Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoren und insbesondere auf Inertialsensoren zum Messen einer Linear¬ beschleunigung oder einer Drehrate, d.h. einer Winkelge- schwindigkeit aufgrund einer Coriolisbeschleunigung.

Mikromechanische Coriolis-Drehratensensoren, also Coriolis- schwingende Drehratensensoren (engl. Coriolis Vibratory Gy- roscope, CVG) , besitzen vielfältige Anwendungsfelder, von denen beispielsweise die Positionsbestimmung eines Automo¬ bils oder eines Flugzeugs zu nennen ist. Allgemein besitzen solche Sensoren eine bewegliche mechanische Struktur, wel¬ che zu einer periodischen Schwingung angeregt wird. Diese periodische, durch Anregung erzeugte Schwingung wird auch als primäre Schwingung bezeichnet. Erfährt der Sensor eine Drehung um eine Achse senkrecht zu der Primärschwingung o- der Primärbewegung, so führt die Bewegung der Primärschwin¬ gung zu einer Coriolis-Kraft, die proportional zur Messgrö¬ ße, d. h. der Winkelgeschwindigkeit, ist. Durch die Corio- lis-Kraft wird eine zweite, zur Primärschwingung orthogona¬ le Schwingung angeregt. Diese zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung wird auch als Sekundärschwingung o- der Sekundärbewegung bezeichnet. Die Sekundärschwingung, die auch als Detektionsschwingung bezeichnet wird, kann durch verschiedene Messverfahren erfasst werden, wobei die erfasste Größe als Maß für die auf den Drehratensensor wir¬ kende Drehrate dient. Um die Primärschwingung zu erzeugen, werden unter anderem thermische, piezoelektrische, elektro¬ statische und induktive Verfahren verwendet, welche in der Technik bekannt sind. Zu der Erfassung der Sekundärschwin- gung sind piezoelektrische, piezoresistive oder kapazitive Prinzipien Stand der Technik.

Drehratensensoren können auf verschiedenartigste Arten und Weisen ausgeführt werden. Alle Drehratensensoren haben je¬ doch gemeinsam, dass sie eine Schwingeinrichtung umfassen, die durch eine Primäranregungseinrichtung in die Primärbe¬ wegung versetzbar ist und dass sie eine Sekundärerfassungs¬ einrichtung haben, die eine Sekundärbewegung aufgrund einer auf den Drehratensensor wirkenden Drehrate messen kann. Bei nicht-entkoppelten Sensoren führt ein und dieselbe schwin¬ gende Masse sowohl die Primärbewegung als auch die Sekun¬ därbewegung aus. Diese Schwingeinrichtung ist dann derart ausgestaltet, dass sie eine Masse umfasst, die sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung bewegbar aufge¬ hängt wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird ange¬ nommen, dass die x-Richtung die Richtung der Primärbewegung oder der Primärschwingung ist, und dass die y-Richtung die Richtung der Sekundärbewegung bzw. der Sekundärschwingung ist, und dass die Drehrate auf die Schwingeinrichtung in z- Richtung wirkt.

Die WO 98/15799 offenbart Drehratensensoren mit entkoppel¬ ten Bewegungen der Schwingeinrichtung. Die Schwingeinrich- tung ist in einen Primärschwinger und einen Sekundärschwin¬ ger aufgeteilt. Der Primärschwinger führt eine Schwingung in Primärrichtung durch und ist so mit dem Sekundärschwin¬ ger gekoppelt, dass die Primärschwingung auf den Sekundär¬ schwinger übertragen wird. Der Primärschwinger ist jedoch derart an einem Substrat aufgehängt, dass er sich lediglich in Primärrichtung bewegen kann, nicht aber in Sekundärrich¬ tung. Damit führt eine auf den Primärschwinger wirkende Co- riolis-Kraft aufgrund einer Drehrate nicht dazu, dass der Primärschwinger in Sekundärrichtung ausgelenkt wird, da dieser Bewegungsfreiheitsgrad aufgrund seiner Aufhängung für den Primärschwinger nicht existiert. Dagegen ist der Sekundärschwinger derart aufgehängt, dass er sich sowohl in Primärrichtung als auch in Sekundärrichtung bewegen kann. Die Sekundärbewegung führt dazu, dass sich der Sekundär¬ schwinger in Sekundärrichtung bewegt, wobei diese Sekundär¬ bewegung durch die Sekundärerfassungseinrichtung erfassbar ist. Vorzugsweise ist die Sekundärerfassungseinrichtung da- bei so ausgebildet, dass sie die Primärbewegung nicht er- fasst, die der Sekundärschwinger ja nur deswegen ausführt, um auf die Coriolis-Kraft „sensitiv" zu sein. Die Verbin¬ dung zwischen den Primärschwinger und dem Sekundärschwinger ist ferner, um eine noch bessere Kopplung zu erreichen, derart ausgebildet, dass zwar die Primärschwingung von dem Primärschwinger auf den Sekundärschwinger übertragen wird, dass jedoch die Sekundärschwingung nicht auf den Primär¬ schwinger zurück übertragen wird.

Ein solcher Drehratensensor, wie er aus der WO 98/15799 be¬ kannt ist, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Drehratensensor 500 weist einen Primärschwinger 506 auf, der über eine Pri¬ märschwingeraufhängung 504, die aus vier Verankerungen 504a und vier Federbalken 504b besteht, an einem Grundkörper (nicht gezeigt) befestigt ist. Um den Primärschwinger zu erregen, d. h. in Schwingung zu versetzen, umfasst derselbe auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Elektroden¬ gruppe 508, die zu einer feststehenden Elektrodengruppe 510, d. h. zu einer mit dem Grundkörper verbundenen Elekt- rodengruppe 510, angeordnet ist, um einen sogenannten Comb- Drive zu bilden, um den Primärschwinger 506 anzuregen. Die Primärschwingeraufhängung 504 ist derart ausgelegt, um eine Schwingung des Primärschwingers 506 in x-Richtung zuzulas- sen, während eine Bewegung des Primärschwingers 506 in den beiden anderen Richtungen wirksam vermieden wird. Die Fe- derbalken 504 weisen daher einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die schmale Seite des Querschnitts entlang der x-Richtung gewählt ist, während die lange Seite des Quer¬ schnitts entlang der z-Richtung verläuft. Auch hier sei an¬ gemerkt, dass zusätzlich zur Querschnittsgeometrie der Fe¬ derbalken die anisotrope Steifigkeit der Primär- und Sekun¬ därschwingeraufhängung auch durch die Anordnung mehrerer Federbalken mit gleichen Querschnittsgeometrien an entspre¬ chenden Plätzen erreicht werden kann.

Ein Sekundärschwinger 514 ist über Sekundärschwingeraufhän¬ gungen 512 mit dem Primärschwinger 506 verbunden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Sekundärschwinger 514 weist paral¬ lel zur x-Achse angeordnete Sekundärschwingerelektroden- gruppen 550 auf, die in feststehende Sekundärschwingerer- fassungselektrodengruppen 552 kammartig ineinander eingrei¬ fend angeordnet sind, um eine kapazitive Erfassung der Be- wegung des Sekundärschwingers 514 in y-Richtung zu ermögli¬ chen.

Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindig¬ keit Ωy um die Symmetrieachse des Sekundärschwingers 514 oder parallel zu dieser Symmetrieachse, also zu einer Achse parallel zur y-Achse, gedreht, so wirkt auf den Sekundär¬ schwinger 514 eine Coriolis-Kraft, die zu einer im wesent¬ lichen translatorischen Bewegung des Sekundärschwingers in z-Richtung führt. Die translatorische Bewegung des Sekun- därschwingers 514 in der z-Richtung kann durch eine Erfas¬ sungselektrode 516, die unter dem Sekundärschwinger 514 an¬ geordnet ist, kapazitiv erfasst werden. Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindig¬ keit Ωz um eine Achse, die senkrecht durch den Mittelpunkt des Sekundärschwingers 514 verläuft und zu der z-Achse pa¬ rallel ist oder allgemein zu einer zu der z-Achse paralle- len Achse gedreht, so wirkt auf den Sekundärschwinger eine Coriolis-Kraft, die eine Bewegung desselben in der y- Richtung veranlasst. Diese Bewegung in der y-Richtung des Sekundärschwingers 514 stellt eine translatorische Schwin¬ gung dar, da auch der Primärschwinger eine translatorische Schwingung ausführt. Die Erfassung der Bewegung des Sekun¬ därschwingers 514 in der y-Richtung findet auf kapazitivem Wege durch die Sekundärschwingerelektrodengruppe 550 und durch die feststehenden Erfassungselektrodengruppen 552 statt. Die Federbalken 512 umfassen eine im wesentlichen quadratische Querschnittskonfiguration, da sie eine Auslen¬ kung sowohl in der z-Richtung als auch in der y-Richtung zulassen, derart, dass eine zweiachsige Erfassung erfolgen kann. Eine Relativbewegung des Sekundärschwingers 514 und des Primärschwingers 506 wird durch die Anordnung der Fe- derbalken 512 verhindert, welche alle parallel zur x-Achse verlaufen. Wenn der in Fig. 5 gezeigte Drehratensens.or als einachsiger Sensor ausgeführt sein soll mit einer Sekundär¬ bewegung in y-Richtung (primär in x-Richtung) , so sind die Federbalkenquerschnitte rechteckförmig ausgelegt.

Die Primärschwingeraufhängung stellt sicher, dass der Pri¬ märschwinger 504 nicht durch die Coriolis-Kraft in y- oder z-Richtung bewegbar ist, da eine Bewegung des Primärschwin¬ gers in z-Richtung durch die Querschnittskonfiguration der Federbalken 504b reduziert/minimiert wird, wobei zusätzlich die Anordnung der Federbalken 504b parallel zur y-Achse ei¬ ne Bewegung in y-Richtung des Primärschwingers verhindert. Ferner besitzen die Verankerungen 504a eine entsprechende Steifigkeit, damit auch sie keine Auslenkung in der y- Richtung erlauben.

Die WO 98/15799 offenbart ferner eine Vielzahl weiterer Drehratensensoren mit unterschiedlichen Arten von Primär- und Sekundärschwingungen, die darauf basieren, dass die Primärschwingung von der Sekundärschwingung entkoppelt ist. Während der in Fig. 5 gezeigte Drehratensensor sowohl in Primärrichtung als auch in Sekundärrichtung eine lineare Schwingung ausführt, sind auch andere Drehratensensoren be¬ schrieben, und zwar solche, die in Primärrichtung eine ro¬ tatorische Bewegung ausführen und die in Sekundärrichtung ebenfalls eine rotatorische Bewegung ausführen. Alternative Drehratensensoren bestehen auch darin, dass z. B. die Pri- märbewegung rotatorisch ist, die Sekundärbewegung aber li¬ near ist und umgekehrt.

Nachfolgend wird auf die allgemeine Funktionsweise mikrome¬ chanischer Drehratensensoren speziell eingegangen. Mikrome- chanische Drehratensensoren, bei denen das Messprinzip auf dem Corioliseffekt beruhen, lassen sich generell mit zwei gekoppelten Feder-Masse-Dämpfer- Systemen beschreiben. Wäh¬ rend der erste Oszillator (auch als Primärschwinger oder Anregungsschwinger bezeichnet) eine Inertialmasse mp der Geschwindigkeit vx anregt, erfolgt aufgrund des Coriolisef- fekts eine Coriolis-Kraft, welche orthogonal zu diesem Ge¬ schwindigkeitsvektor und der sensitiven Achse der zu mes¬ senden Drehrate Ωz verläuft:

F=-2-m ■fexvj

Diese Coriolis-Kraft Fc wirkt auf den zweiten Oszillator (auch als Sekundärschwinger oder Detektionsschwinger be¬ zeichnet) und bewirkt eine Auslenkung proportional zur Drehrate. Insbesondere zeigt Fig. 6 einen solchen Drehra- tensensor mit einer Probemasse 60, Verankerungen 61a bis 61d und Federn 62a bis 62d.

Aus dem beigefügten Koordinatensystem sind ferner die x- Richtung, die y-Richtung sowie die z-Richtung zu sehen, wo¬ bei die sensitive Achse des Sensors lediglich beispielhaft die z-Achse ist, so dass also eine zu erfassende Drehrate, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, eine Rotation um die senkrecht auf der Zeichenebene stehende z-Achse ist.

Allgemein lässt sich für jedes schwingungsfähige System entsprechend dem Kräftegleichgewicht eine inhomogene linea¬ re Differentialgleichung zweiter Ordnung formulieren.

Primärschwingung (x-Richtung) :

x(t)+2ßp-x(t)+cop2-x(t)=^ mp

Sekundärschwingung (y-Richtung) :

Dabei sind die Parameter des Modells Masse m, die Dämpfung ß und die Eigenfrequenz ω des Oszillators. Die Indizes p und s kennzeichnen die jeweilig relevanten Parameter der Primär- bzw. Sekundärschwingung. Der Primärschwinger wird mit der elektrostatischen Kraft FD angeregt. Der Sekundär¬ schwinger wird mit der Coriolis-Kraft Fc in einer Richtung orthogonal zur Primäranregung angeregt. Für einen geregel¬ ten Betrieb (closed loop) können hierbei zusätzliche Kräfte EVeedback aufgebracht werden.

Fig. 7 zeigt eine Realisierungsform zur Messung von Drehra¬ ten basierend auf mikrotechnischen Fertigungsverfahren, wo¬ bei wieder, wie es in Fig. 7 angedeutet ist, ein System mit zweiteiliger Probemasse verwendet wird, nämlich mit einem Sekundärschwinger, der in Fig. 7 auch als Inertialmasse be¬ zeichnet wird und das Bezugszeichen 60b hat, und mit einem Primärschwinger, der das Bezugszeichen 60a hat. Sowohl der Primärschwinger 60a als auch der Sekundärschwinger 60b wer¬ den bezüglich eines Substrats, das in Fig. 7 nicht gezeich¬ net ist, mittels Verankerungen 63a bis 63d gehalten. Insbe¬ sondere ist zwischen dem Primärschwinger und der einzelnen Verankerung eine Primärfeder bzw. eine Primärfederkonstruk- tion 64 angeordnet, um den Primärschwinger 60a so zu hal¬ ten, dass er zwar in x-Richtung angeregt werden kann, dass er jedoch in y-Richtung nicht auslenkbar ist.

Die Primärfeder 64 ist somit so ausgestaltet, dass die Pri- märfederkonstruktion eine höhere Steifigkeit in y-Richtung aufweist als in x-Richtung.

Der Sekundärschwinger 60b ist über eine Sekundärfeder 65 mit dem Primärschwinger verbunden. Die Sekundärfeder 65 bzw. eine Sekundärfederkonstruktion ist so ausgebildet, dass der Sekundärschwinger bezüglich des Primärschwingers in y-Richtung auslenkbar ist, und dass die Primärschwingung vom Primärschwinger auf den Sekundärschwinger übertragen wird.

Der Drehratensensor umfasst Antriebselektroden- Kammstrukturen 66a, 66b, 66c und 66d, die mit entsprechen¬ den Wechselsignalen ansteuerbar sind, und zwar phasenrich¬ tig bezüglich der Paare 66d, 66c oder 66a, 66b, um den Pri- märschwinger (und damit den Sekundärschwinger) in eine An¬ regungsschwingung in x-Richtung zu versetzen. Diese Anre¬ gungsschwingung wird auf den Sekundärschwinger übertragen, was dann, wenn eine externe Drehrate um die z-Achse auf die Probemasse 60a, 60b ausgeübt wird, aufgrund der Coriolis- Kraft dazu führt, dass der Sekundärschwinger 60b eine Bewe¬ gung in y-Richtung ausführt, die wieder über Detektions- elektroden 67a, 67b erfasst wird. Jede Kammstruktur umfasst eine feststehende Kammstruktur und eine bewegliche Kamm- struktur, wobei die feststehende Kämmstruktur in die beweg¬ liche Kammstruktur ineinander eingreift.

