal
zeitkontinuierlich in analoger Form ausgegeben wird. Eine genaue
Erfassung des Ausgangssignals des Sensors erfordert jedoch eine
hohe Abfragefrequenz, d.h. eine hohe Samplingrate, mit der das Ausgangssignal
abgefragt wird. Dies gilt insbesondere bei analogem Ausgangssignal.
Daher kann die hohe Samplingrate – vor allem bei kostenkritischen
Anwendungen – einen
erhöhten Aufwand
für die
Bereitstellung eines adäquaten
Ausgangssignals bedeuten.
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Vorteile der
Erfindung
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Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensor
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass ein einfacher und kostengünstiger Aufbau für die Herstellung
eines mikromechanische Drehratensensors vorgeschlagen wird. Solche
Drehratensensoren sind beispielsweise in Airbag-Systemen zur Rollover-Erkennung
und/oder zur Fahrtrichtungssensierung in Navigationssystemen einsetzbar.
Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, eine
vergleichsweise niedrige Samplingrate und damit einen vergleichsweise
kostengünstigen
Mikrocontroller bzw. eine vergleichsweise kostengünstige Steuerungseinheit
zusammen mit dein Sensor zu verwenden. Hierbei ist es insbesondere
vorteilhafterweise vorgesehen, die Ausgabe der zu erfassenden Informationen
vom Sensor als sog. Sklave (Slave) an die Steuereinheit (bzw. den Mikrocontroller)
als sog. Master vorzunehmen und hierbei eine Samplingrate von beispielsweise
1 kHz zu verwenden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen mikromechanischen Drehratensensors möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das
Ausgangssignal in digitaler Form vorliegt ist. Dadurch ist es möglich, die
gesamte Signalverarbeitung digital durchzuführen, was den erfindungsgemäßen Sensor weiterhin
kostengünstiger
macht. Besonders vorteilhaft ist, dass der Drehratensensor mit einer
Steuereinheit verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die Anwendung der vom
Sensor gelieferten Daten zum einen zu korrigieren und zum anderen
flexibel auszuwerten. Besonders vorteilhaft ist, dass zwischen dem Drehratensensor
und der Steuereinheit Informationen im Rahmen eines SPI-Protokolls
(serial peripheral Interface) übertragen
werden. Dadurch ist es möglich,
eine wohldefinierte Schnittstelle – gemäß einem Industriestandard – zwischen
dem Sensor und seiner Umgebung vorzusehen, was wiederum die Kosten – insbesondere
für Anpassungsarbeiten – reduziert.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Steuereinheit eine an die Anwendung
angepasste Samplingrate, von vorzugsweise 1 kHz oder einigen Hz,
aufweist. Für
die Festlegung der Samplingrate sind folgende Überlegungen wichtig. Verschiedene
Applikationen haben unterschiedliche Zeitkonstanten, während der
zu detektierende Ereignisse auftreten können. Beispielsweise treten
für die
Rollover-Erkennung in der Regel keine relevanten Ereignisse auf
einer Zeitskala von weniger als eine Millisekunden auf, während bei
Navigationsanwendungen sogar keine relevanten Ereignisse auf einer
Zeitskala von weniger als hundert Millisekunden auftreten. Daher
ist es so, dass eine häufigere
Abtastung bzw. eine höhere Samplingrate
für das
Beispiel der Rollover-Erkennung
von 1 kHz bzw. für
das Beispiel der Navigationsanwendung von einigen Hz wenig ökonomisch ist.
Daher ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
die Samplingrate höchstens
unwesentlich höher
zu wählen
als für
die ins Auge gefasste Anwendung sinnvoll erscheint.
