Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung, welche Magnetfelderfassungsmittel zur Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes enthalt.

Die genannten Vorrichtungen werden insbesondere dazu verwendet, die Bewegungsrichtung eines Fahrzeuges, eines Bootes oder eines Flugzeuges relativ zum Erdmagnetfeld zu erfassen. Die Bewegungsrichtung kann dann dem Benutzer visualisiert werden, beispielsweise in Form eines Kompasskurses. Weiterhin kann die erfasste Bewegungsπchtung als Eingangswert einer automatischen Steuerung verwendet werden, so dass die Bewegungsrichtung bei Abweichungen von einem vorgebbaren Sollkurs automatisiert korrigiert wird.

Zur Erfassung der Bewegungsrichtung ist aus dem Stand der Technik bekannt, mittels dreier Magnetfeldsensoren die Starke des Erdmagnetfeldes m drei Raumrichtungen zu erfassen.

Dadurch können die drei Komponenten des Feldvektors und damit dessen Richtung bestimmt werden. Ein einzelner Sensor kann dabei beispielsweise ein Hallsensor, ein Fluxgatesensor oder ein GMR-Sensor sein. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch die

Tatsache, dass magnetische Sensoren zwar über einen längeren Zeitraum ein relativ stabiles Richtungssignal liefern, jedoch auch kurzfristig auf lokale Störungen reagieren. Dadurch wird das Richtungssignal gestört und eine zuverlässige Erfassung der Bewegungsrichtung wird unmöglich. Lokale Störungen können sich dabei insbesondere durch Anomalien des Erdmagnetfeldes, durch die Anwesenheit eisenmetallischer Gegenstande oder die Nahe zu stromdurchflossenen elektrischen Leitungen ergeben. Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung anzugeben, mit welcher die Bewegungsrichtung genauer und mit größerer Zuverlässigkeit angegeben werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß durch eine Vorrichtung zur Messung einer Bewegungsrichtung gelost, welche Magnetfelderfassungsmittel zur Messung der Richtung des Erdmagnetfeldes und Bewegungserfassungsmittel zur Erfassung einer Drehrate und/oder eines Drehwinkels sowie eine Bewertungseinrichtung enthalt. Dabei erzeugt die Bewertungseinrichtung aus den Daten der Magnetfelderfassungsmittel und den Daten der Bewegungserfassungsmittel ein Ausgangssignal, welches die Bewegungsrichtung beschreibt. Erfindungsgemaß wird vorgeschlagen, die Bewegungsrichtung weiterhin aus der relativen Orientierung zum Erdmagnetfeld zu bestimmen. Die so gewonnen Daten werden durch Erfassung einer Drehrate und/oder eines Drehwinkels plausibilisiert . Auf diese Weise können Messfehler der Magnetfelderfassungsmittel aufgrund zeitlicher oder örtlicher Storfelder erkannt und eliminiert werden. Umgekehrt kann eine gemessene Drehrate bzw. ein gemessener Drehwinkel plausibilisiert werden, in dem die erwartete Änderung der Orientierung zum Erdmagnetfeld vorausberechnet und mit der gemessenen Orientierung verglichen wird.

Für die wechselseitige Plausibilisierung der von den Magnetfelderfassungsmitteln und den Bewegungserfassungsmitteln erzeugten Daten steht erfindungsgemaß eine Bewertungs ^¬ einrichtung zur Verfugung. Die Bewertungseinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, aus den gemessenen Rohdaten eine Bewegungsrichtung mit möglichst geringem Fehler zu erzeugen. Dazu kann die Bewertungseinrichtung beispielsweise einen Kaiman-Filter oder ein neuronales Netzwerk enthalten. Alternativ können auch stochastische Filter oder theoretische Vorhersagen über dre erwartete Bewegung von der Bewertungseinrichtung berücksichtigt werden.