Wie es bekannt ist, kann durch Anlegen eines Signals zwi- sehen den stehenden Elektroden und (den) beweglichen Elekt¬ roden eine Anziehung aufgrund der elektrostatischen Kraft ausgeübt werden, die um so größer ist, je höher die ange¬ legte Spannung ist. Dieser Effekt wird für die Antriebs¬ elektroden-Kammstrukturen verwendet. Alternativ kann auf- grund der elektrostatischen Kapazität eine Auslenkung der beweglichen Elektroden bezüglich der festen Elektroden ge¬ messen werden. Wird beispielsweise der in Fig. 7 gezeigte Fall betrachtet, so wäre zwischen den festen und den beweg¬ lichen Elektroden ein kleiner Abstand, was zu einer hohen Kapazität führt. Wird dagegen der Sekundärschwinger nach oben in y-Richtung etwas ausgelenkt, so nimmt die Kapazität ab, um dann, wenn der Sekundärschwinger einen Richtungs¬ wechsel durchführt und sich wieder nach unten, also in ne¬ gative y-Richtung bewegt, wieder zuzunehmen.

Fig. 7 zeigt somit eine Realisierungsform zur Messung von Drehraten durch den Corioliseffekt basierend auf mikrotech¬ nischen Fertigungsverfahren. Sowohl die Primär- als auch die Sekundärschwingung erfolgen in der Ebene (bezogen auf das Substrat) . Zum Antrieb der Schwingung mit der Kraft FD werden, wie es ausgeführt worden ist, die Antriebselektro¬ den und zur Detektion der Coriolis-induzierten Bewegung die Detektionselektroden verwendet. Prinzipiell können Primär- und Sekundärschwinger vertauscht werden. Dann würde jedoch auch eine Änderung der Masseverhältnisse des Primärschwin¬ gers und des Sekundärschwingers berücksichtigt werden.

Der Preis für mikromechanische Drehratensensoren wird im wesentlichen durch die Kosten für die Fertigung des Silizi- umchips, die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie das Tes¬ ten und Kalibrieren der Sensoren bestimmt. Bei größeren Stückzahlen verteilen sich die Kosten näherungsweise gleichmäßig. Der Siliziumchip sowie die Aufbau- und Verbin¬ dungstechnik betragen zusammen zwei Drittel, während das zeitintensive Testen und Kalibrieren der Drehratensensoren bis zu einem Drittel der Gesamtkosten ausmacht. Der Grund für die sehr hohen Kosten des Tests und der Kalibrierungen ist die Tatsache, dass vollständig aufgebaute Drehratensen¬ soren üblicherweise einzeln auf einem Drehtisch auf ihre Funktionalität hin getestet und kalibriert werden müssen. Besonders kostenintensiv sind dabei Messungen über den ge- samten Temperaturbereich, in dem der Drehratensensor arbei¬ ten soll. Insbesondere für automotive Anwendungen ist die¬ ser Temperaturbereich beträchtlich, er wird sich von Minus¬ graden bis zu hohen Plusgraden erstrecken, um in dem gesam¬ ten Temperaturbereich, in dem ein Kraftfahrzeug arbeitet, für eine z. B. Navigation des Fahrzeugs verfügbar zu sein.

Im Kontext mit den stetig steigenden technischen Anforde¬ rungen, besonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leis¬ tungsparameter, sollen mikromechanische Drehratensensoren Spezifikationen mit sehr hohen Ansprüchen genügen, welche bisher ausschließlich von faseroptischen Gyroskopen erfüllt werden, die einer Preisklasse von mehreren tausend Euro zu¬ zuordnen sind. Beispiele für Anwendungen mit Spezifikatio¬ nen hoher Ansprüche sind die meisten militärischen Anwen- düngen und Navigationssysteme der Luft- sowie Raumfahrt.

Neben der zeitaufwendigen einzelnen Kalibrierung der Dreh¬ ratensensoren auf einem Drehtisch, der eine Drehrate für den Drehratensensor erzeugt, und der möglicherweise in ei- nem Labor bereitsteht, ist es auch erforderlich, die Funk¬ tionalität des Sensors im Betrieb zu überwachen. Insbeson¬ dere bei mikromechanischen Drehratensensoren existieren starke Temperatureinflüsse, und zwar insbesondere dann, wenn die Schwingeinrichtung im Hinblick auf die Primärbewe¬ gung in Resonanz betrieben wird, um einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit zu erreichen, was nur dann möglich ist, wenn die Resonanzüberhöhung aufgrund der primärseitigen Re- sonanz ausgenutzt wird. Eine Nachkalibrierung aufgrund der Temperaturvariationen des Sensors im normalen Betrieb fand daher dadurch statt, dass die Temperatur des Sensors gemes¬ sen wurde und aufgrund der im Labor aufgenommenen Tempera¬ turspezifikationen eine Nachregelung stattgefunden hat. Al- ternativ und zusätzlich sind auch primärseitige Amplituden- und Phasenregelungen bekannt, dahingehend, dass die Primär¬ amplitude und Primärfrequenz des Primäranregungssignals im¬ mer derart geändert werden, dass einerseits der Drehraten¬ sensor immer in primärseitiger Resonanz betrieben wird und dass andererseits die Amplitude der Primärschwingung kon¬ stant ist oder zumindest einer nachgeschalteten Auswerte¬ elektronik bekannt ist.

Problematisch ist an diesen Maßnahmen, dass sie insbesonde- re im Hinblick auf die im Labor aufgenommenen Temperaturva¬ riationen einen realen Fall lediglich annähern können, da Variationen zweiter Ordnung, wie beispielsweise ein Altern der mechanisch stark beanspruchten Struktur insgesamt nicht berücksichtigt wird. Aus diesem Grund ist es bekannt, Plau- sibilitätsüberprüfungen des Ausgangssignals vorzunehmen, indem die Ausleseelektronik ein Testsignal generiert, das über elektrostatische Kräfte dem Drehratensensor eine der Coriolis-Kraft entsprechende Kraft einprägt, die wiederum ein Ausgangssignal liefert. Das Testausgangssignal wird mit einem ermittelten initialen Ausgangssignal verglichen und bei zu starker Abweichung erfolgt eine Fehlermeldung. Die¬ ser Selbsttest kann auch eine Funktionalität des Sensors durch Anlegen einer definierten Spannung an einem dafür vorgesehenen Pin umfassen.

Im Stand der Technik findet die initiale Kalibrierung daher unter Verwendung eines Drehtisches zum Erzeugen einer rea¬ len Drehrate bzw. mehrerer Drehraten statt, wobei im Be¬ trieb eine Nachkalibrierung bislang lediglich auf der Basis von im Labor ermittelten Temperaturvariationen stattfindet. Ferner kann das Ausgangssignal des Sensors hinsichtlich seiner Plausibilität überprüft werden, um im Falle einer zu großen Abweichung eine Fehlfunktion des Sensors zu signali¬ sieren, um den Sensor auszubauen, ins Labor zu bringen und nachzukalibrieren, oder gleich durch einen neuen (frisch kalibrierten) Sensor auszutauschen.

Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist die Tatsache, dass zum einen, wie es ausgeführt worden ist, die Kalibrierung sehr zeit- und damit kostenintensiv ist, da ein Drehtisch benötigt wird, um den Sensor zu kalibrieren, und da ferner der gesamte Temperaturgang aufgezeichnet werden muss, um eine wenigstens annähernd gute Nachkalibrierung des Sensors im Betrieb zu erhalten.

Weiterhin nachteilig ist die Tatsache, dass dann, wenn die Plausibilitätsüberprüfung anzeigt, dass der Sensor nicht mehr plausible Ausgangssignale liefert, ein kompletter Aus¬ bau des Sensors verbunden mit einer Nachkalibrierung bzw. einem vollständigen Ersatz nötig sein kann, was insbesonde¬ re bei automotiven Anwendungen oder auch bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wenig tolerierbar bzw. nicht mög¬ lich ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizienteres und fehlertoleranteres Konzept für einen Be¬ schleunigungssensor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Erfassen einer Be¬ schleunigung gemäß Patentanspruch 23 oder ein Computerpro¬ gramm gemäß Patentanspruch 24 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl eine Kalibrierung als auch eine In-Betrieb- Funktionsüberwachung eines Beschleunigungssensors dadurch möglich werden, dass ein Beschleunigungssensor herkömmli¬ cher Art mit einer ReferenzgrößenbeaufSchlagungseinrichtung versehen wird, die ausgebildet ist, um auf eine Probemasse eine definierte Referenzgröße in Richtung der sensitiven Achse des Sensors auszuüben. Ferner wird erfindungsgemäß eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen, um ein Aus¬ gangssignal einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Auslenkung der Probemasse zu verarbeiten, um unter Verwen¬ dung von Informationen über die definierte Referenzgröße eine Reaktion der Probemasse auf die definierte Referenz¬ größe zu ermitteln.