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Dadurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, eine
für die
ins Auge gefasste Anwendung hinreichend genaue Sensorinformation
mit einer möglichst
kostengünstigen
Auslegung des Mikrocontrollers und mit einer angepassten zeitlichen
Auflösung
der Drehratendetektion zu verbinden. Besonders vorteilhaft ist,
dass der Drehratensensor ein Integrationsglied aufweist. Dadurch
ist es mit einfachen Mitteln und damit kostengünstig möglich, anstelle einer Drehrateninformation
als Ausgangssignal eine Winkelinformation als Ausgangssignal vorzusehen. Besonders
vorteilhaft ist, dass der Drehratensensor zur Bereitstellung der
Winkelinformation einen SPI-Befehl erhält. Dadurch ist es möglich, den
erfindungsgemäßen mikromechanischen
Drehratensensor gemäß einer
Standardschnittstelle zu steuern. Besonders vorteilhaft ist, dass
sich die Auflösung
der Winkelinformation aus dem maximalen Drehwinkel, insbesondere
360°, und
der Anzahl der Bits der digital vorliegenden Winkelinformation ergibt.
Dadurch ist es mit vergleichsweise wenigen Bits möglich, eine sehr
gute Winkelauflösung
zu erhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen 1 einen bekannten mikromechanischen Drehratensensor
nach dem Stand der Technik,
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2 einen
erfindungsgemäßen mikromechanischen
Drehratensensor und
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3 eine
Prinzipdarstellung des erfindunsgemäßen mikromechanischen Drehratensensors.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein bekannter mikromechanischer Drehratensensor nach dem Stand der
Technik dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 10 wird eine
Erfassungseinheit des mikromechanischen Drehratensensors bezeichnet.
Mit dem Bezugszeichen 120 wird eine Vorverarbeitungseinheit
des bekannten mikromechanischen Drehratensensors bezeichnet. Die Erfassungseinheit 10 ist
mit der Vorverarbeitungseinheit 120 verbunden und liefert
der Vorverarbeitungseinheit 120 ein Rohsignal 12,
das technisch insbesondere einem Kapazitätssignal entspricht und das aufgrund
des Sensoraufbaus der Drehrate des Sensors (zumindest weitgehend)
proportional ist. In der Vorverarbeitungseinheit 120 des
Sensors wird das Rohsignal 12 zunächst in eine elektrische Spannung, d.h.
in ein Spannungssignal 123, umgewandelt. Falls es sich
bei dem Rohsignal 12 um ein Kapazitätssignal handelt, wird dieses
in der Vorverarbeitungseinheit 120 zunächst mittels eines Kapazitäts/Spannungs-Wandlers
(C/U-Wandler) 122 in das Spannungssignal 123 gewandelt.
Das Spannungssignal 123 wird in einem Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 124 digitalisiert – wodurch
ein digitalisiertes Spannungssignal 125 erzeugt wird – und anschließend in
einem Demodulator 126 demoduliert. Hierzu wird dein Demodulator 126 durch
eine Hochfrequenzeinheit 40 zusätzlich zu dem digitalisierten Spannungssignal 125 aus
dem D/A-Wandler 124 ein entsprechendes
Demodulationssignal 41 zugeführt. Der Demodulator 126 erzeugt
dabei ein demoduliertes Signal 127, das einem Tiefpass-Filter 128 zugeführt wird.
Nach dem Tiefpass-Filter 128 steht das gefilterte Signal
als Drehratensignal 130 bzw. Drehrateninformation 130 in
Form eines Offsets an einem Ausgang 132 der Vorverarbeitungseinheit 120 bzw. des
Sensors zur Verfügung.
