Allgemein werden Sensoren in Systemen zur Erfassung von Meßgrößen eingesetzt. Auf dem Gebiet der Inertialsensorik werden beispielsweise Drehraten-und Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Bewegungsgrößen verwendet. Da es sich zumeist um sicherheitsrelevante Anwendungen handelt, müssen die Sensoren äußerst zuverlissig sein und Meßgrößen sicher erfassen.

In der DE 195 28 961 ist ein Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip beschrieben, der aus Silizium gefertigt ist. m Betrieb werden die Stimmgabeln zu Schwingungen angeregt und ein Sensorelement registriert eine Torsion der Stimmgabelaufhängung, die bei einer Drehung des Sensors um eine zur Stimmgabelaufhängung parallele Achse auftritt.

Um z. B. Störungen des Sensors oder eine Drift zu erkennen ist es notwendig, daß der Sensor während des Betriebs Tests unterzogen wird.

Dadurch wird die Sicherheit und Genauigkeit der erfaßten Meßgröße erhöht.

In der EP 0708 925 ist eine Vorrichtung zur Fehlererkennung in einem Aufprallsensorsystem beschrieben, bei der durch Betätigen eines Sensorelements eine Testreaktion erzeugt wird und das Ergebnis mit dem Ergebnis einer zu erwartenden Reaktion verglichen wird. In der US 5,060, 504 ist ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Beschleunigungssensors gezeigt, bei dem eine Sensormasse relativ zu einem Rahmen verschoben wird, wobei die Verschiebung einer bekannten Beschleunigung entspricht.

Dabei wird der Ausgangswert als Referenzwert für eine nachfolgende Kalibrierung benutzt. Auch bei dem selbsttestfähigen Beschleunigungssensor, der in der US 5,103,667 beschrieben ist, wird zum Testen oder Kalibrieren des Sensors eine Masse definiert bewegt und die Bewegung gemessen.

Die bekannten Systeme haben jedoch den Nachteil, daß der eigentliche Meßvorgang während des Sensortests unterbrochen werden muß. Es wird zeitlich alternierend gemessen und getestet, weshalb das Meßsignal nicht zeitkontinuierlich vorliegt. Weiterhin wird nur eine bestimmte, vordefinierte Meßgröße zum Vergleich erzeugt, d. h. es erfolgt kein Test über den gesamten Meßbereich des Sensors.

Beschleunigungssensoren werden z. B. in Kraftfahrzeugen für die Fahrwerksregelung sowie für Navigations-, Fahrdynamik-und passive Sicherheitssysteme (Airbaganwendung) eingesetzt. Die ständig steigende Anzahl von Sensoren macht prinzipiell eine höchst mögliche Zuverlässigkeit wünschenswert. In Zukunft werden immer mehr Systeme aktiv in das Fahrgeschehen eingreifen und starre mechanische Koppelungen werden durch elektronische Signale ersetzt (drive-by-wire).

Hier ist eine Selbsttestfähigkeit oder eine geeignete Signalkontrolle unbedingt erforderlich. Weiterhin finden Beschleunigungssensoren auch in Navigationssystemen der zivilen und militärischen Luftfahrt Anwendung.

Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden oftmals kapazitive Beschleunigungssensoren verwendet, wie sie z. B. von C. Lemaire und B.

Sulouff in dem Artikel Surface Micromachined Sensors for Vehicle Navigation Systems in Advanced Microsystems for Automotive Applications (D. E. Ricken and W. Gessner, edts., Springer, Berlin 1998, S.

103-112) beschrieben sind. Diese Systeme können die Elektroden der kapazitiven Auslesung auch zur Auslenkung der Masse benutzen. Dies ist in diskreten Zeitabständen möglich, jedoch nicht zeitkontinuierlich.

In dem US Patent 5,834,646 wird ein resonanter Beschleunigungssensor vorgestellt, der im wesentlichen aus einer mehrfach eingespannten Platte besteht. Diese Platte dient sowohl als Resonator, dessen Resonanz- frequenz durch eine äußere Beschleunigung verstimmt wird, als auch als seismische Masse. Durch diese Anordnung kann die Integrität des Masse- Feder-Systems überprüft werden, jedoch nicht die Einwirkung einer Beschleunigung simuliert werden.

Ein weiterer resonanter Beschieunigungssensor ist in der Druckschrift DE 198 12 773 A1 beschrieben. Er hat eine Resonatorstruktur, die durch erste elektrische Signale in Schwingungen angeregt wird und in Abhängigkeit von der Meßgröße zweite elektrische Signale abgibt.

Ein permanenter Selbsttest ist auch für die o. g. kapazitiven Sensoren bisher nicht möglich. Denkbar wären allenfalls Zusatzstrukturen, wie z. B. zusätzliche Kondensatorkämme zur Anregung, die jedoch einen erhöhten Platzbedarf erfordern und auch einen erhöhten Preis zur Folge haben. Die bekannten kapazitiven Sensoren können deshalb höchstens in diskreten Zeitabständen einen statischen Selbsttest durchführen Erforderlich wäre also ein Sensor, insbesondere ein Drehraten-oder Beschleunigungssensor, mit genauer resonanter Signalauswertung, wobei ein permanter bzw. on-going Selbsttest durchgeführt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zu schaffen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Selbsttest eines Sensors anzugeben, bei dem während des Tests keine Unterbrechung der Messung bzw. Beeinträchtigung des MeBsignals erfolgt und der Selbsttest zeitkontinuierlich während des Meßbetriebs durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Sensor gemäß Patentanspruch 1, die Vorrichtung zum Selbsttest eines Sensors gemäß Patentanspruch 10, das Verfahren zum Selbsttest eines Sensors gemäß Patentanspruch 15, und den Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch 22.

Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Sensor umfaßt eine schwingfähige Struktur zur Erfassung einer Meßgröße, eine Aktoreinheit zur Anregung der Struktur zu einer ersten periodischen Schwingung, ein Element zur Erzeugung eines von der Meßgröße abhängigen Ausgangssignals und Mittel zur Erfassung bzw. Abtrennung eines Testsignalanteils vom Ausgangssignal, der durch eine der ersten Schwingung überlagerte zweite periodisch Schwingung der Struktur erzeugt wird. Der Sensor ist selbsttestfähig und in der Lage, ein zeitkontinuierliches MeBsignal und gleichzeitig ein Testsignal, das Auskunft über die Funktionsfähigkeit des Sensors gibt, zu liefern. Es erfolgt keine Unterbrechung der Messung bzw. Beeinträchtigung des MeBsigna Is.

Dabei umfaßt der Sensor bevorzugt auch Mittel bzw. Aktorelemente zur Erzeugung der zweiten periodischen Schwingung der Struktur, wobei die erste und die zweite periodische Schwingung z. B. durch dieselben Aktorelemente erzeugbar ist. Die zweite Schwingung kann aber auch durch mechanisches Übersprechen erzeugt werden. Im Betrieb werden die Schwingungen der Struktur erfaßt, um das Ausgangssignal zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Selbsttest eines Sensors geschaffen, wobei der Sensor eine Meßgröße über eine schwingfähige Struktur erfaßt und in Abhängigkeit von der Meßgröße ein periodisches Ausgangssignal erzeugt, und wobei die Vorrichtung zum Selbsttest Mittel zur Abtrennung eines Testsignalanteils, der einem Nutzsignalanteil überlagert ist, aus dem periodischen Ausganssignal des Sensors aufweist, sowie bevorzugt auch Vergleichs- mittel zum Vergleichen des Testsignalanteils mit einem vordefinierten Wert oder mit einem dem Sensor zugeführten Testsignal. Mit der Vorrichtung kann ein Sensor-Selbsttest durchgeführt werden, der zeitkontinuierlich ist und im vollen Meß-und Dynamikbereich des Sensors erfolgen kann, ohne die eigentliche Meßaufgabe zu beeinflussen.

Vorteilhafterweise umfaßt der Sensor bzw. die Vorrichtung eine Einrichtung zum Aufmodulieren eines Testsignals auf ein Signal zur Anregung der schwingfahigen Struktur. Dadurch kann der Selbsttest über den gesamten Meßbereich des Sensors abgestimmt werden.

Der Sensor kann eine mechanische Unwucht bzw. ein Übersprechen aufweisen, das den Testsignalanteil verursacht, der zum Test des Sensors genutzt wird. Dadurch können Bauelemente eingespart werden und es ergibt sich eine kostengünstige Herstellung. Vorteilhafterweise hat der Sensor ein Aktorelement zur Erzeugung der zweiten Schwingung, die den Testsignalanteil verursacht, und die Vorrichtung hat bevorzugt Mittel zur Anregung der Struktur in einer zweiten Schwingungsmode, die sich einer ersten Schwingungsmode, die der Erfassung der Meßgröße dient, überlagert. Dadurch können definierte Testsignale aufmoduliert werden und das Sensorausgangssignal kann nach Meßgröße und Antwort des Systems auf das Testsignal ausgewertet werden.

Bevorzugt wird das Ausgangssignal durch eine Einrichtung zur Frequenz- und/oder Phasenanalyse analysiert. Durch Mittel zum periodischen Verändern der Amplitude und/oder Frequenz des Testsignals kann ein Test über den gesamten Meß-und/oder Dynamikbereich des Sensors erfolgen.

Insbesondere kann der Sensor ein Drehraten-, Beschleunigungs-oder Drucksensor sein.

Der erfindungsgemäße Sensor hat z. B. als schwingfähige Struktur einen Resonator und eine daran gekoppelte schwingfähige Masse, die bei einer Auslenkung die Resonanzfrequenz des Resonators ändert. Zur Erzeugung des Testsignalanteils während der Messung ist die Masse in Schwingungen versetzbar.

Besonders bevorzugt dient der Testsignalanteil zur Kalibrierung des Sensors.

Vorteilhafterweise versetzt im Betrieb die Aktoreinheit z. B. einen Resonator und eine daran gekoppelte Masse in Schwingungen unterschiedlicher Mode, wobei die schwingende Masse die Resonanz- frequenz des Resonators periodisch ändert, um den Testsignalanteil zu erzeugen.

Der Sensor umfaßt z. B. Mittel zur Demodulation des Meßsignals, wobei das Signal amplituden-oder frequenzmoduliert sein kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Selbsttest eines Sensors mit einer schwingfähigen Struktur umfaßt die Schritte : Überlagern einer ersten Schwingung der Struktur, die zur Erfassung einer Meßgröße dient, mit einer zweiten periodischen Schwingung ; Erfassen eines Ausgangssignals, das Informationen über die Meßgröße enthält, die an die schwingende Struktur koppelt ; und Überwachen eines im Ausgangssignal enthaltenen Testsignalanteils, der durch die zweite periodische Schwingung der Struktur erzeugt wird.

Bevorzugt wird dabei ein Anregungssignal zur Erzeugung der ersten Schwingung der Struktur durch ein Testsignal amplitudenmoduliert, das während des Meßbetriebs des Sensors in seiner Frequenz und/oder Amplitude variiert werden I<ann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die vollständige Funktion des Sensors inklusive Elektronik über den gesamten Dynamikbereich verifiziert werden. Durch das Verfahren wird eine hohe Eigensicherheit des Sensors erreicht, was insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen von Bedeutung ist.

Auch eine Frequenzmodulation der Anregungssignale durch ein Testsignal ist möglich, um den Selbsttest während des Meßbetriebes durchzuführen.