Als Bewegungserfassungsmittel kommen insbesondere mikromechanische Sensoren m Betracht. Zur Erfassung einer Drehrate oder eines Drehwinkels können beispielsweise

Gyroskope oder federnd aufgehängte Messelemente verwendet werden. Weiterhin können die Bewegungserfassungsmittel Beschleunigungssensoren zur Erfassung einer lateralen Beschleunigung umfassen. Neben der oben dargestellten Plausibilisierung der von den Magnetfelderfassungsmitteln bestimmten Orientierung zum Erdmagnetfeld können diese Daten darüber hinaus zur Korrektur der Daten der Magnetfelderfassungsmittel bei Verkippung der magnetischen Sensoren dienen . In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung befinden sich sowohl die Bewegungserfassungsmittel als auch die Magnetfelderfassungsmittel sowie die Bewertungseinrichtung in einem einzigen Gehäuse mit mehreren Anschlusskontakten, so dass nach Anlegen einer Betriebsspannung an das Bauelement unmittelbar Daten ausgegeben werden, welche die Bewegungsrichtung kennzeichnen. In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Magnetfelderfassungsmittel, die Bewegungserfassungsmittel und die Bewertungseinrichtung auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der erfmdungsgemaßen Vorrichtung erhöht sowie der Herstellungsaufwand vermindert.

Die erfindungsgemaß vorgeschlagene Vorrichtung kann beispielsweise Bestandteil eines Navigationsgerates oder eines elektronischen Kompasses sein. Weiterhin kann die Vorrichtung Bestandteil von Consumer-Elektronik sein, wie beispielsweise einem Mobiltelefon, einem PDA oder einem tragbaren Computer. In diesem Fall kann die Consumer- Elektronik neben ihrer Hauptaufgabe auch zur Navigation oder zur Anzeige einer Bewegungsrichtung verwendet werden. -A -

Ohne Beschrankung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die Erfindung nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert werden. Dabei zeigt:

Figur 1 die Aufsicht auf einen erfmdungsgemaß vorgeschlagenen Halbleiterbaustem und

Figur 2 ein Ablaufdiagramm eines erfmdungsgemaß vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung .

Die Vorrichtung gemäß Figur 1 ist auf einem Halbleiter- Substrat 10 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 10 umfasst dabei insbesondere ein Siliziumsubstrat . Zur Einstellung einer vorgebbaren Leitfähigkeit kann das Halbleitersubstrat 10 mit einem Dαtierstoff versehen sein.

Um einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem Halbleiter- Substrat 10 und den auf seiner Oberflache angeordneten

Bauelementen zu verhindern, kann die Oberflache des HaIb- leitersubstrates 10 mit einem Isolator oder einem Di ^¬ elektrikum beschichtet sein. Der Isolator kann dabei insbesondere Siliziummtrid, Siliziumoxid oder Siliziumoxi- nitπd enthalten.

Auf der Oberflache des Halbleitersubstrates 10 sind Magnetfelderfassungsmittel 11 angeordnet. Die Magnetfelderfassungs- mittel 11 sind dazu eingerichtet, die Lage des Halbleiter- substrates 10 und somit letztlich die Lage eines das HaIb- leitersubstrat 10 enthaltenden Gerätes relativ zum Erdmagnetfeld zu bestimmen. Hierzu umfassen die Magnetfelderfassungs- mittel 11 beispielsweise drei magnetische Sensoren, um die drei Ortskoordinaten des Erdmagnetfeldes zu messen. Als Sensoren kommen insbesondere Hallsensoren, Fluxgatesensoren oder GMR-Sensoren in Betracht. GMR-Sensoren beruhen dabei auf der Auswertung des Riesenmagnetowiderstandes, welcher in Vielschichtsystemen aus abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke auftritt. Die Magnetfelderfassungsmittel 11 können dabei in an sich bekannter Weise durch Strukturieren des Halbleitersubstrates 10 monolithisch auf dem Substrat 10 erzeugt werden. Das Strukturieren umfasst dabei insbesondere einen oder mehrere Atzschritte und/oder Maskierungsschritte und/oder

Dotierungsschritte und/oder das Aufbringen von leitenden oder halbleitenden Mateπallagen aus der Gasphase, beispielsweise durch Aufdampfen, Sputtern, Chemical Vapor Deposition, Physical Vapor Deposition oder weitere, nicht explizit genannte Verfahren.