Ein solchermaßen
vorliegendes Ausgangssignal 131 kann dann beispielsweise
einer SPI-Schnittstelle 62 (serial peripheral interface)
zur Verfügung
gestellt werden. Weiterhin kann ein weiteres Ausgangssignal 133 beispielsweise
einem Digital/Analog Wandler 50 zur Weiterverarbeitung
zur Verfügung
gestellt werden.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer mikromechanischer
Drehratensensor dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 10 wird
eine Erfassungseinheit des mikromechanischen Drehratensensors bezeichnet. Mit
dem Bezugszeichen 20 wird eine Vorverarbeitungseinheit
des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Drehratensensors bezeichnet. Die Erfassungseinheit 10 und
die Vorverarbeitungseinheit 20 werden im Folgenden gemeinsam
als erfindungsgemäßer mikromechanischer
Drehratensensor 35 bezeichnet. Die Erfassungseinheit 10 ist
mit der Vorverarbeitungseinheit 20 verbunden und liefert
der Vorverarbeitungseinheit 20 wiederum das Rohsignal 12, das
wiederum technisch insbesondere einem Kapazitätssignal entspricht und das
aufgrund des Sensoraufbaus des erfindungsgemäßen Drehratensensors der Drehrate
des Sensors (zumindest weitgehend) proportional ist. In der Vorverarbeitungseinheit 20 des
Drehratensensors 35 wird das Rohsignal 12 zunächst in
eine elektrische Spannung, d.h. in ein Spannungssignal 23,
umgewandelt. Falls es sich bei dem Rohsignal 12 um ein
Kapazitätssignal
handelt, wird dieses in der Vorverarbeitungseinheit 20 zunächst mittels
eines Kapazitäts/Spannungs-Wandlers
(C/U-Wandler) 22 in
das Spannungssignal 23 gewandelt. Das Spannungssignal 23 wird
in einem Digital/Analog Wandler (D/A-Wandler) 24 digitalisiert- wodurch
ein digitalisiertes Spannungssignal 25 erzeugt wird – und anschließend in
einem Demodulator 26 demoduliert. Hierzu wird dem Demodulator 26 durch
wiederum eine Hochfrequenzeinheit 40 zusätzlich zu
dem digitalisierten Spannungssignal 25 aus dem D/A-Wandler 24 ein
entsprechendes Demodulationssignal 41 zugeführt. Der
Demodulator 26 erzeugt dabei ein demoduliertes Signal 27,
das einem Tiefpass-Filter 28 zugeführt wird, der ein gefiltertes Signal 29 ausgibt.
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Im Unterschied zum bekannten Sensor
ist es jedoch beim erfindungsgemäßen Drehratensensor 35 vorgesehen,
die Vorverarbeitungseinheit 20, die insbesondere als Auswerte-ASIC
(application specific integrated circuit) 20 vorliegt,
derart zu erweitern, dass die durch den Drehratensensor 35 erfasste
Information über
die detektierte Drehbewegung nicht mehr als Drehrate, sondern als
Drehwinkel bzw. absoluter Drehwinkel ausgegeben wird. Die Integration der
Drehratensignale kann an verschiedenen Stelle realisiert werden.
Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen,
die Integration in der Vorverarbeitungseinheit 20 bzw.
im Digitalteil 20 nach einer Filterung des Signals durch
einen Filter 28 in Form eines digitalen Filters 28 durchzuführen. Hierfür ist bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Drehratensensors 35 in
einem Rollover-System insbesondere eine charakteristische Frequenz
des Filters 28 von 30 Hz und bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Drehratensensors 35 in
einer Navigations-Anwendung insbesondere eine charakteristische
Frequenz des Filters 28 von 10 Hz vorgesehen.