Insbesondere kann der Testsignalanteil im Ausgangssingal zur Kalibrierung des Sensors verwendet werden. Bevorzugt wird die Struktur zu Schwingungen mit mindestens zwei Frequenzen bzw. Moden angeregt, wobei die erste Frequenz bzw. Mode die zu messende Größe repräsentiert, während die zweite Frequenz bzw. Mode ein Testsignal repräsentiert.

Der erfingungsgemäße Beschleunigungssensor umfaßt einen Resonator, der an eine Masse gekoppelt ist, so daß sich seine Resonanzfrequenz bei einer Auslenkung der Masse ändert, eine Aktoreinheit zur Anregung des Resonators, und einen Detektor zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das von der Resonanzfrequenz abhängig ist, sowie eine Steuereinheit zur Erzeugung eines Anregungssignals, das mindestens zwei Frequenzen enthält, um den Resonator und die Masse gleichzeitig anzuregen, und eine Auswertestufe, die die Schwingungsmode der Masse als Testsignalanteil aus dem Ausgangssignal separiert.

Durch den erfindungsgemäßen Sensor können beim Selbsttest alle relevanten Komponenten der Auswerteelektronik mitgetestet werden.

Auch kann eine Rekalibrierung in vorbestimmten Zeitintervallen erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen Figur 1 eine Ansicht eines mikromechanischen Drehratensensors als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt ; Figur 2 eine Schaltung zum Selbsttest durch Simulation einer Umwucht zeigt ; Figur 3 eine Schaltung zum Selbsttest durch Simulation einer Drehrate zeigt ; Figur 4 einen Beschleunigungssensor als weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt ; Figur 5 einen selbsttestfähigen resonanten Beschleunigungssensor als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in prinzipieller Darstellung zeigt ; Figur 6 eine Steuer-bzw. Auswerteschaltung zum Selbsttest des Beschleunigungssensors von Figur 5 zeigt ; und Figur 7 eine Fourieranalyse des Ausgangssignals des Beschleunigungssensors von Figur 5 zeigt.

Der in Figur 1 gezeigte Sensor 1 ist ein Drehratensensor nach dem Stimmgabelprinzip, der aus Silizium gefertigt ist. Zwei parallel zueinander ausgerichtete Zinken 2a, 2b bilden eine schwingfähige Struktur bzw.

Resonanzstruktur, die zur Erfassung einer Drehrate dient. Auf dem oberen Zinken 2a ist eine Doppelelektrode 3a, 3b angeordnet, die unter anderem zur Anregung der Zinken 2a, 2b zu einer periodischen Schwingung in Z- Richtung dient. Eine Stimmgabelaufhängung 4 ist als Torsionsbalken ausgebildet, an dem ein piezoresistives Element 5 befestigt ist. Das piezoresistive Element 5 dient zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das bei einer Torsion der Stimmgabeiaufhängung 4 erzeugt wird. Die Torsion wird aufgrund der Corioliskraft periodisch verursacht, wenn sich der Drehratensensor um die durch die Stimmgabelaufhängung verlaufende X- Achse dreht, während die Zinl<en 2a, 2b in Z-Richtung schwingen. Das piezoresistive Element 5 dient, zusammen mit einer nachgeschalteten Elektronikeinheit, auch zur Erfassung und Abtrennung eines Testsignalanteils vom Ausgangssignal, der durch eine weitere periodische Schwingung der Zinken erzeugt wird.

Die der ersten Schwingung überlagerte weitere periodische Schwingung kann z. b. dadurch zustande kommen, daß der Sensor 1 eine Unwucht hat, die z. B. durch eine Asymmetrie der schwingénden Massen verursacht ist.

In diesem Fall weist der Sensor 1 ein mechanisches Übersprechen auf, dessen Signalanteil im Ausgangssignal dem eigentlichen Nutzsignal bzw.

Drehratensignal überlagert ist und als Testsignalanteil genutzt wird.

Andererseits können die Zinken 2a, 2b auch durch die Doppelelektrode 3a, 3b zu einer weiteren Schwingung bzw. einer Torsionsschwingung angeregt werden, die sich der Anregungsschwingung in Z-Richtung überlagert und den Testsignalanteil im Ausgangssignal ergibt. In der Nähe des Torsionsbalkens 4 befindet sich auf dem oberen Zinken 2a ein weiteres piezoresistives Element 6, mit dem die Zinkenschwingung in Z-Richtung registriert bzw. die Amplitude dieser Schwingung überwacht wird.

Im Meßbetrieb schwingen die Zinken 2a, 2b gegenphasig in Z-Richtung. Bei einer Drehung des Systems um die X-Achse wird durch das piezoresistive Element 5 am Torsicnsball<en eine Torsionsschwingung registriert, die um 90° phasenverschoben zur Zinl<enamplitude ist. Aufgrund von Fertigungstoleranzen oder beabsichtigten Asymmetrien wird durch das piezoresistive Element 5 ein weiteres MeBsignal generiert, das von der Drehrate unabhängig ist und bei Sensoren mit genügendem Frequenzabstand zwischen der Eigenfrequenz der Torsion und der Eigenfrequenz der Anregung eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber dem eigentlichen MeRsignal'oZsN. Drehrater, signal aufweist. Dieser Signalanteil, der durch das mechanische Übersprechen generiert wird, wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Testsignalanteil verwendet und zum Selbsttest des Sensors ausgewertet.

Aufgrund der Phasenverschiebung des Testsignalanteils, d. h. des Anteils am Ausgangssignal, der durch das mechanische Übersprechen erzeugt wird, kann der Testsignalanteil aus dem Ausgangssignal abgetrennt und ausgewertet bzw. überwacht werden. Bei einer Abweichung des Testsignalanteils von einem bestimmten Wert, der für den Sensor charakteristisch ist, erfolgt eine Fehlermeldung.

