Verfahren zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors und Beschleunigungssensor

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Sensoren, insbesondere mikromechanische Sensoren, wie beispielsweise Be- schleunigungs-, Druck-, Magnetfeld- oder Drehratensensoren, werden in vielfältigen Einsatzgebieten eingesetzt. Durch Prozessstreuungen während der Sensorfertigung müssen die Sensoren auf das jeweilige Einsatzgebiet abgeglichen werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Abgleich eines Beschleunigungssensors anhand des langzeitstabilen und temperaturunabhängigen Gravitationsvektors durchzuführen. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2009 029 216 A1 ein Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors im Betrieb bekannt, bei welchem mittels eines Abgleichalgorithmus in einem Ruhezustand überprüft wird, ob der Betrag der gemessenen Beschleunigung dem Betrag der Erdbeschleunigung entspricht. Dabei werden die Kalibrierungsparameter Sensitivität und der Offset, sowie deren jeweilige Varianz mittels eines gemeinsamen Kaimans-Filters geschätzt.

Bei den bekannten Methoden wird zur Erkennung, ob eine Störbeschleunigung vorliegt oder nicht, ein NIS-Wert (NIS = (y - - y)) innerhalb des Kalmanfil- ters als Entscheidungskriterum herangezogen. Der Parameter S stellt dabei die Innovations-Kovarianzmatrix dar, y die gemessene Größe (nachfolgend auch als Messwert bezeichnet) und y die geschätzte Größe. Eine überlagerte Störbeschleunigung mit vergleichsweise großer Amplitude und Dynamik kann durch diese Methode, vor allem während der Anfangsphase der Kalibrierung, jedoch nicht sicher detektiert werden. Sollten die Kalibrierungsparameter noch sehr ungenau bekannt sein, kommt es dann zu einer Fehlkalibrierung des Sensors.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zur Bestimmung, ob eine Störbeschleunigung vorliegt, ein dem Kalibrierungsverfahren zeitlich vorgelagerter mathematischer Hypothesentest auf den Messwerten durchgeführt wird, mit welchem auch überlagerte Störbeschleunigungen mit hoher Dynamik und großer Amplitude erkannt werden. Wenn eine solche Störbeschleunigung erkannt wird, wird der Kalibrierungsschritt gar nicht erst gestartet bzw. die ermittelten Messwerte werden nicht zur Kalibrierung herangezogen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im zweiten

Verfahrensschritt auf die Messwerte ein mathematischer Hypothesentest in Form eines z-Tests oder eines t-Tests durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird mit einem z-Test (auch als Gauß-Test bezeichnet) oder einem t-Test eine besonders effiziente Überprüfung dahingehend ermöglicht, ob die Mittelwerte der letzten ge- speicherten Messwerte mit dem aktuellen Messwert übereinstimmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zeitlich vor dem ersten Verfahrensschritt durchgeführten nullten Verfahrensschritt eine Vielzahl von weiteren Messwerten der Vergangenheit, welche in Abhängigkeit von den auf den Beschleunigungssensor wirkenden Beschleunigungskräften erzeugt wurden, gespeichert werden, wobei im zweiten Verfahrensschritt aus der Vielzahl von gespeicherten Messwerten Mittelwerte gebildet werden und mittels einer Nullhypothese überprüft wird, ob die Mittelwerte und die im ersten Verfahrensschritt erzeugten Messwerte von der gleichen Normalverteilung stammen. Vor- zugsweise wird hierbei die Nullhypothese aufgestellt, dass die Mittelwerte von der gleichen Normalverteilung mit bekannter Varianz stammen (U _s = U _K ), oder die Alternativhypothese, dass die Mittelwerte unterschiedlich sind (U _s ^ U _K ).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit der Messwerte eine Testvariable durch Dividieren der Differenz aus den berechneten Mittelwerten vom nullten Verfahrensschritt und den Messwerten aus dem ersten Verfahrensschritt durch eine Standardabweichung berechnet wird und wobei die Testvariable mit einem Grenzwert verglichen wird. Die Testvariable z wird vorzugsweise wie Folgt berechnet:

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Grenzwert aus der inversen Normalverteilung oder aus der Students T-Verteilung berechnet wird, wobei ein Signifikanznivea ird:

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vorliegen einer Störbeschleunigung angenommen wird, wenn der Betrag der Testvariablen größer als der Grenzwert ist. Vorteilhafterweise wird somit ein eindeutiges Entscheidungskriterium geschaffen, welches das Vorliegen einer Störbeschleunigung oder die Abwesenheit einer Störbeschleunigung angibt. Auf diese Weise werden auch Störbeschleunigungen mit hoher Dynamik und großer Amplitude detektiert. Die mathematische Bedingung hierfür lautet insbesondere: | z | >T.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Interrupt erzeugt wird, wenn das Vorliegen einer Störbeschleunigung angenommen wird und wobei die Kalibrierung des Beschleunigungssensors verhindert und/oder abgebrochen wird, wenn der Interrupt detektiert wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass der aktuelle Messwert zur Kalibrierung des Beschleunigungssensors verwendet wird, wenn der aktuelle Messwert durch eine Störbeschleunigung be- einflusst ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der Beschleunigungssensor mittels eines Kaiman-Filters und ins- besondere eines nicht-linearen Kaiman-Filters kalibriert wird, so dass eine effiziente und präzise Abschätzung von Sensitivität und Offset des Beschleunigungssensors während seines Verwendungsmodus (auch als "In-Use- Calibration" bezeichnet) ermöglicht wird. Ein Abgleich am Bandende des Herstel- lungsprozesses ist somit nicht notwendig.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Beschleunigungssensor kalibriert nach dem vorhergehenden Verfahren. Der Beschleunigungssensor umfasst insbesondere einen dreiachsigen Beschleunigungssensor. Vor- zugsweise umfasst der Beschleunigungssensor einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, welcher vorzugsweise in einem Standardhalbleiterherstel- lungsprozess hergestellt ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dar- gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik und