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Eine hohe zeitliche Auflösung des
Gesamtsystems bedarf einer hohen Samplingrate, damit der Mikrocontroller
die anliegenden Drehraten auswerten kann. In manchen sehr kostengünstigen
Systemen kann jedoch die hohe Samplingrate technisch nicht adäquat abgebildet
werden, weil der Mikrocontroller nicht über die notwendige Rechenleistung
verfügt, beispielsweise
weil dieser auch GPS (global position system) und Odometerdaten
verarbeitet. Zur Änderung
der vom Sensor 35 erfassten Information von einer Drehrateninformation
in eine Winkelinformation sieht die Vorverarbeitungseinheit 20 ein
Integrationsglied 32 vor, das die als gefiltertes Signal 29 anliegenden
Drehrateninformationen aufintegriert. Das Integrationsglied 32 ist
hierbei erfindungsgemäß insbesondere
als „on-board-Integrationsglied" 32 auf
dem Auswerte-ASIC vorgesehen. Die Steuerung und Triggerung dieses
Integrationsgliedes 32 erfolgt erfindungsgemäß insbesondere über einen
SPI-Befehl, der – in 2 mit einem Pfeil und dein
Bezugszeichen 235 dargestellt – mittels einer wiederum vorhandenen
SPI-Schnittstelle 62 der Vorverarbeitungseinheit 20 – und hier
insbesondere dem Integrationsglied 32 – zugeführt wird. Der SPI-Befehl 235,
der erfindungsgemäß ggf. aus
mehreren und zu unterschiedlichen Zeitpunkten gesandten Einzelbefehlen besteht,
steuert zunächst
den Beginn des Integrationsprozesses, anschließend dessen Ende und schließlich die
Ausgabe der integrierten Drehrateninformation (d.h. der Winkelinformation
aufgrund der zeitlichen Integration im Integrationsglied 32).
Das Integrationsglied 32 erzeugt hierbei – im Zusammenspiel
insbesondere mit einem Register 34 – die Winkelinformation, die
in 2 mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet
ist. Das Register 34 ist notwendig, um die anfallenden
Drehraten, insbesondere digital, zu speichern. Hierbei ist das Register 34 beispielsweise als
Speicher mit einer bestimmten Anzahl an Speicherzellen, beispielsweise
für 10
Bit, vorgesehen. In einer Rückkoppelung
wird hierbei das vorangegangene Offsetsignal, d.h. das Drehratensignal,
gespeichert und zu dem folgenden Offsetsignal, insbesondere mittels
einer Feed-Backward-Schleife, addiert. Die zeitliche Koordination
erfolgt erfindungsgemäß insbesondere über die
interne Uhr bzw. den internen Zeitgeber der Vorverarbeitungseinheit 20,
wobei jedoch diese Uhr in 2 der
Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Die Steuerung der Integration
erfolgt erfindungsgemäß insbesondere über die SPI-Schnittstelle 62 mittels
eines (oder mehrerer) SPI-Befehls/Befehle 235. Die Ausgabe
des Drehwinkels 30 erfolgt insbesondere über die
SPI-Schnittstelle, wobei hier vom Prinzip her auch eine analoge Ausgabe
des Drehwinkels 30 möglich
wäre. Der Messbereich
der Drehwinkelinformation 30 ergibt sich aus einem maximalen
Drehwinkel von insbesondere 360°.
In diesem Fall ist die Winkelauflösung bei einem 10-Bit-Register
34 ca. 0,35°.
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Die Winkelinformation 30 steht
an einem Ausgang 232 der Vorverarbeitungseinheit 20 bzw. des
Drehratensensors 35 als Ausgangssignal 231 zur
Verfügung
und wird erfindungsgemäß insbesondere
der SPI-Schnittstelle 62 (serial peripheral interface)
zur Verfügung
gestellt. Weiterhin kann ein weiteres Ausgangssignal 233 an
einem weiteren Ausgang 234 der Vorverarbeitungseinheit 20 bzw.
des Drehratensensors 35 beispielsweise einem Digital/Analog-Wandler 50 zur
Weiterverarbeitung zur Verfügung
gestellt werden.
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In 2 ist
weiterhin eine Steuereinheit 60 dargestellt, die ebenfalls
an die SPI-Schnittstelle 62 angeschlossen ist und mit dieser
kommuniziert, was durch einen nicht mit einem Bezugszeichen versehenen
Doppelpfeil in 2 dargestellt
ist.
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In 3 ist
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Drehratensensors 35 abgebildet.
Eine seismische Masse 14 ist mittels eines elastischen
Elements 3 beispielsweise mit einem Substrat 13 verbunden.