Ein derartiges mechanisches Übersprechen des Sensors 1 kann aber auch simuliert werden, ohne daß Asymmetrien im Sensor vorhanden sind. Dazu werden die beiden Elektroden 3a, 3b durch ein weiteres Signal gegenphasig angesteuert, so daß die Zinken 2a, 2b eine Torsionsschwingung um die X-Achse ausführen, die der Zinkenschwingung in Z-Richtung überlagert ist. Die Doppelelektrode 3a, 3b wird also mit einem zusätzlichen periodischen Signal angesteuert, das dem Anregungssignal zur Erzeugung der Zinkenschwingung in Z-Richtung überlagert ist, wobei beide Signale in Phase sind. Somit erfolgt die Anregung durch das zusätzliche Signal auf eine Weise, daß sein Anteil im Ausgangssignal des piezoresistiven Elements 5 um 90° zur Phase des bei einer Drehrate erzeugten Nutzsignals verschoben ist. Es wird also ein Testsignal auf das Signal zur Anregung der Zinkenschwingung in Z- Richtung aufmoduliert, das Ergebnis zum Anregungssignal addiert, und das Sensorausgangssignal wird hinsichtlich der Antwort des Systems auf das Testsignal und gleichzeitig hinsichtlich der Meßgröße ausgewertet.

WO 00/20826 Auch beim simulierten Übersprechen wird aiso ausgenutzt, daß der im Ausgangssignal enthaltene Testsignalanteil gegenüber dem im Ausgangssignal enthaltenen Nutzsignalanteil um 90° phasenverschoben ist. Dieses Selbsttestverfahren hat den Vorteil, daß es aufgrund der Phasenselektivität zur Drehrate im Frequenzbereich des Testsignals zu keinen Überlagerungen mit dem MeBsignal kommen kann. Durch Veränderung der Amplitude des Testsignals kann der Selbsttest im gesamten Meßbereich des Sensors durchgeführt werden, während der Sensor ein MeBsignal bzw. Drehratensignal liefert.

Mit dem in Figur 1 gezeigten Stimmgabel-Drehratensensor kann ein weiteres Selbsttestverfahren durchgeführt werden, bei dem durch das Testsignal eine Drehrate simuliert wird, d. h., die Anregungsschwingung wird mit einem Signal moduliert, das einer Drehrate entspricht. Die Modulation mit dem drehratenäquivatenten Signal kann erreicht werden, indem das Ausgangssignal der Amplitudenüberwachung der in Z-Richtung schwingenden Zinken 2a, 2b, das mit dem piezoresistiven Element 6 gemessen wird, mit dem periodischen Testsignal amplitudenmoduliert wird. Das amplitudenmodulierte Signal wird dann mit dem periodischen Ansteuersignal zur Erzeugung der Schwingung der Zinken 2a, 2b in Z- Richtung addiert. Beide Signale sind dabei um 90° zueinander phasenverschoben. Dies hat im Sensor 1 ein auf den Torsionsbalken 4 wirkendes Drehmoment zur Folge, welches einer Drehrate entspricht, die sich mit der Testfrequenz des Testsignals ändert. In diesem Fall ist der im Augangssignal des piezoresistiven Elements 5 enthaltene Testsignalanteil durch Bandpaßfilterüng zu rekonstruieren. Wie bei der Simutation des mechanischen Übersprechens wird auch bei der Simulation einer Drehrate der im Ausgangssignal enthaltene Testsignalanteil mit dem Testsignal verglichen, das dem Sensor über die Doppelelektrode 3a, 3b zugeführt wird. Das Sensorausgangssignal wird hinsichtlich der Mel3größe, in diesem Fall die zu erfassende Drehrate, und gleichzeitig hinsichtlich der Antwort des Systems auf das Testsignal ausgewertet.

Durch Variation der Amplitude des aufmodulierten Testsignals und Vergleich mit dem rekonstruierten Testsignalanteil im Ausgangssignal ist ein vollständiger Selbsttest des Sensors möglich, der sich über seinen gesamten Meßbereich erstreckt. So ist beispielsweise bei einer kleinen Amplitude der mittels der Doppelelektrode 3a, 3b erzeugten Torsionsschwingung ein Test des Sensors im Meßbereich kleiner Drehraten mögtich, während bei einer großen Amplitude der künstlich erzeugten Torsionsschwingung ein Selbsttest des Sensors im Meßbereich relativ hoher Drehraten erfolgt. Durch Modulation der Amplitude desjenigen Signals, das über die Doppele ! ei<trode 3a, 3b die Drehschwingung der Zinken 2a, 2b erzeugt, die sich der Anregungsschwingung der Zinken 2a, 2b in Z-Richtung überlagert, wird der Meßbereich des Sensors beim Selbsttest ständig durchschritten.

Durch Variation der Testfrequenz des aufmodulierten Testsignals wird zusätztich auch der gesamte Dynamikbereich des Sensors beim Selbsttest durchschritten. Bei der Modulation mit einem drehratenäquivatenten Signal ist jedoch darauf zu achten, daß die Frequenz des aufmodulierten Testsignals, d. h. die Testfrequenz, außerhalb des Frequenzspektrums der zu messenden Drehrate liegt. Ist das Frequenzspektrum der Drehrate nicht bekannt oder ist es nicht möglich, ein Testsignal zu wählen, das sich in der Frequenz von der zu messenden Drehrate unterscheidet, kann das mechanische Übersprechen wie oben beschrieben simuliert werden.

