Titel

Sensor- und/oder Aktorvorrichtung und Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen

Die Erfindung betrifft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen und ein Verfahren zum Detektieren einer

Rotationsbewegung einer seismischen Masse.

Stand der Technik

In der DE 10 2007 062 732 AI ist ein Drehratensensor mit zwei seismischen Massen beschrieben. Benachbart zu jeder der seismischen Massen sind als Kammelektroden ausgebildete Antriebselektroden angeordnet, wobei jede der seismischen Massen mittels einer zwischen den benachbarten

Antriebselektroden und der jeweiligen seismischen Masse als Gegenelektrode angelegten Spannung in eine lineare Schwingbewegung versetzbar sein soll. Außerdem sind benachbart zu jeder der seismischen Massen als

Kammelektroden ausgebildete Detektionselektroden angeordnet, mittels welchen die lineare Schwingbewegung der zugeordneten seismischen Masse vermessbar sein soll.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft eine Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse der seismischen Masse ohne die Verwendung von mindestens einer

herkömmlicherweise zusätzlich zu der mindestens einen Antriebselektrode dazu benötigten Elektrode, welche oft als die mindestens eine

Antriebsdetektionselektrode bezeichnet wird. Während standardgemäße Vorrichtungen mit mindestens einer seismischen Masse die mindestens eine

Antriebsdetektionselektrode benötigen, um die harmonische Schwingung der jeweiligen seismischen Masse entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder zu vermessen, kann bei einer Nutzung der vorliegenden Erfindung auf die Ausstattung der mit der mindestens einen seismischen Masse bestückten Vorrichtung mit der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode verzichtet werden. Durch die auf diese Weise ermöglichte Einsparung von einer

Fläche/einem Bauraum der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode trägt die vorliegende Erfindung zur Minimierung von Sensor- und/oder

Aktorvorrichtungen bei. Da mittels der vorliegenden Erfindung Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen kleiner und leichter hergestellt werden können, sind die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder Aktorvorrichtungen auch vielseitiger einsetzbar. Zusätzlich können mittels des Verzichts auf die mindestens eine Antriebsdetektions-elektrode die erfindungsgemäßen Sensor- und/oder

Aktorvorrichtungen auch kostengünstiger hergestellt werden.

Bei einem mittels der vorliegenden Erfindung möglichen Verzicht auf die Verwendung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode muss auch während eines Betriebs der erfindungsgemäßen Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung kein kapazitives Übersprechen zwischen der mindestens einen Antriebselektrode und der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode befürchtet werden. Die erfindungsgemäße Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit verlässlicher betreibbar.

Als Alternative zu einem Verzicht auf die mindestens eine herkömmlicherweise benötigte Antriebsdetektionselektrode erlaubt die vorliegende Erfindung auch eine Nutzung der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode als mindestens eine weitere Antriebselektrode oder eine Verwendung der Fläche/des Bauraums der mindestens einen Antriebsdetektionselektrode zur Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode. Mittels dieser erfindungsgemäßen

Vervielfältigung/Vergrößerung der mindestens einen Antriebselektrode kann die mindestens eine dazu benachbarte seismische Masse bereits mit einer niedrigeren Amplitude des angelegten Spannungssignals in die harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse versetzt werden. Die Aktoreinrichtung kann somit bei einer Ausnutzung der vorliegenden Erfindung leichter, kleiner und kostengünstiger ausgebildet werden.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Auswerteverfahren zum Überprüfen und/oder Vermessen der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse, bei welchem lediglich das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal (d.h. der Stromfluss an der seismischen Masse) ausgewertet wird. Dieses Auswerteverfahren ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC, welcher das Stromsignal an der seismischen Masse messen kann, ausführbar. Die vorliegende Erfindung trägt somit auch zur Reduzierung eines Bauraumbedarfs und zur Verringerung von Kosten der Elektronik einer mit mindestens einer seismischen Masse

ausgestatteten Vorrichtung bei.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt, eine erste

Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenen

Stromsignal und mindestens eine erste Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen

Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse zu überprüfen und/oder die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse zu ermitteln. Eine derartige Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung ist kostengünstig und mit einem geringen Bauraumbedarf herstellbar. Vorzugsweise ist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse festzustellen, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen

Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode anliegendes

Wechselspannungssignal mit einer zweiten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter

Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse festzustellen. Damit ist die Funktionssteigerung der Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung mit vergleichsweise kostengünstigen und leicht herstellbaren Elektroniken für die Aktoreinrichtung und die Auswerte- und/oder

Kontrolleinrichtung realisierbar.

Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine zweite Seitenband Intensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen zweiten

Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der ersten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer ersten Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste

Rotationsachse festzulegen und auszugeben. Die Auswerte- und/oder

Kontrolleinrichtung benötigt bei dieser Ausführungsform trotz der gesteigerten Funktionalität ihrer Sensor- und/oder Aktorvorrichtung lediglich eine Wandler- Stufe an der seismischen Masse. Durch die Einsparung von zusätzlichen Wandler-Stufen ist ein Stromverbrauch der Auswerte- und/oder

Kontrolleinrichtung reduzierbar und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung kostengünstiger herstellbar.

Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse festzustellen, indem die

Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode anliegendes

Wechselspannungssignal mit einer dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt ist, unter

Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse festzustellen. Auch diese Ausführungsform der Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung ist mittels eines kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden ASIC ausbildbar, wobei mittels des ASIC das Stromsignal an der seismischen Masse gemessen werden kann, die oszillierenden Spannungen (Spannungssignal und Wechselspannungen) generiert werden können und die Intensitäten der verschiedenen Frequenzen in dem Stromsignal ermittelt und miteinander ausgewertet werden können.

Insbesondere kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung dazu ausgelegt sein, eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal zu ermitteln, und anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse und/oder einer zweiten

Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite Rotationsachse festzulegen und auszugeben.

Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann beispielsweise ein Drehratensensor sein. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist somit vorteilhaft einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Verwendbarkeit/Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf einen bestimmten Sensortyp limitiert ist. Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische

Schwingungen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar ist.

Des Weiteren schafft auch ein Ausführen des korrespondierenden Verfahrens zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse die oben schon beschriebenen Vorteile. Auch das Verfahren zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse ist gemäß den oben

beschriebenen Ausführungsformen der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung weiterbildbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. la bis ld eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches

Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung; und

Fig. 2a bis 2c ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. la bis ld zeigen eine schematische Teildarstellung, ein elektrisches

Ersatzschaltbild, eine Verschaltung und ein Blockschaltbild einer

Ausführungsform der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Die in den Fig. la bis ld schematisch wiedergegebene Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat eine zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformte seismische Masse 10 und mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ist vorzugsweise zumindest teilweise als MEMS-Vorrichtung (Mikro-Elektrisch-Mechanisches-System, Micro- Electro-Mechanical System) ausgebildet. Beispielsweise können die seismische Masse 10 und/oder die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b

(zumindest teilweise) aus mindestens einem Halbleitersubstrat (wie z.B. einem Siliziumsubstrat) herausstrukturiert sein und/oder mittels eines Abscheidens mindestens einer leitfähigen Schicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet sein. Die Komponenten 10, 12a und 12b der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung sind somit mit einem vergleichsweise geringen Arbeitsaufwand herstellbar und können leicht in einer vergleichsweise geringen Größe ausgebildet werden.

Die seismische Masse 10 ist (z.B. über mindestens eine Feder 14) so mit einer Halterung, wie z.B. einem Rest des Halbleitersubstrats, verbunden, dass die seismische Masse 10 in Bezug zu der mindestens einen fest angeordneten Antriebselektrode 12a und 12b verstellbar ist. Vorzugsweise liegt die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen Antriebselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der Antriebselektroden 12a und 12b während einer harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang einer (vorgegebenen)

Schwingachse 20 harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n Antriebselektroden 12a und 12b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n Antriebselektroden 12a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n Antriebselektroden 12b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. In der Ausführungsform der Fig. la bis ld weist die Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung genau zwei Antriebselektroden 12a und 12b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Antriebselektroden 12a und 12b beschränkt ist. Außerdem ist die mindestens eine Antriebselektrode 12a und 12b Teil einer Aktoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, (jeweils) ein Spannungssignal UAa und UAb zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anzulegen. Dazu ist mindestens eine

Elektronikkomponente 16 der Aktoreinrichtung auf einem ASIC 18

(anwendungsspezifische integrierte Schaltung, Application-Specific Integrated Circuit) der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung integriert.