Weiterhin umfasst das Halbleitersubstrat 10 Bewegungs- erfassungsmittel 12, welche eine Drehrate und/oder einen Drehwinkel und/oder eine lineare Beschleunigung des Halbleitersubstrates 10 bzw. eines das Halbleitersubstrat 10 enthaltenden Gerätes oder eines das Gerat enthaltenden Fahroder Flugzeuges erfassen. Hierzu enthalten die Bewegungs- erfassungsmittel bevorzugt mehrere Sensoren unterschiedlicher Orientierung, so dass die Bewegung in allen drei Raumrichtungen erfasst werden kann. Insbesondere enthalten die Bewegungserfassungsmittel zumindest ein mikromechanisch hergestelltes Gyroskop und/oder einen Drehratensensor, welcher auf der Auswertung der Bewegung einer federnd aufgehängten und über ein Wechselfeld in Schwingung versetzten Masse beruhen. Sofern optional auch lineare Beschleunigungs- sensoren eingesetzt werden, können hierzu ebenfalls federnd aufgehängte Massen verwendet werden, der Bewegung beispielsweise kapazitiv gemessen werden kann. Die Herstellung solcher mikromechanischen Bewegungserfassungsmittel ist aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fachmann gelaufig. Die von den Bewegungserfassungsmrtteln 12 und den Magnetfelderfassungsmitteln 11 gelieferten Daten werden über eine Busleitung 14 einer Bewertungseinrichtung 13 zugeführt. Obgleich die Busleitung 14 in Figur 1 nur als einzelne Leitung schematisiert dargestellt ist, ist dem Fachmann selbstverständlich gelaufig, dass der Bus 14 physikalisch aus mehr als einer elektrischen oder optischen Leitung bestehen kann.

Die Bewertungseinrichtung 13 fasst die von den Magnetfelderfassungsmitteln 11 und den Bewegungserfassungsmitteln 12 gelieferten Daten zusammen, so dass am Ausgang der

Bewertungseinrichtung 13 Daten über die Bewegungsrichtung zur Verfugung gestellt werden. Die Bewertungseinrichtung 13 bestimmt die Bewegungsrichtung dabei bevorzugt so, dass die Fehler der Magnetfelderfassungsmittel 11 und die Fehler der Bewegungserfassungsmittel 12 jeweils gegeneinander kompensiert und die Genauigkeit der ausgegebenen Bewegungsrichtung erhöht wird.

Die Bewertungseinrichtung 13 kann beispielsweise ein Kalman- Filter oder ein neuronales Netz umfassen. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung kann die Bewertungseinrichtung 13 auch Vorhersagemittel enthalten, welche aufgrund eines Bewegungsmodells des zu navigierenden Fahr- oder Flugzeuges die gemessenen Daten vorhersagen und plausibilisieren . Die Bewertungseinrichtung kann dabei entweder in Hardware oder in Software realisiert werden. Im letzteren Fall umfasst die Bewertungseinrichtung 13 einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller, auf welchen im Betrieb der Vorrichtung ein Softwareprogramm ablauft, welches die genannten Funktionen ausfuhrt . Weiterhin weist das Halbleitersubstrat 10 Anschlusskontakte

15 auf, über welche der Bewertungseinrichtung 13, den Magnetfelderfassungsmitteln 11 und den Bewegungserfassungsmitteln 12 eine Betriebsspannung zugeführt werden kann. Weiterhin können Anschlusskontakte 15 dazu vorgesehen sein, die von der Vorrrchtung bestimmte Bewegungsrrchtung als analogen oder digitalen Datenstrom auszugeben. Ein digitaler Datenstrom kann dabei in einem standardisierten Datenprotokoll codiert sein. Die Anschlusskontakte 15 können insbesondere als Bondpad ausgeführt werden. Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemaß vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung .

Im ersten Verfahrensschritt wird zur Bestimmung einer Bewegungsrichtung die relative Orientierung zum Erdmagnetfeld bestimmt. Hierzu werden die Magnetfelderfassungsmittel ausgelesen. Sofern die Magnetfelderfassungsmittel eine Vielzahl von Sensoren umfassen, welche jeweils eine Komponente des Erdmagnetfeldes in einer Raumrichtung bestimmen, kann hieraus die relative Orientierung zum Erdmagnetfeld eindeutig bestimmt werden.

Im nächsten Verfahrensschritt wird zumindest eine Drehrate bzw. ein Drehwinkel mithilfe der Bewegungserfassungsmittel bestimmt. Diese Abfrage erzeugt eine Information darüber, ob sich das Navigationsgerat bzw. das zugehörige Fahr- oder

Flugzeug geradlinig bewegt oder die Bewegungsrichtung eine gekrümmte Bahn aufweist.