Figur 2 zeigt eine Schaltung für einen Stimmgabel-Drehratensensor, mit der eine Unwucht des Sensors simuliert wird um den Selbsttest durchzuführen. Die Schwingung der Zinken 2a, 2b wird in ihrer Amplitude durch das piezoresistive Element 6 auf dem oberen Zinken 2a gemessen und über einen Vorverstärker 17 und einen 90° Phasenschieber 13 der Doppelelektrode 3a, 3b zugeführt, um eine resonante Schwingung der Zinken 2a, 2b in Z-Richtung zu erzeugen. Eine Amplitudenregelung 14, die einem Bandpaßfilter 16 nachgeschaltet ist, steuert dabei die Amplitude dieser Anregungsschwingung, bei der die beiden Zinken 2a, 2b parallel zueinander ausgerichtet sind. Das durch das piezoresistive Element 5 am Torsionsbalken 4 erzeugte Ausgangssignal wird nach Durchlaufen eines Vorverstärkers 26 und eines Bandpaßfilters 27 einem Multiplizierer 21 zugeführt, der den Nutzsignalanteil, d. h. den Anteil des Meßsignals, der durch eine Drehung des Systems um die X-Achse erzeugt wird, herausfiltert. Dieser Nutzsignalanteil ist in der Phase um 90° gegenüber der Zinkenschwingung in Z-Richtung verschoben. Somit ergibt sich durch einen Phasenschieber 22 und den Multiplizierer 21 der Nutzsignalanteil aus dem Ausgangssignal des Sensors.

WO 00/20826 Ein Signalgenerator 30 erzeugt ein periodisches Testsignal der Frequenz ftest, das mit einem Multiplizierer 31 auf das Signal zur Anregung der Zinkenschwingung in Z-Richtung aufmoduliert wird. Durch einen Verstärker 32 werden gegenphasige Signale erzeugt, die durch Addierer 33a, 33b mit den Signalen zur Anregung der Zinkenschwingung in Z-Richtung addiert und der Doppelelektrode 3a, 3b zugeführt werden. Somit ergibt sich eine Schwingung der Zinken 2a, 2b mit konstanter Amplitude in Z-Richtung, der eine Torsionsschwingung der Zinl<en um die X-Achse überlagert ist. Die so erzeugte Torsionsschwingung hat die gleiche Frequenz wie die Anregungsschwingung in Z-Richtung und eine Amplitude, die sich periodisch mit der Testfrequenz fTest ändert. Die Testfrequenz kann auch Null sein, so daß die Amplitude der zusätzlichen Torsionsschwingung konstant ist.

Die durch die gegenphasige Ansteuerung der Doppelelektrode 3a, 3b erzeugte Torsionsschwingung wird mit einem Signal angeregt, das gleichphasig mit dem Signal zur Anregung der Zinkenschwingung in Z- Richtung ist. Der im Ausgangssignal des piezoresistiven Elements 5 enthaltene Testsignalanteil ist daher um 90° phasenverschoben zum Nutzsignalanteil aufgrund einer gemessenen Drehrate und gleichphasig mit der Anregungsschwingung der Zinken 2a, 2b in Z-Richtung, die mit dem piezoresistiven Element 6 gemessen wird. Aus diesem Grund wird mit einem Multiplizierer 41 derjenige Anteil aus dem Ausgangssignal des Sensors herausgefiltert, der mit der Zinkenschwingung gleichphasig verläuft. Dieser Anteil des Ausgangssignals, der eine simulierte Umwucht des Sensors anzeigt, wird 6ber einen BandpaBfilter 45 der Selbsttestarbitrierung 43 zugeführt, die die Amplitude des Testsignals mit der Amplitude des Testsignalanteils im Ausgangssignal des Sensors vergleicht. Diese Amplituden stehen in einer festen Beziehung zueinander, die z. B. im Labor festgestellt werden kann und bei einem funktionsfähigen Sensor eine feste Funktion bildet. Falls der Sensor oder ein Teil der Elektronik gestört ist, erfolgt eine Abweichung des Amplitudenverhältnisses vom Sollwert und es wird eine Fehlermeldung generiert.

Die Amplitude des periodischen Testsignals wird durch das Element 37 zusätzlich noch sägezahnartig periodisch verändert. Hierdurch ergibt sich über den gesamten Meßbereich eine besonders genaue Fehlererkennung, da die Selbsttestamplitude über den gesamten Meßbereich angepaßt wird.

Figur 3 zeigt eine Schaltung, durch die zur Durchführung des Selbsttests eine Drehrate simuliert wird. E ! emente mit gleicher Funktion sind mit denselben Bezugszeichen wie in Figur 2 bezeichnet. Die Anregung der Zinkenschwingung erfolgt wie bei der in Figur 2 gezeigten Schaltung aber den Vorverstärker 17, den Phasenschieber 13, die Amplitudenregelung 14 und die Addierer 33a, 33b. Das Signal zur Anregung der Zinkenschwingung in Z-Richtung lauft um 90° gegenüber der Zinkenschwingung selbst voraus.

Die mit dem piezoresistiven Element 5 erfaßte Torsion des Torsionsbalkens 4 erfolgt bei einer Drehung des Systems jedoch um 90° phasenverschoben zur Zinkenamplitude. Daher wird der um 90° zur Zinkenamplitude verschobene Anteil des Ausggngssignals durch den Phasenschieber 22 und WO 00/20826 den Multiplizierer 21 herausgefiltert und ergibt nach Durchlaufen des Tiefpasses 23 ein Maß für die Drehrate des Systems.