Die Aktoreinrichtung ist zusätzlich dazu ausgelegt, dass zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen Antriebselektrode 12a und 12b anliegende Spannungssignal UAa und UAb mit einer (vorgegebenen)

Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten

Trägerfrequenz ωΤΑ zu variieren. Dabei ist die Anregungsfrequenz ω so gewählt, dass die seismische Masse 10 die harmonische Schwingung entlang der Schwingachse 20 mit der Anregungsfrequenz ω ausführt. Die

Anregungsfrequenz ω kann insbesondere (nahezu) gleich einer

Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein. Die erste Trägerfrequenz ωΤΑ ist vorzugsweise so gewählt, dass sie deutlich größer als die Anregungsfrequenz ω und deutlich größer als die

Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist. Die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 ist somit eine Antwort auf die

Anregungsfrequenz ω, während das Variieren des Spannungssignals UAa und

UAb mit der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ (nahezu) keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 hat. Fig. lb zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild zum Erläutern des zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 als

Gegenelektrode anliegenden Spannungssignals UAa und UAb. Gleichungen (Gl. la), (Gl. la'), (Gl. lb) und (Gl. lb') geben den Teil der Spannungssignale UAa und UAb an, auf welchen die seismischen Masse 10 mit der harmonischen Schwingung entlang der Schwingachse 20 reagiert: (Gl. la) UAa ~ U _DC + U _AC * cos(o)t)

(Gl. lb) UAb U _DC + U _AC * cos(6üt) bzw. (Gl. la') UAa ~ U _DC + U _AC cos(wt)

(Gl. lb) UAb ~ U _DC — U _AC * cos(o)t) wobei UDC eine Gleichspannung und UAC eine Wechselspannungsamplitude sind. (Das Variieren der Spannungssignale UAa und UAb mit der ersten

Trägerfrequenz ωΤΑ hat keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und kann deshalb in den Gleichungen (Gl. la) und (Gl. lb) vernachlässigt werden.)

Eine zwischen jeder der Antriebselektroden 12a und 12b und der seismischen Masse 10 herrschende Teilkraft Fa und Fb ist allgemein gegeben durch

Gleichungen (Gl. 2a) und (Gl. 2b) mit:

(Gl. 2a) Fa = - * * UAa ²

(Gl. 2b) pt = ± * ?£* * UAb ² wobei x eine Position der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 angibt.

Ca und Cb ist jeweils eine Kapazität eines aus der jeweiligen Antriebselektrode 12a oder 12b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Die Kapazitäten Ca und Cb der Kondensatoren sind in erster Ordnung (bei kleinen Auslenkungen aus einer Ruhelage der seismischen Masse

10) annäherbar mit Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) mit:

(Gl. 3a) Ca (x)~ C ₀ + x * lim ^

x=0 ox

(Gl. 3b) Cb (x) ~ C ₀ - x * lim In beiden Gleichungen (Gl. 3a) und (Gl. 3b) wird somit eine Richtungsableitung in Bewegungsrichtung x entlang der Schwingachse 20 an der Ruheposition (x = 0) der seismischen Masse 10 mitberücksichtigt. CO ist eine Ruhekapazität (bei der seismischen Masse 10 in ihrer Ruhelage x = 0), wobei angenommen werden kann, dass beide Kapazitäten Ca und Cb die gleiche Ruhekapazität CO und die gleiche Richtungsableitung aufweisen. (In Fig. lb deutet eine Richtung der Pfeile eine gegenphasige Veränderung der Kapazitäten Ca und Cb an.)

Für die Antriebselektroden 12a und 12b können wahlweise Kamm- oder

Plattenelektroden verwendet werden. Sofern die Antriebselektroden 12a und 12b Plattenelektroden sind, ist die oben angegebene Taylorentwicklung notwendig. Bei einer Ausbildung der Antriebselektroden 12a und 12b als je eine

Kammelektrode, wie in Fig. la dargestellt, ist eine Richtungsableitung nach Gleichung (Gl. 4) gegeben durch:

wobei ε die Dielektrizitätskonstante, b eine Breite der jeweiligen Kammelektrode, h eine Länge der jeweiligen Kammelektrode und g eine Luftspaltbreite zwischen zwei benachbarten Kämmen der jeweiligen Kammelektrode sind.