In Reaktion auf Bewegungen, insbesondere Drehungen, des Sensors 35 und
damit der Erfassungseinheit 10 wirkt auf die seismische
Masse 14 über
das elastische Element 3 eine in 3 der Einfachheit halber nicht dargestellte Trägheitskraft,
die die seismische Masse 14 beispielsweise auslenkt. Hierbei ändert sich
insbesondere ein erster Kapazitätswert 17 zwischen
der seismischen Masse 14 und einem ersten Erfassungselement 15 sowie
ein zweiter Kapazitätswert 18 zwischen
der seismischen Masse 14 und einem zweiten Erfassungselement 16.
Die Kapazitätswerte 17, 18 sind
aufgrund der bekannten mechanischen Ausgestaltung der Erfassungseinheit 10 (die
in 3 nur vom Prinzip
her dargestellt ist) im wesentlichen proportional der Drehrate um
eine ausgezeichnete und in der 3 der
Einfachheit halber nicht dargestellte Achse, weshalb die Kapazitätswerte 17, 18 auf
bekannte Weise das Rohsignal 12 der Erfassungseinheit 10 bilden
und der Vorverarbeitungseinheit 20 zur Verfügung stellen.
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Erfindungsgemäß sind die Zeitkonstanten, die
für die
Integration des gefilterten Signals 29 bzw. auch für das Abfragen
der als Spannungssignal 23 vorliegenden Drehrateninformation
zugrunde gelegt werden, durch die Anwendung des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Drehratensensors 35 bestimmt. Hierbei arbeiten kostengünstige bzw.
kostenkritische Systeme generell mit einer kleineren Rechenleistung,
d.h. sie fragen seltener ab als weniger kostenkritische leistungsstarke
Systeme mit ausreichend Rechenleistung. Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, die komplette Signalverarbeitung in der Vorverarbeitungseinheit
in digitaler Form durchzuführen
(bis auf die Kapazitäts/Spannungswandlung
im C/U-Wandler 22). Die Ausgabe der erfassten Informationen
von dem Drehratensensor 35 bzw. von der Vorverarbeitungseinheit 20 des
Drehratensensors 35 zu der SPI-Schnittstelle 62 erfolgt
je nach zur Verfügung
stehender Rechenleistung beispielsweise mit einer Samplingrate von
1 kHz im Rahmen eines SPI-Protokolls oder auch mit einer geringeren
Samplingrate mit einem SPI-Protokoll. Hierbei fungiert der erfindungsgemäße Drehratensensor 35 als
Slave in Bezug auf den Mikrocontroller 60 bzw, in Bezug
auf die Steuerungseinheit 60.
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Auch in für die Verwendung des erfindungsgemäßen Drehratensensors 35 in
Rollover-Systemen kann das beschriebene Konzept der Integration der
Drehrateninformation zu einer Drehwinkelinformation in einem Integrationsglied 32 im
Sensor 35 dahingehend Vorteile bringen als durch eine Kopplung
von „on-board-Integration", d.h. einer Integration im
Sensor 35, mit der bekannten Selbsttestfunktion die Verarbeitung
von Misuse-Signalen, wie beispielsweise Signalen aufgrund einer
Erschütterung
(shock) bzw. aufgrund von elektromagnetischen Einflüssen (elektrostatisch
oder dynamisch, EMV-Problematik), in einem frühen Stadium vermieden werden
kann. Die Aufgabe des Selbsttests wird hierbei erfindungsgemäß insbesondere
von einem sogenannten „Built-In
Test-Equipment" (BITE) übernommen.
Dieses überwacht
ständig
die wichtigsten internen Regler und stellt somit sicher, dass die
ermittelten bzw. gemessenen Drehraten reell, d.h. nicht völlig unplausibel,
sind und insbesondere nicht durch Fehlfunktionen hervorgerufen sind.
Die Entscheidungswege reelle Drehrate vs. Fehlfunktion sind bei
integrierten Systemen kürzer.
Hierbei ist ebenfalls die Samplingrate an die Leistungsfähigkeit
der Steuerung anpassbar, beispielsweise kann eine Samplingrate von 1
kHz verwendet werden.