Im dritten Verfahrensschritt wird schließlich eine Bewertung der von den Magnetfelderfassungsmitteln und den Bewegungs- erfassungsmitteln gelieferten Daten vorgenommen. Diese

Bewertung kann insbesondere auch einen Vergleich mit Daten umfassen, welche in einem vorherigen Zeitschritt aufgenommen wurden. Das Ziel der Bewertung gemäß dem dritten Verfahrens- schritt besteht darin, die Nachteile der Magnetfeld- erfassungsmittel und die Nachteile der Bewegungserfassungsmittel gegenseitig zu eliminieren. So weisen beispielsweise die Daten der Magnetfelderfassungsmittel 11 ein großes Rauschen sowie große Storeinflusse durch kurzzeitige bzw. eng begrenzte räumliche Störungen auf. Andererseits zeigen die Daten der Magnetfelderfassungsmittel eine gute Langzeit- stabilitat .

Die Messung einer Bewegungsrichtung mittels einer Einrichtung zur Bewegungserfassung zeichnet sich durch niedriges Rauschen und Unempfindlichkeit gegenüber kurzzeitigen oder lokalen Störungen aus. Andererseits können sich Messfehler über einen längeren Zeitraum summieren und so die Richtungsbestimmung negativ beeinflussen. Erfmdungsgemaß wurde nun erkannt, dass durch eine Messung der Bewegungsrichtung, eine Messung des Erdmagnetfeldes und eine Bewertung der erhaltenen Daten die Nachteile beider Messeinrichtungen durch die jeweiligen Vorteile kompensiert werden können.

Beispielsweise kann die Bewertung darin bestehen, dass die gemessene Orientierung zum Erdmagnetfeld mithilfe des erfassten Drehwinkels plausibilisiert wird. Sofern die Magnetfelderfassungsmittel aufgrund einer lokalen Störung des Magnetfeldes eine geänderte Orientierung zum Erdmagnetfeld anzeigen, muss auch ein korrespondierender Drehwinkel erkannt worden sein. Andernfalls kann die Magnetfeldmessung als fehlerhaft identifiziert werden. Weiterhin kann die Bewertung dergestalt vorgenommen werden, dass gemessene Drehraten oder Drehwinkel verworfen werden, wenn das verwendete Fahr- oder Flugzeug solche Bewegungen nicht zulasst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bewertung gemäß dem dritten Verfahrensschritt eine Daten- filterung mittels eines Kaiman-Filters . Der Kaiman-Filter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Bewegungsrichtung des Fahr- oder Flugzeuges in besonders einfacher Weise aus den aktuellen Messwerten und den Messwerten des vorherigen Zeitschrittes mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden kann. Da weitere Daten nicht erforderlich sind, kann Rechenleistung und Speicherplatz und damit Chipflache eingespart werden.

Im vierten Verfahrensschritt wird schließlich die Bewegungs- πchtung ausgegeben. Diese kann nun entweder einem Benutzer über eine Anzeige visualisiert oder zur automatisierten Steuerung verwendet werden. Insbesondere kann die Bewegungs- πchtung in Form eines digitalen Datums ausgegeben werden, beispielsweise im Format NMEA 0183. Sofern die Messdaten zur Bestimmung einer zukunftigen Bewegungsrichtung benotigt werden, beispielsweise bei Verwendung eines Kaiman-Filters, werden die Messdaten der Magnetfelderfassungsmittel und/oder die Messdaten der Bewegungserfassungsmittel und/oder die bestimmte Bewegungsrichtung in einem Speicher abgelegt. Nachdem in diesem Zeitschritt eine Bewegungsrichtung bestimmt und ausgegeben wurde, beginnt das Verfahren mit dem oben beschriebenen ersten Verfahrensschritt von vorne. Gegebenenfalls kann vor dem erneuten Ablauf eine vorgebbare Wartezeit programmiert werden. Durch den rekursiven Ablauf des erfmdungsgemaßen Verfahrens wird der Benutzer fortlaufend über seine Bewegungsrichtung informiert.

Dem Fachmann ist selbstverständlich gelaufig, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verandern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschrankend, sondern als erläuternd anzusehen.