Eine aus den Teilkräften Fa und Fb resultierende Gesamtkraft F lässt sich somit nach Gleichung (Gl. 5) schreiben mit:

(Gl. 5) F = Fa - Fb = k (UAa ² - UAb ² ) ~ 2k U _AC U _DC cos(wt) =

= F * cos(o)t)

Eine Kapazitätsänderung dC proportional zur mechanischen Bewegung der seismischen Masse 10 ist über eine Differenz der Kapazitäten Ca und Cb definierbar in Gleichung (Gl. 6) mit:

(Gl. 6) dC = Ca(x) - Cb(x) An den Antriebselektroden 12a und 12b liegen die Summen der Gleichungen (Gl. la+lb) und (Gl. la'+lb') und die in den Gleichungen (Gl. 7a) und (Gl. 7b) definierten„Trägersignale" an mit:

(Gl. 7a) UAa ~ 0 * cos(a)TA * t)

(Gl. 7b) UAb ~ 0 * cos(o)TA * t + φ)

, wobei φ gibt eine Phasenverschiebung angibt. Die Phasenverschiebung φ ist idealerweise 180°, so dass der Trägerstrom bei der Strommessung maximal unterdrückt ist. Bei reiner Sensierung liegt somit nur der Träger an.

Für ein Stromsignal/einen Stromfluss I an der seismischen Masse 10 gilt somit Gleichung (Gl. 8) mit:

„ _Λ dQ d(Ca*UAa+Cb*UAb)

(Gl. 8) /(t) = d7t = dt

Q gibt eine Ladung an der seismischen Masse 10 an. (Um eine mechanische Bewegung durch eine Strommessung an einer Gegenelektrode zu erfassen, ist es ausreichend, die Gegenelektrode mit einer Spannung zu beaufschlagen.)

Eine (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I, welche mit einer analogen und/oder digitalen Elektronik (wie insbesondere einem

Operationsverstärker) realisierbar ist, führt somit zu Gleichung (Gl. 9) mit: (Gl. 9) U (Ca - Cb) = 0 dC wobei dC nach Gleichung (Gl. 10) annäherbar ist mit:

(Gl. 10) dC ~ sin(60 * t + ϋ)

$ gibt eine Phasenverschiebung an.

Eine harmonische Schwingung stellt somit in der Detektion eine sinusförmige Bewegung dar, und führt (bei einem Einsetzen in die Gleichung (Gl. 8)) zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I. Eine Bewegungsinformation bezüglich einer Ausführung der gewünschten harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 liegt damit in sogenannten ersten Seitenbändern der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) bzw. (coTa + ω).

Die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung hat deshalb eine Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22, welche dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I (bzw. durch Auswertung des Stromsignals I) die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 zu überprüfen und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 zu ermitteln. Dabei nutzt die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 aus, dass eine Kraftwirkung der Spannungssignale UAa und UAb bei der Anregungsfrequenz ω liegt, eine Bewegungsinformation bzgl. einer Ausführung der gewünschten harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 jedoch in den ersten Seitenbändern der ersten

Trägerfrequenz ωΤΑ bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω) liegt. Dies erlaubt eine eindeutige Trennung von der zum Antreiben der seismischen Masse 10 genutzten Anregungsfrequenz ω und der resultierenden Antwort der seismischen Masse 10 bei den Frequenzen (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω).

Die (optionale) zeitliche Integration des Stromsignals I führt zu gleichen

Amplituden bei den Seitenbändern (ωΤΑ - ω) und (ωΤΑ + ω), was häufig für eine spätere Demodulation von Vorteil ist. Wertet man jedoch nur ein Seitenband (ωΤΑ - ω) oder (ωΤΑ + ω) aus, so ist die zeitliche Integration des Stromsignals I oft nicht notwendig.