Der Signalgenerator 30 erzeugt das Testsignai mit der Frequenz fTest, das mit Hilfe des Multiplizierers bzw. AM-Modulators 31 auf das Amplitudenmonitorsignal, das durch das piezoresistive Element 6 gemessen wird, aufmoduliert wird. Im Gegensatz zu der oben in Figur 2 gezeigten Schaltung wird also das nicht-phasenverschobene Signal der Zinkenschwingung mit dem Testsignal moduliert. Über die weiteren Multiplizierer 36 werden gegenphasige Signale erzeugt, die durch die Addierer 33a, 33b mit dem Amplitudenregelungssignal zur Anregung der Zinkenschwingung in Z-Richtung addiert und den beiden Elektroden 3a, 3b zugeführt werden. Dadurch wird die Wirkung einer Drehrate simuliert. Das Ausgangssignal des Sensors wird hinsichtlich des aufmodulierten Testsignals mit der Frequenz fTe,, untersucht. Hierzu durchläuft ein Anteil des Ausgangssignals einen Bandpaßfilter 45 und wird anschließend der Selbsttestarbitrierung 43 zugeführt. Um den Testsignalanteil im Ausgangssignat vom Nut-signalanteil zu trennen, muß im Fall einer simulierten Drehrate die Testfrequenz fTest außerhalb des Frequenzbereichs der Meßgröße bzw. Drehrate liegen.

Die zweite Schwingungsmode des Sensors, d. h. die künstlich erzeugte Torsionsschwingung der Zinken 2a, 2b ist in ihrer Amplitude entsprechend dem Meßbereich des Sensors moduliert. Über das Element 37 wird die Amplitude des aufgeprägten periodischen Testsignals noch zusätzlich sägezahnartig periodisch verandert, um einen möglichst genauen Selbsttest bei den verschiedenen Meßbereichen zu erhalten. Wie im in Figur 2 gezeigten Fall erfolgt ein Vergleich der Amplitude des Testsignalanteils mit der Sebsttestamplitude um einen Fehler im Sensor oder in der dahintergeschalteten Elektronik festzustellen.

Zusätzlich kann im Sensor 1 ein Unwuchtabgleich 61 vorgesehen sein, der über einen Verstärker 62 und Multiplizierer 63 dafür sorgt, daß durch eventuelle Fehlertoleranzen l<eine zusätzlichen Schwingungsmoden erzeugt werden.

Der hier gezeigte Stimmgabel-Drehratensensor ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Aligemein ist die Erfindung auf Systeme anwendbar, bei denen eine Meßgröße aber eine schwingende Struktur bzw. Resonanzstrul<tur erfaßt wird. Dabei gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. Beschleunigungssensoren, Drucksensoren oder auch Gimbal-urehratensensoren.

Figur 4 zeigt als Beispiel schematisch einen Beschleunigungssensor 10, bei dem eine Masse 11 an einem Ball<en 12 befestigt ist. Zur Messung einer Beschleunigung des Sensors 10 in X-Richtung wird der Balken 12 zu einer Schwingung in Z-Richtung angeregt. Bei einer auftretenden Beschleunigung in X-Richtung verändert sich die Spannung des Balkens 12, so daß sich die Frequenz der Schwingung der Masse in Z-Richtung ändert und ein Maß für die Beschleunigung darstellt. Um einen Selbsttest dieses Sensors durchzuführen, wird im Baiken 12 eine zweite Schwingungsmode erzeugt, die sich der ersteh Schwingungsmode, die dem Erfassen der Beschleunigung dient, überlagert. Dazu wird der Balken 12 zu Biegeschwingungen in Y-Richtung angeregt. Durch ein piezoresistives Element 15 werden die Schwingungen des Balkens 12 in beiden Schwingungsmoden erfaßt. Der Nutzsignalanteil wird durch Frequenz- und/oder Phasenanalyse vom Testsignalanteil, der die zweite Schwingungsmode verursacht, getrennt. Der Testsignalanteil im Ausgangssignal kann somit uberwacht werden, während der Beschleunigungssensor arbeitet bzw. eine Beschleunigung registriert.

In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, ist der selbsttestfähige Sensor als Drucksensor realisiert. Bei dem Drucksenscr wird eine Membran zu Schwingungen angeregt, um einen auf die Membran wirkenden Druc ! < zu messen. Die Membranspannung ist vom Druck abhängig und beeinflußt die Frequenz der Resonanzschwingung.

Somit kann über die schwingende Membran ein Druck gemessen werden.

Um den Setbsttest durchzuführen, wird der Membran über eine Aktoreinheit eine weitere Schwingung aufmoduliert, d. h. es überlagern sich zwei Schwingungsmoden der Membran. Das Ausgangssignal der Membranschwingung wird hinsichtlich Frequenz und/oder Phase analysiert, um den Anteil vcm Ausgangssignal abzutrennen, der durch die überlagerte zweite Schwingungsmode der Membran erzeugt wird. Auch hier iäßt sich durch Vergleich der Amplitude des Testsignals mit der Amplitude des im Ausgangssignal enthaltenen Testsignalanteils ein Selbsttest des Sensors ohne Unterbrechung des Meßsignats durchführen.

Die Aktorelemente zur Erzeugung der Schwingungen sind nicht auf Elektroden beschränkt. Die Anregung kann auf vielfältige Weise, insbesondere z. B. durch elektrostatische, piezoelektrische oder auch thermisch wirkende Elemente erfolgen. Ebenso bilden piezoresistive Elemente nur eine Möglichkeit der Erfassung der verschiedenen Schwingungsmoden der Sensoren. Auch hier kann z. B. eine elektro- statische bzw. kapazitive oder induktive Auslesung erfolgen. Der selbsttesffähige Sensor bzw. die Vorrichtung und das Verfahren zum Selbsttest eines Sensors ermöglichen einen sogenannten ongoing Selbsttest ohne Unterbrechung bzw. Beeinträchtigung des Meßsignals, wobei der Test über den gesamten Meß-und/oder Dynamikbereich des Sensors durch Variation von Amplitude und/oder Frequenz des aufmodulierten Testsignals erfolgen kann.