Für die Probemasse wird erfindungsgemäß somit keine Simula¬ tion oder etwas ähnliches vorgenommen, sondern die Probe¬ masse wird durch die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrich- tung tatsächlich einer echten oder „unechten" Coriolis- Beschleunigung ausgesetzt, die jedoch im Gegensatz zu der zu messenden Beschleunigung eine definierte Referenzgröße ist, also im Hinblick auf irgendeine Kenngröße bekannt ist, da sie künstlich durch die Referenzgrößenbeaufschlagungs- einrichtung erzeugt worden ist.

Erfindungsgemäß kann daher die „Übertragungsfunktion" des Sensors für die Referenzgröße ermittelt werden, da die Re¬ aktion des Sensors auf die erzeugte Referenzgröße erfasst wird, so dass für eine bestimmte definierte Referenzgröße eine Reaktion des Sensors, also ein Erfassungssignal vor¬ liegt.

Diese definierten Verhältnisse können beispielsweise dazu verwendet werden, um eine gesamte Sensorkennlinie aufzuneh¬ men und zu Kalibrierzwecken abzuspeichern, um damit tat¬ sächliche Messsignale vor ihrer Ausgabe zu beaufschlagen, um ein kalibriertes Ergebnis zu erhalten.

Alternativ kann die Referenzgrößenbeaufschlagungseinrich- tung auch gewissermaßen im Offline-Betrieb dazu verwendet werden, um unter Verwendung einer Einprägung von zwei un¬ terschiedlichen Referenzgrößen vorzugsweise zu zwei ver¬ schiedenen Zeitpunkten eine initiale Kalibrierung des Sen- sors durchzuführen, um sowohl Offset, also die Nullpunkt¬ verschiebung, als auch den Skalenfaktor entsprechend zu bestimmen, um eine korrigierte lineare Ausgangskennlinie des Sensors zu erreichen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der erfin¬ dungsgemäße Sensor allgemein zur Erfassung von Beschleuni¬ gungen, also z. B. translatorischen, rotatorischen Be¬ schleunigungen oder aber auch Coriolisbeschleunigungen dient

Das erfindungsgemäße Konzept ist jedoch besonders dann vor¬ teilhaft, wenn die Referenzgrößenerzeugungseinrichtung ver¬ wendet wird, um im tatsächlichen Messbetrieb zu arbeiten, bei dem nicht gesagt werden kann, ob am Sensor gerade eine Beschleunigung anliegt oder nicht.

Erfindungsgemäß können jedoch aufgrund der Kenntnis über die definierte Referenzgröße der Messanteil einerseits und der Referenzanteil andererseits aus dem Erfassungssignal extrahiert werden, so dass die Referenzmessung zur normalen Messung gewissermaßen immer „im Hintergrund mitläuft". Wenn eine bestimmte definierte Referenzgröße eingeprägt wird, kann somit immer überwacht werden, ob sich der Sensor an- sprechend auf diese Referenzgröße erwartungsgemäß verhält oder nicht.

Verhält er sich nicht erwartungsgemäß, so kann ohne weite- res darauf geschlossen werden, dass die Ausgangssignale des Sensors mit Vorsicht zu genießen sind. Damit wird also ein Funktions- und Plausibilitätstest zur Kontrolle von Messda¬ ten erreicht.

Des weiteren kann der Referenzanteil jedoch nicht nur dazu verwendet werden, um den Messanteil zu beurteilen, also hinsichtlich seiner Plausibilität zu charakterisieren, son¬ dern auch zur Kalibrierung des Sensorelements, beispiels¬ weise des Nullpunkts und des Skalenfaktors, um Signaldrif- ten durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise die Tempera¬ tur, Alterung etc. zu reduzieren.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist somit inso¬ fern besonders fehlertolerant, da er es zum einen ermög- licht, Fehler, also Fehlfunktionen des Sensors typischer¬ weise sowohl auf mechanischer Seite als auch auf elektroni¬ scher Seite zu erkennen und ggf. zu korrigieren.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird daher gleichzeitig zum Messsignal auch ein Korrektursignal ermittelt, das ge¬ wissermaßen eine Kontrollfunktion für das Messsignal aus¬ üben kann.

Das erfindungsgemäße Konzept ist ferner dahin gehend effi- zient, dass der Sensor im Betrieb nachkorrigiert werden kann, derart, dass die Standzeiten des Sensors, also die Zeit des Sensors, die er in der Messumgebung bleiben kann, deutlich erhöht wird im Vergleich zu einem Sensor, der nach einer bestimmten Zeit ins Labor geholt werden muss, um neu kalibriert zu werden, um dann wieder eingesetzt zu werden.

Darüber hinaus erlaubt der erfindungsgemäße Sensor einen Einsatz dort, wo kein Zurückholen ins Labor mehr möglich ist, wie beispielsweise für Weltraumanwendungen etc. Bei solchen Anwendungen war es bisher äußerst problematisch, z. B. mikromechanisch gefertigte Drehratensensoren einzuset¬ zen, da diese Temperatureffekte, Alterungserscheinungen etc. haben. Sofern der Einsatz überhaupt möglich war, war er nur für außerordentlich aufwendig hergestellte Sensoren möglich.

Erfindungsgemäß wird hier nunmehr jedoch ein alternativer Weg eingeschlagen. Vom Sensor durchgeführte Driften auf¬ grund Alterung, Temperaturvariationen etc. werden dem Sen¬ sor gewissermaßen „zugestanden". Allerdings wird nunmehr jedoch, um dennoch ein genaues Messsignal zu erhalten, die Probemasse einer definierten Referenzgröße ausgesetzt, um auf der Basis der Reaktion des Sensors auf die definierte Beschleunigung das driftbehaftete Ausgangssignal, das die eigentliche Messgröße darstellt, zu korrigieren.

Insbesondere dann, wenn das erfindungsgemäße Konzept auf Drehratensensoren angewendet wird, existieren weitere spe¬ zielle Vorteile. Zur initialen Kalibrierung des erfindungs¬ gemäßen Drehratensensors wird nunmehr kein Drehtisch mehr benötigt. Stattdessen muss lediglich genau beispielsweise die Frequenz des Anregungssignals eingestellt werden, die auf die Probemasse die definierte Drehrate ausübt.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der möglichen In-Betrieb- Nachkalibrierung keine kompletten Temperaturgänge mehr vor- ab im Labor aufgezeichnet werden müssen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Sensor im Betrieb nachkalibrierbar ist, so dass Alterungssituationen individuell Rechnung getragen werden kann, was dazu führt, dass ein Sensor erst dann aus¬ getauscht werden muss, wenn er mechanisch zerstört ist, nicht jedoch, wenn er lediglich die Kalibrierung verloren hat. Erfindungsgemäß wird daher einerseits der Aufwand für die Endtests von aufgebauten Drehratensensoren durch die eigen¬ ständige Erst- bzw. initiale Kalibrierung ohne Einsatz ei- nes Drehtisches reduziert. Andererseits wird durch die Rea¬ lisierung einer vorzugsweise permanenten eigenständigen Kontrolle während des Sensorbetriebs und durch eine eigen¬ ständige Rekalibrierung ebenfalls während des Sensorbe¬ triebs die Performance der Drehratensensoren, insbesondere die Drift der Sensorparameter Skalenfaktor und Nullpunkt verbessert.