Eine Überprüfung und/oder Vermessung der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 mit der Antriebsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 ist somit ohne einen Einsatz mindestens einer Antriebsdetektionselektrode möglich. Stattdessen wird lediglich das an der seismischen Masse 10

gemessene Stromsignal I ausgewertet, um die gewünschte harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 10 zu überprüfen und/oder zu vermessen. Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine erste Trägerfrequenzintensität der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste

Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω

verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Danach kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 anhand eines Vergleichs der ersten

Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 mit der

Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse 20 überprüfen und/oder die

Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse 10 ermitteln. Diese Vorgänge sind auch mit einer kostengünstigen und wenig Bauraum benötigenden

Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 möglich. Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit problemlos auf dem ASIC 18 integriert werden.

Außerdem können herkömmliche Pads zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden. Ebenso können Bond-Drähte zwischen den Bauteilen 10, 12a und 12b und dem ASIC 18 eingespart werden, was zur zusätzlichen Reduktion von Kosten und zur zusätzlichen Vermeidung von parasitären Kapazitäten beiträgt.

In der Ausführungsform der Fig. la bis ld ist die Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, eine (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 ausgerichteten (ersten) sensitiven Achse festzustellen. (Die (erste) sensitive

Achse ragt beispielsweise aus der Zeichenebene der Fig. la senkrecht heraus.) Dazu umfasst die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b. Vorzugsweise liegt die mindestens eine (erste) Detektionselektrode 24a und 24b so zu der seismischen Masse 10, dass ein Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und der einzigen (ersten)

Detektionselektrode oder ein jeweiliger Abstand zwischen der seismischen Masse 10 und jeder einzelnen der (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b während der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse harmonisch variiert. Die Sensor- und/oder

Aktorvorrichtung kann insbesondere 2n (erste) Detektionselektroden 24a und 24b haben, wobei n eine natürlich Zahl ist und n (erste) Detektionselektroden 24a auf einer ersten Seite der seismischen Masse liegen und n (erste)

Detektionselektroden 24b auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite der seismischen Masse 10 angeordnet sind. Typischerweise schwingt die seismische Masse 10 gegenphasig in Bezug zu den 2n (ersten)

Detektionselektroden 24a und 24b. In der Ausführungsform der Fig. la bis ld weist die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung genau zwei (erste)

Detektionselektroden 24a und 24b auf. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung nicht auf eine bestimmte Anzahl von (ersten) Detektionselektroden 24a und 24b beschränkt ist.

Auch zum Erkennen/Vermessen der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann das Trägerfrequenz-Verfahren genutzt werden. Dazu ist die Aktoreinrichtung derart ausgelegt, dass mittels der Aktoreinrichtung ein zwischen der seismischen Masse 10 und der mindestens einen (ersten)

Detektionselektrode 24a und 24b anliegendes Wechselspannungssignal UCa und UCb mit einer (vorgegebenen) zweiten Trägerfrequenz coTC variierbar ist. Fig. lc zeigt eine geeignete Verschaltung.

Auch die zweite Trägerfrequenz coTC kann viel höher als die Anregungsfrequenz ω und viel höher als die Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 sein, und hat somit keinen Einfluss auf die harmonische Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20.

Eine Kapazitätsänderung dCc von Kapazitäten Cca und Ccb zweier jeweils aus einer der (ersten) Detektionselektroden 24a oder 24b und der seismischen Masse 10 als Gegenelektrode gebildeten Kondensatoren kann somit (analog zu Gleichung (Gl. 10)) mit Gleichung (Gl. 11) angenähert werden mit:

(Gl. 11) dCc ~ sin(6ü * t + χ) χ gibt eine Phasenverschiebung an. Damit führt auch die zweite Trägerfrequenz coTC zu einem amplitudenmodulierten Stromsignal I und zu einer weiteren

Bewegungsinformation in den sogenannten zweiten Seitenbändern der zweiten Trägerfrequenz coTC bei den Frequenzen (coTC - ω) und (coTC + ω).