Aligemein faßt sich die Erfindung auch z. B. anhand eines Drehraten- sensors wie folgt ausführen : Während des Betriebes des Drehratensensors wird neben der 1.

Mode auch die 2. Mode des Systems direkt angeregt, und zwar mit einem Signal, das an die Auslenkung der 1. Mode gekoppelt und zusätzlich mit einem alternierenden Testsignal amplitudenmoduliert ist.

Das Signal für die Bewegung des Systems in der 2. Mode enthält damit neben dem eigentlichen Meßsignal aufgrund des Corioliseffekts, einen Anteil der durch das Testsignal erzeugt wird. Der Meßanteil und der Testanteil des Signals für die Bewegung des Systems in der 2.

Mode können anschließend durch Frequenz-und/oder Phasenanalyse voneinander getrennt werden. Anschließend wird geprüft, ob der Zusammenhang zwischen dem Testsignalanteil in der 2. Mode und dem Testsignal selbst, vorgegebene Bedingungen erfüllt. Falls das nicht zutrifft, gibt der Sensor eine Fehlermeldung ab.

Dabei ist die Anregung der 2. Mode in Phase mit der Bewegung der 1.

Mode, aufgenommen z. B. durch Sensoren an Federn. Der Coriolisanteil der 2. Mode hingegen ist um 90° phasenverschoben im Vergleich zur Bewegung der 1. Mode.

Figur 5 zeigt in prinzipieller Darstellung einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor besteht aus einer Anregungsstruktur 7, die als Aktoreinheit dient, und einer schwingfähigen Struktur 100, die einen Resonator bzw.

Resonatorsteg 110 und eine daran angekoppelte seismische Masse 120 umfaßt. Der schwingfähige Resonator 110 und die schwingfähige Masse 120 sind über einen weiteren Steg 125 miteinander gekoppelt, d. h. sie sind nicht in einem einzigen Element vereint. Ein Detektorelement 25 dient zur piezoresistiven Detektion der Grundmode des Resonatorsteges 110, der durch die Anregungsstruktur 7 thermisch zu Schwingungen angeregt wird. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Grundmode des Resonatorsteges 110 400-500 kHz. Bei einer Beschleunigung in x-Richtung wird die Masse aufgrund ihrer Trägheit ausgelenkt und der Resonator 110 erfährt eine Zug-oder Druckbeanspruchung. Dies führt zu einer Anderung der Resonanzfrequenz und kann als Meßsignal detektiert werden. Die beschriebene Anregungsstruktur 7 ist so ausgelegt, daß sie auch die Eigenmoden der seismischen Masse 120 anregen kann. Die Grundmode des Systems ist die laterale Schwingung der Masse 120, die in der bevorzugten Ausführungsform eine Frequenz von ca. 16 kHz aufweist. Die Schwingung dieser Mode entspricht einer periodischen, sinusförmigen Beschleunigung in x-Richtung. Durch permanente Superposition der Anregungssignale des Resonatorstegs und der lateralen Schwingungsmode der Masse 120 wird ein permanenter Selbsttest realisiert. Die vom Detektor 25 erzeugten Signale werden mittels einer geeigneten Auswerteeleketronik einer Analyse bzw. Fourieranalyse unterzogen, um das Testsignal, das durch die schwingende Masse 120 erzeugt wird und in der bevorzugten Ausführungsform eine Frequenz von 16 kHz aufweist, vom MeBsignal zu trennen.

Die Anregungsstruktur bzw. Aktoreinheit 7 kann z. B. eine thermische, kapazitive oder piezoelektrische Aktorik aufweisen. Um Platz und Kosten zu sparen wird nur eine Aktorik zur Anregung des Resonatorstegs 110 und der Masse 120 verwendet. Es ist aber auch möglich, die Anregung des Resonatorstegs 110 und der Masse 120 mit zwei getrennten Aktorelementen vorzunehmen, wobei jede Kombination der beiden Aktorikelemente aus thermischer, kapazitiver und piezoelektrischer Aktorik möglich ist.

Die Detektionseinheit 25 dient zur Überwachung beider Schwingungen bzw. Schwingungsmoden und kann kapazitiv, piezoelektrisch oder auch piezoresistiv ausgeführt sein. Es können aber auch zwei getrennte Detektionseinheiten zur Überwachung der beiden Schwingungen bzw.

Schwingungsmoden ausgeführt sein, wobei wiederum jede Kombination aus kapazitiver, piezoelektrischer und piezoresistiver Detektion möglich sind.

Anstatt zur Anregung und zur Sinaldetektion zwei unterschiedliche Elemente vorzusehen, können diese Elemente auch in einem einzigen Element zur Anregung und Detektion beider Signale verwirklicht sein.

Figur 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Steuer-und Auswerteschaltung als Blockschaltbild. Der Beschleunigungsmesser 90 umfaßt eine thermische Anregungsstufe 91, um den Resonator 110 zu Schwingungen anzuregen, eine Kopplungsstufe 92 zur Ankopplung der zu messenden physikalischen Größe bzw. der Beschleunigung an das schwingende System und eine Detektionsstufe bzw. einen Piezosensor 93 zur Erfassung der Schwingungen des Resonators 110. Ein PLL-Kreis 95 stellt das Herzstück der Auswerteschaltung dar. Er umfaßt einen spannungsgesteuerten Oszillator 95a, einen Phasenkomparator 95b und einen Tiefpaß 95c. Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt im Betrieb das Anregungssignal, das der Anregungsstufe 91 zugeführt wird. Der Phasenkomparator 95b vergleicht die Phase des Anregungssignals mit derjenigen des Detektionssignals, das vom Piezosensor 93 geliefert wird.

Als Ergebnis liefert der Phasenkomparator 95b eine Spannung, um die Anregungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 95a so nachzuführen, daß der Resonatorsteg stets in Resonanz betrieben wird.