Figur 2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt werden Messwerte eines dreiachsigen Beschleunigungssensors 1 erzeugt. Die Messwerte sind dabei proportional zu Beschleunigungen entlang der drei Messachsen des Beschleunigungssensors. Der Beschleunigungssensor 1 umfasst beispielsweise ein Substrat und eine relativ zum Substrat entlang der drei Messachsen beweglich aufgehängte seismische Mas- se. Wenn der Beschleunigungssensor eine Beschleunigung erfährt, wird die seismische Masse aufgrund von Trägheitskräften aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Die Auslenkung der seismischen Masse wird vorzugsweise kapazitiv, beispielsweise mittels einer Plattenkondensatorstruktur oder einer Fingerelektrodenstruktur, ausgewertet und in ein analoges Sensorsignal gewandelt. Das Sensorsignal ist dabei der Größe der Auslenkung und somit der anliegenden Beschleunigung proportional. Aus dem Sensorsignal können dann entsprechende Messwerte abgeleitet werden.

Die Messwerte werden in einem dritten Schritt 3 an einen Kaimanfilter übergeben. Wenn der Beschleunigungssensor 1 sich in einem Ruhezustand befindet (auch als 1 g-Zustand bezeichnet), in welchem lediglich die Erdbeschleunigung (1 g) auf den Beschleunigungssensor 1 wirkt, kann anhand der Messwerte eine Abschätzung der Sensitivität und des Offsets des Beschleunigungssensors 1 vorgenommen werden. Eine solche Vorgehensweise geht beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2009 029 216 A1 hervor, dessen Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezug einbezogen werden.

In Figur 2 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zum Abgleichen eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber dem anhand von Figur 1 beschriebenen Abgleichverfahren einen zusätzlichen Schritt zwischen der Ermittelung der Messwerte (auch als erster Verfahrensschritt bezeichnet) und der Kalibrierung des Beschleunigungssensors 1 (auch als dritter Verfahrensschritt 3 bezeichnet). In dem zusätzlichen Schritt (auch als zweiter Verfahrensschritt 2 bezeichnet) wird geprüft, ob die im ersten Verfahrensschritt vom Beschleunigungssensor 1 erzeugten Messwerte durch eine impulsive Störbeschleunigung beeinflusst sind. Der zweite Verfahrensschritt wird nachfolgend daher auch als Störbeschleunigungserkennung bezeichnet.

Für die impulsive Störbeschleunigungserkennung werden die letzten n Messwerte (auch als weitere Messwerte bezeichnet) gespeichert, insbesondere in dem ersten Verfahrensschritt zeitlich vorausgehenden nullten Verfahrensschritten.

Mit den Parametern n wird die Empfindlichkeit der Störbeschleunigungserkennung eingestellt. Je größer der Parameter n gewählt wird, desto weniger Störbe- schleunigung wird im Signal zugelassen. Anschließend wird anhand des statistischen z-Tests überprüft, ob die Mittelwerte der letzten gespeicherten Beschleunigungswerte mit dem aktuellen gemessenen Messwert übereinstimmen. Hierzu wird die Testvariable z berechnet:

n ₂ ⁺ 71 i

Dazu wird eine Nullhypothese aufgestellt, dass die Mittelwerte von der gleichen Normalverteilung mit bekannter Varianz stammen

(U _s = U _K ) und die Alternativhypothese, dass die Mittelwerte unterschiedlich sind

(U _s * U _K ).

Mit diesem zweiseitigen z-Test kann die Überprüfung der Nullhypothese durchgeführt werden. Da eine Gaußverteilung des z-Wertes vorliegt, kann mit Hilfe der inversen Normalverteilung und einem vorgegeben Signifikanzniveau α ein Grenzwert T für die Verwerfung der Nullhypothese errechnet werden:

Unterscheidet sich der aktuelle Messwert signifikant von der Messwerthistorie, ist der Betrag der Testvariablen z der Stichprobenfunktion größer als der errechnete Grenzwert T:

| ζ | >τ

Daher wird die Nullhypothese verworfen und der aktuelle Messwert nicht an den Kalibrierungsalgorithmus (dritter Verfahrensschritt 3) weitergeleitet. Durch dieses Verfahren ist es nun möglich, unabhängig von der verwendeten In-Use- Kalibrierungsmethode, das Vorliegen einer impulsiven Störbeschleunigung zu erkennen. Wenn die impulsive Störbeschleunigung im zweiten Verfahrensschritt 2 erkannt wird, wird insbesondere ein Interrupt erzeugt, welcher das Weiterleiten des aktuellen Messwertes an den Kalibrierungsalgorithmus (dritter Verfahrensschritt 3 verhindert.