Die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 kann somit auch dazu verwendet werden, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen Stromsignals I die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse festzustellen. Es ist zur Verwendung des

Stromsignals I sowohl für die Überprüfung/Vermessung der harmonischen

Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 und der Überprüfung/Vermessung der (ersten) Auslenkbewegung entlang der (ersten) sensitiven Achse ausreichend, lediglich die erste Trägerfrequenz ωΤΑ und die zweite Trägerfrequenz coTC unterschiedlich zu wählen. Insbesondere können die Trägerfrequenzen ωΤΑ und coTC so gewählt werden, dass sich die

resultierenden Seitenbänder nicht überlappen. Das Stromsignal I kann danach für beide Auswerteverfahren genutzt werden. Optional kann das Stromsignal I wieder (digital und/oder analog) demoduliert werden und weiter verarbeitet werden.

Beispielsweise kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, eine zweite Trägerfrequenzintensität der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine zweite

Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω

verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I zu ermitteln. Anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen zweiten Seitenbandintensität kann danach eine Information bezüglich der (ersten) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden.

Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang einer senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der ersten sensitiven Achse ausgerichteten zweiten sensitiven Achse 26

festzustellen. Dies ist leicht realisierbar, indem die Aktoreinrichtung dazu ausgelegt ist, ein zwischen der seismischen Masse 10 und mindestens einer (nicht dargestellten) zweiten Detektionselektrode anliegendes

Wechselspannungssignal mit einer (vorgegebenen) dritten Trägerfrequenz zu variieren, und die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse 10 gemessenen

Stromsignals I die zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der zweiten sensitiven Achse 26 festzustellen. Bezüglich einer Ausbildung der mindestens einen zweiten Detektionselektrode wird auf die oben beschriebenen Ausbildungsmöglichkeiten der mindestens einen ersten Detektionselektrode 24a und 24b verwiesen. Insbesondere können eine dritte Trägerfrequenzintensität der dritten Trägerfrequenz in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz in dem

gemessenen Stromsignal I ermittelt werden. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten

Seitenbandintensität eine Information bezüglich der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 festgelegt und ausgegeben werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Aktor- und/oder Sensorvorrichtung auch als ein zumindest einkanaliger (kapazitiver)

Drehratensensor eingesetzt werden. Bei einem derartigen Drehratensensor bewirkt eine (erste) Rotationsbewegung des Drehratensensors um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 während der harmonischen Schwingbewegung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20

(aufgrund einer Corioliskraft) die (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 entlang der (ersten) sensitiven Achse. Diese (erste) Auslenkbewegung der seismischen Masse 10 kann auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Anschließend kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 eine Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung um die senkrecht zu der

Schwingachse 20 und senkrecht zu der (ersten) sensitiven Achse ausgerichtete (erste) Rotationsachse 28 festlegen und ausgeben. Als die Information bezüglich der (ersten) Rotationsbewegung können beispielsweise eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der (ersten)

Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden. Das hier beschriebene Auswertekonzept eignet sich somit vorteilhaft für einen zumindest einkanaligen Drehratensensor.

Das hier beschriebene Auswertekonzept kann entsprechend auch für einen mehrkanaligen Drehratensensor erweitert werden: Dazu kann die Auswerte- und/oder Kontrolleinrichtung 22 dazu ausgelegt sein, anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität mit der mindestens einen dritten

Seitenbandintensität eine Information bezüglich einer zweiten

Rotationsbewegung der Sensor- und/oder Aktorvorrichtung um eine senkrecht zu der Schwingachse 20 und senkrecht zu der zweiten sensitiven Achse 26 ausgerichtete zweite Rotationsachse (gleich der ersten sensitiven Achse) festzulegen und auszugeben. Als die Information bezüglich der zweiten

Rotationsbewegung können ebenfalls eine Drehrate, eine Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehgeschwindigkeit der zweiten Rotationsbewegung festgelegt und ausgegeben werden.

Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass bei einer Nutzung des hier beschriebenen Auswertekonzepts keine zusätzlichen

Antriebsdetektionselektroden benötigt werden. Außerdem entfällt die

Notwendigkeit, pro eingesetzter Detektionselektrode 24a und 24b entsprechend viele Wandler-Stufen in die Sensor- und/oder Aktorvorrichtung zu integrieren. Stattdessen ist es ausreichend, die oszillierenden Spannungen mit zumindest den zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen ωΤΑ und coTC zu oszillierenden, wobei die erste Trägerfrequenz ωΤΑ für die Detektion der harmonischen

Schwingung der seismischen Masse 10 entlang der Schwingachse 20 verwendet wird und die mindestens eine weitere Trägerfrequenz coTC zum Nachweis der mindestens einen Auslenkbewegung eingesetzt wird.