Bei den Gesamtkosten der Drehratensensoren werden erfin¬ dungsgemäß die vergleichsweise hohen Kosten für das zeitin- tensive Testen sowie Kalibrieren reduziert. Insbesondere das kostenintensive Testen der Sensoren über den gesamten Temperaturbereich wird in Verbindung mit der erfindungsge¬ mäßen Kalibrierung hinfällig, die auf der tatsächlichen Re¬ alisierung der genau quantifizierten Referenzdrehrate auf- baut. Ferner wird den stetig steigenden Anforderungen be¬ sonders an die Zuverlässigkeit sowie an die Leistungspara¬ meter durch die Minimierung der größten Fehler bezüglich der Sensorstabilität bzw. Sensorgenauigkeit, welche durch das Driften des Skalenfaktors und des Nullpunkts entstehen, Rechnung getragen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsge¬ mäßen Beschleunigungssensors;

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen mikro- mechanischen Drehratensensors;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge¬ mäßen Beschleunigungssensors als Drehratensensor; Fig. 4 ein Frequenzdiagramm zur Darstellung des für den Sensor spezifizierten Frequenzbands und der Fre¬ quenz der definierten Referenzgröße;

Fig. 5 ein bekannter Drehratensensor mit einem Primär¬ schwinger und einem Sekundärschwinger, die von¬ einander orthogonal entkoppelt sind;

Fig. 6 eine Prinzipsskizze für einen mikromechanischen Drehratensensor mit zwei orthogonal zueinander angeordneten Feder-Masse-Dämpfer-Systemen; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines alternativen Drehratensensors mit orthogonal entkoppelten Schwingcharakteristika.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfin¬ dungsgemäßen Beschleunigungssensors. Der Sensor umfasst ei- ne Probemasse 10, die normalerweise an einem Träger (in Fig. 1 nicht gezeigt) angebracht ist, und die ferner ausge¬ bildet ist, um von einer bezüglich einer sensitiven Achse, welche im Hinblick auf die nachfolgend noch dargestellten Drehratensensoren ohne Einschränkung der Allgemeinheit die z-Achse ist, gerichtete Messbeschleunigung 11 bezüglich ei¬ ner Ruheposition, bei der keine Messbeschleunigung anliegt, ausgelenkt zu werden. Der erfindungsgemäße Beschleunigungs¬ sensor umfasst ferner eine Referenzgrößenbeaufschlagungs- einrichtung 12, die ausgebildet ist, um auf die Probemasse 10 eine definierte Referenzgröße 13 ebenfalls in Richtung der sensitiven Achse auszuüben. Dies bedeutet, dass die de¬ finierte Referenzgröße 13 und die prinzipiell zu erfassende Messbeschleunigung 11 bezüglich der selben sensitiven Achse gerichtet sind bzw., dass der Sensor Richtungskomponenten dieser beiden Beschleunigungen, die parallel zur sensitiven Achse sind, misst. Zur Unterscheidung der definierten Refe¬ renzgröße von der Messgröße ist die Referenzgröße eine de¬ finierte Referenzgröße, wobei dieses Wissen über die Refe- renzgröße später verwendet wird, wie es noch dargelegt wird.

Im Einzelnen umfasst der erfindungsgemäße Beschleunigungs- sensor eine Erfassungseinrichtung 14 zum Erfassen einer Auslenkung der Probemasse 10 aufgrund einer Beschleunigung, die in Richtung der sensitiven Achse gerichtet ist, und zum Liefern eines Erfassungssignals 15, das dann, wenn der Sen¬ sor im normalen Betrieb ist, typischerweise einen Referenz- anteil und einen Messanteil umfasst.

Das Erfassungssignal 15 wird einer Signalverarbeitungsein¬ richtung 16 zugeführt, die ferner Informationen 17 über die definierte Referenzgröße (also eine Beschleunigung oder Drehrate) erhält, um unter Verwendung dieser Informationen über die definierte Referenzgröße das Erfassungssignal 15 zu verarbeiten, um eine Reaktion der Probemasse auf die de¬ finierte Referenzgröße, also gewissermaßen den Referenzan¬ teil 19a und ggf. den Messanteil 19b aus dem Erfassungssig- nal zu erhalten. Je nach Implementierung wird der Referenz¬ anteil 19a für verschiedene Dinge verwendet, beispielsweise auch zum Kalibrieren des Beschleunigungssensors, wobei in diesem Fall sowohl der Messanteil 19b als auch der Refe¬ renzanteil 19a einer Kalibriereinrichtung 18 zugeführt wer- den, um damit den Messanteil 19b zu kalibrieren, um schließlich ein kalibriertes Ausgangssignal an einem Aus¬ gang 20 zu erhalten.

Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl die Messbeschleuni- gung als auch die Referenzgröße beide auf die selbe Probe¬ masse wirken, was dazu führt, dass dann, wenn die Messbe¬ schleunigung gerade gleich Null ist, die Probemasse dennoch ausgelenkt wird, nämlich aufgrund der definierten Referenz¬ größe. Ist dagegen die zu messende Messbeschleunigung 11 nicht gleich Null, so ist die Auslenkung der Probemasse 10 eine Überlagerung einer Messauslenkung aufgrund der Messbe¬ schleunigung 11 und einer Referenzauslenkung aufgrund der definierten Referenzgröße 13. Die Erfassungseinrichtung, die nichts von all dem weiß, sondern einfach die Auslenkung der Probemasse 10 erfasst, liefert somit ein Erfassungssig¬ nal 15, das sowohl die Informationen über die Messbeschleu¬ nigung als auch Informationen über die definierte Referenz- große umfasst.

Da die Referenzgröße synthetisch erzeugt worden ist, ist sie im Hinblick auf eine oder mehrere Kenngrößen, wie bei¬ spielsweise Frequenz, Amplitude, Zeit oder Fre- quenz/Amplitude-Zeit-Verlauf, bekannt. Diese bestimmte Kenngröße wird sich in irgendeiner Weise als Signalkompo¬ nente im Erfassungssignal äußern, so dass durch Signalver¬ arbeitung unter Verwendung von Informationen über die defi¬ nierte Referenzgröße der Referenzanteil aus dem Referenzer- fassungssignal wieder extrahiert werden kann, um somit un¬ ter Verwendung ein und derselben Probemasse eine Reaktion dieser Probemasse auf die Referenzgröße einerseits und die Messbeschleunigung andererseits zu ermitteln.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Beschleu¬ nigungssensor ein Drehratensensor zum Messen einer Corio- lisbeschleunigung und umfasst ferner eine Anregungseinrich¬ tung, um die Probemasse in eine zur Detektionsauslenkung orthogonalen Anregungsschwingung zu versetzen. In diesem Fall ist die ReferenzgrößenbeaufSchlagungseinrichtung aus¬ gebildet, um eine Drehrate auf die Probemasse auszuüben, die in Richtung der sensitiven Achse des Sensors gerichtet ist. Ist die Anregungsschwingung somit in x-Richtung des Sensors gerichtet, und ist die Detektionsschwingung in y- Richtung des Sensors gerichtet, so ist die Referenzgrößen¬ beaufSchlagungseinrichtung ausgebildet, um die Probemasse in eine Rotation um die z-Achse zu versetzen. Ist die Pro¬ bemasse derart ausgebildet, dass sie eine Primärmasse und eine durch eine Sekundäraufhängung getrennte Sekundärmasse umfasst, so wird es prinzipiell genügen, die Sekundärmasse der definierten Referenzgröße auszusetzen. Dies wird jedoch für spezielle mikromechanische Drehratensensoren aus Grün¬ den der Einfachheit nicht durchgeführt. Stattdessen wird der gesamte Sensor, also auch der Primärschwinger, der de¬ finierten Referenzdrehrate ausgesetzt, was insofern nicht weiter störend ist.

Das erfindungsgemäße Konzept besteht somit in der Aufbrin¬ gung einer inertialen Größe, nämlich der Referenzdrehrate, die im Gegensatz zur Messgröße bekannt ist. Erfindungsgemäß wird die mikromechanische Struktur dabei mit dieser Refe¬ renzdrehrate in der Chip-Ebene, entsprechend der sensitiven Messachse z bzw. Ωz, angeregt. Der Drehratensensor 20 wird im Normalbetrieb betrieben. Diese Referenzgröße erzeugt nun eine zusätzliche Coriolis-Kraft, welche durch die Detek- tionseinheit gemessen und für Kalibriermaßnahmen herangezo¬ gen wird. Insofern zeigt Fig. 2 eine Prinzipskizze eines mikromechanischen Drehratensensors bestehend aus zwei or¬ thogonal zueinander angeordneten Feder-Masse-Dämpfer- Systemen, welche durch die Coriolis-Kraft miteinander ge¬ koppelt sind. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei¬ spiel ist im Gegensatz zu dem bekannten in Fig. 6 darge- stellten Drehratensensor auf mechanischer Seite die Refe- renzgrößenbeaufschlagungseinrichtung in Form eines Refe¬ renzschwingers 12a, von Referenzschwingungsfedern 12b und einer in Fig. 2 nicht gezeigten Anregungseinheit zum Anre¬ gen des Referenzschwingers 12a in eine Drehung um die z- Achse ausgebildet.