Diese Regelspannung wird in der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform auch als Meßsignal verwendet.

Ein Addierer 51 dient dazu, dem Anregungssignal, das vom spannungsgesteuerten Oszillator 95a zugeführt wird, eine zusätzliche Anregungsspannung zu überlagern, um damit eine laterale Schwingung der seismischen Masse 120 anzuregen. Diese laterale Schwingung erfolgt in x-Richtung, d. h. in Längsrichtung des Resonatorstegs 110 (siehe Figur 2). Die zusätzliche Anregungsspannung wird durch einen Oszillator 50 erzeugt, wobei Frequenz und Amplitude der zusätzlichen Anregungsspannung einstellbar sind. Am Ausgang des Addierers 51 erhält man damit zusätzlich zum Signal zur Anregung der Grundmode des Resonators 110 ein Selbsttestsignal, das beispielsweise eine Frequenz von ca. 16 kHz aufweist.

Das modulierte Anregungssignal wird dem Beschleunigungsmesser 90 zugeführt und regt den Resonator 110 zu Schwingungen in seiner Eigenfrequenz an, ebenso wie die seismische Masse 120, die zu Schwingungen mit einer weiteren Frequenz ausfuhrt. Im vorliegenden Fall hat die Grundmode des Resonatorstegs 110 eine Frequenz von ca. 400- 500 kHz, während die seismische Masse mit einer Frequenz von ca. 16 kHz schwingt. Die Schwingung der Masse 120 entspricht einer intern eingeprägten, periodischen Beschleunigung.

Das vom Piezosensor 93 des Beschleunigungsmessers 90 kommende Ausgangssignal gelangt über einen Verstärker 96 und einen Bandpaß 97 zu einem Addierer 98. Dem Addierer 98 werden weitere Signale 99a, 99b zugeführt, die zur Elemination des thermischen Übersprechens (Signal 99a) bwz. des elektrischen Übersprechens (Signal 99b) dienen. Nach dem Addierer 98 durchläuft das Meßsignal einen Sinus-Rechteckkonverter und gelangt in den PLL-Kreis 95, der oben beschrieben ist.

Das Ausgangssignal des PLL-Kreises 95 wird durch einen steuerbaren Verstärker 60a verstärkt. Anschließend wird das Signal einer Frequenzanalyse unterworfen. Durch einen Tiefpaß 60c wird das von einer externer Beschleunigung herrührende Signal herausgefiltert. Am Ausgang des Tiefpasses 60c steht somit das Beschleunigungssignal Uacc zur Verfügung.

Das Selbsttestsignal, das im vorliegenden Fall eine Frequenz von ca. 16 kHz aufweist, wird mit Hilfe eines Bandpasses 60b abgetrennt.

Anschließend wird im Schaltelement 60d die Differenz zwischen dem Selbsttestsignal und dem Test-Anregungssignal gebildet, wobei sich eine Spannung Ueff ergibt. Falls die Spannung Ueff eine bestimmte Schwelle überschreitet, liegt ein Fehler vor. Damit ist der gesamte Sensor einschließlich des Elektronikkreises getestet. Der Test bezieht sich also nicht nur auf den Sensor selbst, sondern auch auf die Hauptteile der Auswertelektronik.

Da die Spannung U^eff ein Maß für die Empfindlichkeit ist, kann damit eine Selbstkalibrierung des Sensors erfolgen. Hierzu wird diese Spannung mit Hilfe des steuerbaren Verstärkers 60a auf einen konstanten, vorgegebenen Wert geregelt. Diese Schaltung ist in Figur 6 durch die unterbrochene Linie dargestellt.

Abbildung 7 zeigt eine Fourieranalyse des Ausgangssignals der oben beschriebenen Auswertelektronik. In diesem Fall wurde die Grundmode des Resonatorstegs mit einer Frequenz im Bereich von 400-500 kHz thermisch angeregt, wobei zusätzlich auch die Eigenmoden der seismischen Masse 120 angeregt wurden. Die Grundmode des Systems ist die laterale Schwingung der Masse 120 bei einer Frequenz von 16 kHz.

Die Schwingung dieser Mode entspricht einer periodischen, sinusförmigen Beschleunigung in x-Richtung (siehe Figur 5). Durch permanente Superposition der Anregungssignale des Resonatorstegs 110 und der lateralen Schwingungsmode der Masse 120 wurde in diesem Fall ein permanenter Selbsttest durchgeführt. Mit Hilfe eines Schwingerregers wurde eine sinusförmige Beschleunigung von 1 kHz in x-Richtung erzeugt, während zusätzlich der Sensor im Selbsttestmodus betrieben wurde. Die in Figur 7 dargestellt Fourieranalyse des Ausgangssignals zeigt das Signal der äußeren Beschleunigung bei 1 kHz und das Signal der induzierten Beschleunigung bzw. des Selbsttests bei ca. 16 kHz.

Der hier dargestellte selbsttestfähige Beschleunigungssensor kann durch entsprechende Modifikation auch zur Messung anderer Größen dienen, die auf die Masse 120 eine Kraft ausüben. Der Beschleunigungssensor hat ein resonantes Ausleseprinzip und es kann während der Messung ein permanenter Selbsttest durchgeführt werden. Mit Hilfe eines zeitkontinuierlichen Testsignals wird eine Testbeschleunigung eingeprägt und das zugehörige Beschleunigungssignal steht somit permanent am Ausgang zur Verfügung.

Insgesamt werden durch die Erfindung Sensoren geschaffen, die sich ohne Unterbrechung der eigentlichen Messung selbst testen, wobei keine aufwendigen weiteren zusätzlichen Komponenten erforderlich sind, so daß der selbsttestfähige Sensor in kleiner und kostengünstiger Bauweise gefertigt werden kann.