In dem Blockschaltbild der Fig. ld ist die Auswertung des gemessenen

Stromsignals I mit optionaler Demodulation schematisch wiedergegeben. Die

Operationen können mit analoger und/oder digitaler (bzw. gemischter) Elektronik durchgeführt werden. Zur zeitlichen Integration des Stromsignals kann z.B. ein Operationsverstärker/Integrator 30 verwendet werden. Zur Umwandlung des Stromsignals I in ein Spannungssignal kann mindestens ein sogenannter Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 (C-V-Wandler) eingesetzt werden. Ein Kapazitäts-Spannungs-Wandler 32 ist vergleichsweise kostengünstig und benötigt relativ wenig Bauraum.

Fig. 2a bis 2c zeigen ein Flussdiagramm und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Versetzen einer seismischen Masse in harmonische Schwingungen.

Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels der oben erläuterten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung ausführbar sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf einen bestimmten Typ einer mit mindestens einer seismischen Masse ausgestatteten Vorrichtung beschränkt ist.

In einem Verfahrensschritt Sl wird ein mit einer (vorgegebenen)

Anregungsfrequenz ω und gleichzeitig mit einer (vorgegebenen) ersten

Trägerfrequenz ωΤΑ variierendes Spannungssignal zwischen einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material geformten seismischen Masse und mindestens einer Antriebselektrode angelegt. Auf diese Weise wird die seismische Masse in eine harmonische Schwingung mit der Anregungsfrequenz ω entlang einer (vorgegebenen) Schwingachse versetzt. Vorzugsweise wird das zwischen der seismischen Masse und der mindestens einen Antriebselektrode angelegte Spannungssignal mit einer Anregungsfrequenz ω gleich einer Resonanzfrequenz der harmonischen Schwingung der seismischen Masse entlang der Schwingachse (und gleichzeitig mit der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ) variiert. Die seismische Masse kann somit gezielt derart angeregt werden, dass die seismische Masse entlang der Schwingachse mit ihrer Resonanzfrequenz harmonisch schwingt.

In einem Verfahrensschritt S2 wird ein Stromsignal I (als Auswertesignal) an der seismischen Masse gemessen. Als Stromsignal I wird ein Stromfluss innerhalb eines aus der mindestens einen Antriebselektrode und der seismischen Masse als Gegenelektrode gebildeten Kondensators gemessen. Der Verfahrensschritt S2 wird während des Verfahrensschritts Sl ausgeführt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S3 unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I die harmonische

Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft und/oder eine Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch schwingenden seismischen Masse ermittelt.

In den Koordinatensystemen der Fig. 2b und 2c geben die Abszissen

Frequenzen f (in Megahertz) wieder, mit welchen das an der seismischen Masse gemessene Stromsignal variiert. Mittels der Ordinaten der Koordinatensysteme der Fig. 2b und 2c sind Intensitäten Θ der Frequenzen angezeigt.

Wie in Fig. 2b und 2c erkennbar ist, sind benachbart zu der ersten

Trägerfrequenz ωΤΑ erste Seitenbänder bei ωΤΑ - ω und ωΤΑ + ω ausgebildet. Diese ersten Seitenbänder erscheinen unter den Frequenzen ωΤΑ - ω und ωΤΑ + ω als Antwort der harmonisch schwingenden seismischen Masse auf die erste Trägerfrequenz ωΤΑ nur, sofern die seismische Masse tatsächlich die mittels des Verfahrensschritts Sl angeregte harmonische Schwingung mit der

Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse ausführt. Mittels einer

Auswertung der ersten Seitenbänder der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ kann somit die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der

Anregungsfrequenz ω entlang der Schwingachse überprüft werden.