Die Probemasse 60 merkt nicht, ob sie aufgrund der Refe- renzgrößenbeaufschlagungseinrichtung 12 oder aufgrund der externen Messdrehrate um die z-Achse gedreht wird. Das sel- be gilt für die Coriolis-Kraft. Auch hier ist es gewisser¬ maßen egal, ob sie aufgrund einer künstlich angeregten Drehrate oder einer tatsächlich zu messenden Drehrate wirkt.

Die Prinzipskizze von Fig. 2 zeigt dabei einen Basis- Drehratensensor mit der zusätzlichen Vorrichtung zur quasi¬ rotierenden Anregung um die Hochachse (z-Achse) . Ausgehend von der vorstehenden Gleichung mit der Frequenz der zu mes- senden Drehrate ergibt sich nun ein zusätzlicher Term FCref mit der Frequenz Ωref des Referenzoszillators -.

FCre/(t,Ωref)

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Struktur für referenzbildende Drehratensensoren. Im Vergleich zu dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier die Refe¬ renzbeschleunigungseinrichtung in Form der Referenzschwin¬ gungsfedern 12b, des Referenzschwingers 12a und der Refe¬ renzantriebseinrichtung 12c ausgebildet.

Der Referenzantrieb umfasst vier Kammantriebsstrukturen, die aus ineinandergreifenden Elektrodengruppen bestehen, wobei eine Elektrodengruppe feststehend ist, die in Fig. 3 mit 120 bezeichnet ist, während die andere Elektrodengruppe 121 beweglich ist, und mit dem Referenzschwinger 12a ver¬ bunden ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Die Anordnung der vier Referenzantriebseinrichtungen 12c stellt sicher, dass die gesamte Struktur in Fig. 3, also insbesondere der Referenzschwinger 12a, der Sekundärschwin¬ ger 60b und der Primärschwinger 60a in eine oszillatorische Drehbewegung versetzt werden, die prinzipiell genauso wirkt wie eine um die z-Achse gerichtete Drehrate.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Primärfedern -64, die den Primärschwinger 60a mit dem Referenzschwinger 12a ver¬ binden, so angeordnet sind, dass der Primärschwinger 60a bezüglich des Referenzschwingers 12a eine Primärschwingung, also eine Schwingung in x-Richtung ausführen kann, dass derselbe jedoch keine y-Schwingung (aufgrund der Coriolis- Kraft) ausführen kann. Des weiteren wird es bevorzugt, dass die Federn 12b zum Aufhängen des Referenzschwingers 12a so ausgebildet bzw. angeordnet sind, dass der Referenzschwinger und damit alle anderen Schwinger, also auch der Primärschwinger und der Sekundärschwinger eine Drehbewegung ausführen kann, für al¬ le anderen Bewegungen jedoch vorzugsweise möglichst starr ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass die feststehenden Detekti- onselektroden der Gruppe 67a und die feststehenden An¬ triebselektroden der Elektrodengruppe 66a bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel feststehend angeordnet sind. Durch die Anregung unter Verwendung der Referenzan¬ triebseinrichtungen 12c wird jedoch, wie es ausgeführt wor- den ist, die gesamte Struktur, außer den feststehenden E- lektroden der Gruppen 66a und 67a gedreht, so dass auch die beweglichen Elektroden der Gruppen 66a und 67a gewisserma¬ ßen verdreht werden. Bei der Dimensionierung der Kamman¬ triebe wird es daher bevorzugt, darauf zu achten, dass ge- nügend Bewegungsfreiheit der beweglichen Elektrodenschwin¬ ger zwischen den feststehenden Elektrodenfingern existiert.

Alternativ kann der in Fig. 3 gezeigte Drehratensensor ge¬ wissermaßen zweistufig aufgebaut werden, so dass auch die festen Elektrodenstrukturen der Elektrodengruppen 66a, 67a ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt werden, und zwar durch das Antriebsmoment, das durch die Referenzan¬ triebseinrichtungen 12c ausgeübt wird.

Aus Kostengründen wird es jedoch bevorzugt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, die Festelektroden nicht beweglich auszufüh¬ ren, so dass der Aufwand für die Führung insgesamt verrin¬ gert wird.

Wie es bereits ausgeführt worden ist, dienen die äußeren Kammstrukturen 12c zum Aufbringen der Referenzgröße mit Frequenzen typischerweise außerhalb einer spezifizierten Bandbreite für Inbetriebkalibrierungen. Wie es nachfolgend noch ausgeführt wird, kann der Einfluss der Anregung der Referenzgröße zur Messgröße durch geeignete Parameter mini¬ miert werden.

Erfindungsgemäß wird, wie es ausgeführt worden ist, eine inertiale Referenzgröße auf Chipebene aufgebracht, um die Sensoreigenschaften zu optimieren bzw. um Störgrößen zu kompensieren.

Die Primär- (Coriolisanregung) und die Sekundärschwingung (Coriolisdetektion) werden entsprechend ihrer sensitiven Achse (Messachse) quasi-oszillierend mit einer definierten Drehratenamplitude und einer definierten Drehratenfrequenz angeregt. Hierzu ist der dritte (quasi-rotierende) Refe- renzoszillator vorgesehen, an dem die beiden Oszillatoren des Drehratensensors, also der Primärschwinger und der Se¬ kundärschwinger, gekoppelt sind.

Vorzugsweise erfolgt die Realisierung des Referenzoszilla- tors, des Anregungsoszillators (Primäroszillator) und des Detektionsoszillators (Sekundäroszillator) auf dem selben Substrat.

Das erfindungsgemäße Konzept dient insbesondere der Redu- zierung von Signaldriften, wie z. B. dem Nullpunkt und dem Skalenfaktor, wobei die Signaldriften normalerweise durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise eine Temperatur oder eine möglicherweise vorhandene Querbeschleunigungen, z.B. lineare Beschleunigungen bei Drehratensensoren, auftreten.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Konzept ein Funkti- ons- und Plausibilitätstest zur Kontrolle der Messdaten durchgeführt werden, wobei dieser Funktions- bzw. Plausibi¬ litätstest parallel zur eigentlichen Messung, also zeit- gleich zur eigentlichen Messung stattfindet und somit durch die gleichen Störungen beeinträchtigt wird, die auch für die Messdaten problematisch sind. Erfindungsgemäß kann ferner unter Verwendung der Referenz¬ messung aufgrund der definierten Referenzgröße eine Kalib¬ rierung des Sensorelements vorgenommen werden, und zwar vor allem des Nullpunkts und des Skalenfaktors, wobei diese Ka- librierung nicht nur als initiale Kalibrierung, sondern auch während des Betriebs ohne Beeinflussung der Messgröße vorgenommen werden kann.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Konzept auch dazu verwendet werden, eine initiale Kalibrierung ohne Drehtisch vorzunehmen.

Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 3 auf die initiale Kalibrierung von Drehratensensoren unter Verwendung einge- prägter Drehraten eingegangen. Es sei bereits jetzt darauf hingewiesen, dass die initiale Kalibrierung erfindungsgemäß kostengünstiger durchgeführt werden kann, da kein Drehtisch mehr benötigt wird. Selbst wenn ein Drehtisch in einem La¬ bor bereits vorhanden ist, wird erfindungsgemäß die Kalib- rierung dennoch vereinfacht, da das Plazieren der Drehra¬ tensensoren auf dem Drehtisch und das Messen der Drehraten¬ sensoren auf dem Drehtisch nicht mehr durchgeführt werden muss.