Beispielsweise werden dazu in dem Verfahrensschritt S3 eine erste

Trägerfrequenzintensität 9tl der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens eine erste Seitenbandintensität 9sl mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen ersten Seitenbands der ersten Trägerfrequenz ωΤΑ in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt. Anschließend kann anhand eines Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität 9tl mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität 9sl die harmonische Schwingung der seismischen Masse mit der Anregungsfrequenz entlang der Schwingachse überprüft vermessen werden. Entsprechend kann auch in dem Verfahrensschritt S3 anhand des Vergleichs der ersten Trägerfrequenzintensität 9tl mit der mindestens einen ersten Seitenbandintensität 9sl die Amplitude, mittlere Geschwindigkeit und/oder maximale Geschwindigkeit der harmonisch

schwingenden seismischen Masse ermittelt werden.

Als optionale Weiterbildung weist das hier beschriebene Verfahren auch weitere (optionale) Verfahrensschritte S4 und S5 auf, in welchen eine erste

Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten ersten Achse detektiert wird. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S4 ein mit einer zweiten Trägerfrequenz coTC variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer ersten Detektionselektrode angelegt. (Der Verfahrensschritt S4 wird während des Verfahrensschritts Sl ausgeführt.)

Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S5 die erste Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der ersten Achse unter Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I festgestellt. Auch dies kann durch Ermitteln einer zweiten Trägerfrequenzintensität 9t2 der zweiten

Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I und mindestens einer zweiten Seitenbandintensität 9s2 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen zweiten Seitenbands der zweiten Trägerfrequenz coTC in dem gemessenen Stromsignal I erfolgen.

Als zusätzliche optionale Weiterbildung kann noch eine zweite Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang einer senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichteten zweiten Achse durch Ausführen der weiteren (optionalen) Verfahrensschritte S6 und S7 detektiert werden. Dazu wird in dem Verfahrensschritt S6 ein mit einer dritten Trägerfrequenz coTD variierendes Wechselspannungssignal zwischen der seismischen Masse und mindestens einer zweiten Detektionselektrode angelegt. Das

Feststellen/Vermessen der zweiten Auslenkbewegung der seismischen Masse entlang der zweiten Achse erfolgt dann in dem Verfahrensschritt S7 unter

Berücksichtigung des an der seismischen Masse gemessenen Stromsignals I. Beispielsweise werden in dem Verfahrensschritt S7 eine dritte

Trägerfrequenzintensität 9t3 der dritten Trägerfrequenz coTD in dem

gemessenen Stromsignal I und mindestens eine dritte Seitenbandintensität 9s3 mindestens eines um die Anregungsfrequenz ω verschobenen dritten Seitenbands der dritten Trägerfrequenz coTD in dem gemessenen Stromsignal I ermittelt.

Die Verfahrensschritte S4 bis S7 können z.B. zum Erkennen/Unterdrücken von unerwünschten Auslenkbewegungen der seismischen Masse ausgeführt werden. Sie eigenen sich jedoch auch zum Detektieren einer Rotationsbewegung einer seismischen Masse. Beispielsweise kann in dem Verfahrensschritt S5 eine Information bezüglich einer ersten Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der Schwingachse und senkrecht zu der ersten Achse ausgerichtete erste Rotationsachse anhand eines Vergleichs der zweiten Trägerfrequenzintensität 9t2 mit der mindestens einen zweiten

Seitenbandintensität 9s2 festgelegt und ausgegeben werden. Entsprechend kann in dem Verfahrensschritt S7 eine Information bezüglich einer zweiten

Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zu der

Schwingachse und senkrecht zu der zweiten Achse ausgerichtete zweite

Rotationsachse anhand eines Vergleichs der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 mit der mindestens einen dritten Seitenbandintensität 9s3 bestimmt werden. Als die jeweiligen Informationen können beispielsweise mindestens eine Drehrate, mindestens eine Winkelgeschwindigkeit und/oder mindestens eine

Drehgeschwindigkeit festgelegt und ausgegeben werden.

Somit schafft auch das hier beschriebene Verfahren alle Vorteile der zuvor ausgeführten Sensor- und/oder Aktorvorrichtung. Wie durch einen Vergleich der Koordinatensysteme der Fig. 2b und 2c z.B. deutlich wird, ist die bei dem

Experiment der Fig. 2c gelungene Unterdrückung einer Schwingung der seismischen Masse entlang einer der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 zugeordneten sensitiven Achse aufgrund der fehlenden Seitenbänder zu der dritten Trägerfrequenzintensität 9t3 verlässlich erkennbar.