Zur Kalibrierung der Drehratensensoren werden typischerwei¬ se zwei Größen bestimmt, nämlich der Proportionalitätsfak¬ tor zwischen der zu messenden Drehrate Ω und dem Ausgangs¬ signal V, welcher auch als Skalenfaktor SF (der Skalenfak¬ tor wandelt die Drehrate in eine spannungsäquivalente Größe um) bezeichnet wird, und der sogenannten Nullpunkt NPo, der bei bestimmten Ausführungsformen auf einen spezifizierten Wert angepasst werden soll. Der Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal V, dem Skalenfaktor SFo und dem Nullpunkt NP0 ist folgendermaßen gegeben: V = SFn - Ω + NPn

Der lineare Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung V bzw. allgemein dem Ausgangssignal V und der anliegenden Drehrate Ω bzw. der eingeprägten oder „simulierten" Dreh¬ rate Ω ist inhärent aufgrund der vorstehend dargelegten Definitionsgleichung für die Coriolis-Kraft linear. Ein Nullpunkt NP0, also ein Ausgangssignal des Sensors, wenn keine Drehrate anliegt, wird für bestimmte Anwendungen be- nötigt. So sei beispielsweise der Fall betrachtet, bei dem das Ausgangssignal V aus äußeren Gegebenheiten heraus Werte zwischen 0 V und 5 V annehmen soll. Ferner wird es für die¬ sen Fall beispielsweise gewünscht, dass der Drehratensensor Drehraten messen soll, die Werte zwischen -Ωmax und +Ωmax annehmen soll. In einem solchen Fall würde eine Drehrate von 0, also Ω = 0, einem Wert des Ausgangssignals V von 2,5 V entsprechen. Diese Nullpunktverschiebung wird künst¬ lich erzeugt, so dass, wie ausgeführt abhängig von äußeren Gegebenheiten, ein das Ausgangssignal V empfangender Sig- nalverarbeitungsblock weiß, dass eine Ausgangsspannung von 0 V dem Wert -Ωmax entspricht, das ein Ausgangssignal von 2,5 V einer Drehrate von 0 entspricht, und dass ein Aus¬ gangssignal von +5 V einer Drehrate von +Ωmax entspricht. Würde die Nullpunktverschiebung nicht vorgenommen werden, so würde das Ausgangssignal zwischen -2,5 und +2,5 V lie¬ gen. Wird für einen nachfolgenden Signalverarbeitungsblock, der das Ausgangssignal zwischen -2,5 V und +2,5 V verarbei¬ tet, dieses Signal als geeignet betrachtet, so muss keine Nullpunktverschiebung durchgeführt werden. Eine Nullpunkt- Verschiebung wird lediglich dann benötigt, wenn der nachge¬ schaltete Signalverarbeitungsblock beispielsweise mit nega- tiven Spannungen nicht arbeiten kann oder aus bestimmten Gründen nicht arbeiten soll.

Bevor auf die vorliegende Erfindung eingegangen wird, sei zunächst eine initiale Kalibrierung mit Drehtisch beschrie¬ ben. Zur Kalibrierung des Skalenfaktors SF0 unter Verwen¬ dung eines kalibrierten Drehtisches wird der Drehratensen¬ sor bei mindestens zwei unterschiedlichen Drehraten Ωi und Ω2 betrieben, wobei üblicherweise die den Messbereich defi- nierenden Drehraten verwendet werden. Mit den zugehörigen, resultierenden Ausgangssignalen Vi und V2 ergibt sich der nicht-angepasste Skalenfaktor SFo* aus folgender Gleichung:

Der Abgleich des ermittelten Skalenfaktors SFo* auf den spezifizierten Wert SF0 erfolgt durch Multiplikation (bzw. Division) der Ausgangssignale mit einem geeigneten Multi¬ plikator, der natürlich auch kleiner als 0 sein kann und somit als Divisor wirkt, welcher aus dem Verhältnis von Soll-Skalenfaktor SF0 zu Ist-Skalenfaktor SF0* ermittelt wird. Es ergibt sich folgende Gleichung

k . V - Ir . V SF0 = KSF κ l KSF V 2 Q1 -Q2

die nach Auflösung nach dem Skalenfaktor den Multiplikator kSF liefert. Die Berechnung von ksF sowie die Multiplikation der Ausgangssignale mit kSF erfolgt im digitalen Signalpro¬ zessor, auf den später noch Bezug nehmend auf Fig. 8 einge- gangen wird. Aufgrund der Differenzbildung zweier Signale gemäß dem vorstehenden Prozedere ist die Kenntnis des Null- punkts zur Kalibrierung des Skalenfaktors nicht notwendig, wobei eine vernachlässigbare Drift zwischen den Messungen vorausgesetzt wird.

Die Kalibrierung des Nullpunkts NP0 erfolgt durch Messung des Ausgangssignals Vo ohne Anwesenheit einer Drehrate. Es resultiert der nicht-angepasste Nullpunkt NPo*, der folgen¬ dermaßen definiert ist:

NP0 =F(Q=O)=F0

Der Abgleich des ermittelten Nullpunkts NPo* auf den spezi¬ fizierten Wert NPo erfolgt durch Addition (bzw. Subtrakti¬ on) des Ausgangssignals V0 mit einer geeigneten Konstanten kNP, die aus der Differenz von Soll-Nullpunkt NP0* und Ist- Nullpunkt NP0 ermittelt wird. Es ergibt sich der angepasste Nullpunkt NP0 aus folgender Gleichung:

NP* -V +k

Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich unmittelbar die Nullpunktkonstante kNP, indem die vorstehende Gleichung nach kNP aufgelöst wird. Die Berechnung von kNP sowie die Addition des Ausgangssignals mit kNP erfolgt ebenso wie die Skalenfaktorkalibrierung im digitalen Signalprozessor, wie er beispielhaft in Fig. 8 dargestellt ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Kalibrierung des Nullpunkts ohne Anwe¬ senheit einer Drehrate durchgeführt wird, ist die Kenntnis einer definierten Drehrate bei der initialen Kalibrierung des Nullpunkts nicht erforderlich.

Für die vorstehend beschriebene initiale Kalibrierung unter Verwendung eines Drehtisches zur Erzeugung der Drehraten Ωi und Ω2 wird, wie es ausgeführt worden ist, ein Drehtisch benötigt. Die initiale Kalibrierung muss daher bei Laborbe¬ dingungen, und zwar im wesentlichen bei definierten und vorzugsweise konstanten Umgebungsbedingungen stattfinden.

Erfindungsgemäß wird für die initiale Kalibrierung somit kein Drehtisch mehr benötigt. Stattdessen können aufgrund der einfachen im Hinblick auf die Frequenz berechenbaren Übertragungscharakteristik der Comb-Drives eine erste und eine zweite Kalibrierdrehrate ausgeübt werden, wobei die Kalibrierdrehraten in engem Verhältnis zu der Frequenz des elektrischen Signals sind, das in die Comb-Drives angelegt ist.

Zur initialen Kalibrierung wird somit das Referenzsignal bei der Referenzfrequenz gemessen, die mit der Frequenz des elektrischen Signals, das an die Referenz-Comb-Drives ange¬ legt ist, identisch oder zumindest im definierten Zusammen¬ hang ist.

Damit kann die Auslenkung des Sekundärschwingers aufgrund der Anregung erfasst werden, wobei dieses Signal aufgrund der Referenzdrehrate, da sie periodisch ist, als zeitlich variables Detektionssignal mit einer Frequenz erscheint, die gleich der Referenzfrequenz ist, mit der die Comb- Drives 12c angeregt werden.

Diese Verhältnisse werden nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 4 detaillierter dargestellt.

Bevor detailliert auf Fig. 4 eingegangen wird, sei zunächst noch einmal auf das grundsätzliche Prinzip des erfindungs¬ gemäßen Drehratensensors eingegangen. Wird der Drehraten¬ sensor einer konstanten Winkelgeschwindigkeit unterzogen, wird er also mit konstanter Geschwindigkeit gedreht, so ist das Ausgangssignal aufgrund dieser konstanten Drehung ein Gleichsignal mit einer bestimmten Amplitude A bei der Fre- quenz f=0. Ist diese Drehrate variabel, d.h. wird sie manchmal etwas schneller oder langsamer, so führt dies da¬ zu, dass das Erfassungssignal eine -zeitvariable Komponente erhält, die sich im Frequenzbereich in einem gewissen Fre- quenzband äußert. Ist die äußere Drehrate eine oszillieren¬ de Drehrate mit einer bestimmten Frequenz fi, so ist das Erfassungssignal ein harmonisches Signal mit der Frequenz fi. Entsprechend ist das Erfassungssignal dann ein harmoni¬ sches Signal mit der Frequenz frefr wenn der Referenzoszil- lator mit einer Frequenz fref angeregt wird.

Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Fig. 4 drei Referenz¬ signale bei drei verschiedenen Referenzfrequenzen fref ge¬ zeigt, wobei prinzipiell zwei unterschiedliche Werte für eine initiale Kalibrierung ausreichen würden, wobei jedoch auch insbesondere für eine genauere und besser berechenbare Kalibrierung während des Betriebs auch drei verschiedene Referenzfrequenzen eingesetzt werden können.

Der Drehratensensor hat eine mechanische Bandbreite bei of¬ fener Schleife, die durch Federn, Massen etc. festgelegt wird. Wird der Betrieb in geschlossener Schleife verwendet, wenn also die Sekundärschwingung geregelt wird, erhöht sich die mechanische Bandbreite auf Kosten einer reduzierten Amplitude hin.

Wesentlich ist, dass die Referenzfrequenz fref, mit der der Referenzoszillator angetrieben wird, innerhalb der nutzba¬ ren Bandbreite liegt, damit keine Referenzfrequenz einge- setzt wird, die so schnell ist, dass das System, das z. B. in Fig. 3 gezeigt ist, dieser Frequenz nicht mehr folgen kann.

Typischerweise hat jeder Drehratensensor eine spezifizierte elektrische Bandbreite, die in Fig. 4 ebenfalls eingezeich¬ net ist und durch die Signalverarbeitung des Erfassungssig¬ nals typischerweise spezifiziert sein wird. Anders ausge¬ drückt wird mit einem Drehratensensor mit einer bestimmten elektrischen Bandbreite, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, nicht nach Drehraten „gesucht", die eine höhere Frequenz haben als eine Grenzfrequenz fgr, wie sie beispielsweise in Fig. 4 eingezeichnet ist.

Vorzugsweise wird die Referenzfrequenz höher als die maxi¬ male Frequenz fgr gewählt, nach der mit dem vorliegenden Drehratensensor überhaupt noch gesucht werden soll.

Die Signalverarbeitungseinrichtung ist bei einem bevorzug¬ ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wirksam, um die Signaltrennung von Referenzanteil und Messanteil im Erfassungssignal durch eine frequenzselektive Verarbeitung des Erfassungssignals zu erreichen, wobei unter Kenntnis der Information, dass die Frequenz des Referenzsignals au¬ ßerhalb der spezifizierten (elektrischen) Bandbreite liegt, eine Filterung des Erfassungssignals durchgeführt wird.

Des weiteren wird durch das Referenzsignal die Messung selbst nicht direkt beeinflusst, wie es aus Fig. 4 zu sehen ist, da zwischen dem Referenzsignal fref und dem maximal ge¬ suchten Messsignal fgr noch ein gewisser Frequenzabstand existiert.

Des weiteren wird durch die Tatsache, dass bei dem bevor¬ zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Antriebsmoment des Referenzsignals wesentlich größer ist als das Drehmoment durch die zu messende Drehrate die ge¬ genseitige Beeinträchtigung zusätzlich minimiert.

Zur Signalrückgewinnung der Referenzgröße, also des Refe¬ renzanteils im Messsignal wird z. B. ein Lock-In- Verstärker, der auf die Referenzfrequenz fref abgestimmt ist, oder eine einfache Filterung eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Konzept ist dahin gehend vorteilhaft, dass durch die Reduzierung von Signaldriften und die Kalib¬ rierung des Sensorelements kostengünstigere Signalverarbei- tungskonzepte mit größeren Driften in Kauf genommen werden können, da Signaldriften nachträglich korrigiert werden können, und da die Signalstabilität durch eine Kalibrie¬ rungsmöglichkeit im Betrieb erheblich verbessert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Konzept sind bei einem Ausfüh¬ rungsbeispiel Drehraten bis 100°/s erzielbar.

Ferner wird es bevorzugt, die Frequenz des Referenzoszilla- tors größer als die Frequenz der zu messenden Drehrate (nach Spezifikation) , allerdings sehr viel kleiner als die Resonanzfrequenz des Referenzoszillators zu wählen. Falls externe Drehraten (größer als Spezifikation, wie beispiels¬ weise 100°/s) Einfluss nehmen, kann dies zu einer Verände- rung des Referenzsignals führen (Ω extern = Ωref > Ωmax) . Als Abhilfe hierfür kann eine Zufallsfolge in Amplitude und Frequenz für das Referenzsignal zur Messung von Nullpunkt und Skalenfaktor eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Zufallsfolge entweder der Signalverarbeitungseinrichtung 16 bekannt sein, oder sie wird von der Referenzgrößenbeauf- schlagungseinrichtung 12 über die in Fig. 1 gezeigte ge¬ strichelte Verbindung zwischen dem Block 12 und dem Block 16 der Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, damit der Referenzanteil von einem Messanteil, der für diese Be- trachtung gewissermaßen wie ein Störanteil wirkt, getrennt werden kann.

Alternative Konzepte neben der frequenzselektiven Verarbei¬ tung oder der codierten Verarbeitung können eingesetzt wer- den, wobei jegliche Mehrfachzugrifftechniken verwendet wer¬ den können, die in der Technik und insbesondere aus der Nachrichtentechnik bekannt sind.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ei- ne Regelung für den Referenzoszillator bevorzugt, um die Messung nicht zu beeinflussen, und um die Referenzdrehrate konstant zu halten. Nachfolgend werden, zum besseren Verständnis einige Kenn¬ größen hergeleitet, die zur Beschreibung eines Kammantriebs dienen, der z. B. als Kammantrieb 12c zur Erzeugung der Re¬ ferenzgröße eingesetzt werden kann.

Die Winkelgeschwindigkeit erzeugte Referenzdrehrate α'z ist

proportional zur Betriebsfrequenz ωref_d und dem Auslen¬

kungswinkel αz0 des Referenzoszillators.

ά. (0 = ~ωref_d ■ «zo sin(ωref d - t - φ)

Somit ist die Antriebsamplitude definiert als

Unter der Annahme, dass die Betriebsfrequenz wesentlich

kleiner ist als die Resonanzfrequenz des Referenzoszilla¬

tors (quasi-statischer Betrieb bzw. nicht-resonanter Be¬

trieb) ergibt sich das erforderliche Antriebsmoment Mz rβf reg

mit dessen Rotationssteifigkeit krz.

Mz_ref_req = krz 'az

Die Resonanzfrequenz des Referenzoszillators ωref ergibt

sich mit dem Massenträgheitsmoment jz zu

wobei sich die Rotationssteifigkeit kcz durch

zusammensetzt. Hierbei ist nspcl die Anzahl der Referenzfe-

dern, E das Elastizitätsmodul, r^reh der Radius vom Mittel¬

punkt bis zur Referenzfeder und lspri die Länge der Refe¬

renzfeder. Das Massenträgheitsmoment Hy ist gegeben als

Mit der Rechtecksquerschnittsabmessung hSi und wsprl der Re¬ ferenzfeder. Das anregende Moment Mz_avan ist näherungsweise proportional der Anzahl der Antriebsfinger nsp_Cdfing, der An¬ triebsspannung UcdrefOl dem Abstand der Antriebsfingerstruk¬ turen tcdf dem mittleren Abstand vom Drehmittelpunkt zum Antriebsfinger rcdfing meanr der Höhe der Siliziumschicht hSi und der Dielektrizitätskonstanten ε.

4 • ε • hsj • Ucdrej-Q • t"Cdfmg mean Mref _z — nsp_cdfmg 1 Cd Die mittlere maximale Auslenkung der Elektrodenfinger ■Xcdfing mean des Referenzoszillators ist gegeben durch

xcdfing _meαn ~ ) ' rcdfing _meαn •

Parameter

Je nach den praktischen Gegebenheiten kann das erfindungs¬ gemäße Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Spei¬ chermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elekt- ronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit ei¬ nem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Pro- grammcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt stellt die Erfindung somit ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens dar, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.