DE-102024210703-A1 - Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur und mikromechanischer Drehratensensor mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur sowie ein mikromechanischer Drehratensensor mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur vorgeschlagen, wobei der mikromechanische Drehratensensor einen Antrieb mit einem Antriebsregelkreis zum Antreiben einer Schwingung der schwingungsfähigen Struktur entlang einer Antriebsrichtung aufgrund einer Antriebsspannung umfasst, wobei zum Antrieb der Schwingung der schwingungsfähigen Struktur diese mit der Antriebsspannung und mit einer Offsetspannung beaufschlagt wird, wobei die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur mittels des Antriebsregelkreises erfasst und durch Anpassung der Antriebsspannung geregelt wird.

Inventors

• Manuel Dietrich

Assignees

• Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors (100) mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur (120), wobei der mikromechanische Drehratensensor (100) einen Antrieb (110) mit einem Antriebsregelkreis zum Antreiben einer Schwingung der schwingungsfähigen Struktur (120) entlang einer Antriebsrichtung aufgrund einer Antriebsspannung (201) umfasst, wobei zum Antrieb der Schwingung der schwingungsfähigen Struktur (120) diese mit der Antriebsspannung (201) und mit einer Offsetspannung (200) beaufschlagt wird, wobei die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur (120) mittels des Antriebsregelkreises erfasst und durch Anpassung der Antriebsspannung (201) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die an der schwingungsfähigen Struktur anliegende Offsetspannung (200) direkt oder indirekt erfasst wird und die Antriebsspannung reduziert oder der Antrieb des mikromechanischen Drehratensensors abgeschaltet wird, wenn ein ermittelter Wert der anliegenden Offsetspannung (200) in einem vorgegebenen Werteintervall (104) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur (120) proportional zum Produkt der Offsetspannung (200) und der Antriebsspannung (201) ist, wobei die Offsetspannung (200) einen Sollwert (102) aufweist, wobei das vorgegebene Werteintervall (104) als ein Bereich des Sollwerts (102) der Offsetspannung (200) bestimmt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Reduzierung der Antriebsspannung (201) oder die Abschaltung des Antriebs (110) des mikromechanischen Drehratensensors (100) innerhalb eines Zeitintervalls von bis zu einer Millisekunde, insbesondere von bis zu 100 Mikrosekunden, insbesondere bevorzugt von bis zu 10 Mikrosekunden, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Sollwert (102) in einem Bereich von bis zu 50 Volt, insbesondere bis zu 25 Volt, insbesondere bevorzugt von 8 bis 20 Volt, liegt.
5. Mikromechanischer Drehratensensor (100) mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur (120), wobei der mikromechanische Drehratensensor (100) einen Antrieb (110) mit einem Antriebsregelkreis zum Antreiben einer Schwingung der schwingungsfähigen Struktur (120) entlang einer Antriebsrichtung aufgrund einer Antriebsspannung (201) umfasst, wobei der mikromechanische Drehratensensor (100) derart konfiguriert ist, dass zum Antrieb der Schwingung der schwingungsfähigen Struktur (120) diese mit der Antriebsspannung (201) und mit einer Offsetspannung (200) beaufschlagt wird, wobei der mikromechanische Drehratensensor (100) ferner derart konfiguriert ist, dass die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur (120) mittels des Antriebsregelkreises erfasst und durch Anpassung der Antriebsspannung (201) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass der mikromechanische Drehratensensor (100) derart konfiguriert ist, dass die an der schwingungsfähigen Struktur anliegende Offsetspannung (200) direkt oder indirekt erfasst wird und die Antriebsspannung reduziert oder der Antrieb des mikromechanischen Drehratensensors abgeschaltet wird, wenn ein ermittelter Wert der anliegenden Offsetspannung (200) in einem vorgegebenen Werteintervall (104) liegt.
6. Kontroller, welcher derart konfiguriert ist, dass ein computer-implementiertes Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 ausgeführt wird, wobei der Kontroller ferner derart konfiguriert ist, dass eine Offsetspannung überwacht und im Falle einer konfigurierbaren Abweichung von einem Sollwert einen Antrieb eines mikromechanischen Drehratensensor-Systems deaktiviert wird.
7. Mikromechanisches Drehratensensor-System mit einem Kontroller gemäß dem Anspruch 6 und einem mikromechanischen Drehratensensor gemäß dem Anspruch 5 .

Description

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähigen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei solchen Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors, insbesondere als Teil einer IMU (inertial measurement unit), wird eine schwingungsfähige Struktur mittels eines Antriebs mit einem Antriebsregelkreis entlang einer Antriebsrichtung zu einer Schwingung angetrieben und dabei in der Regel bis zu einer Zielamplitude dieser Schwingung, von beispielsweise 8 Mikrometer, ausgelenkt bzw. angeregt. Zu diesem Zweck wird die schwingungsfähige Struktur mit einer Antriebsspannung beaufschlagt. Neben der Antriebsspannung wird die schwingungsfähige Struktur in der Regel ebenfalls mit einer Offsetspannung beaufschlagt bzw. vorgeladen. Dies liegt darin begründet, dass die Offsetspannung einen verstärkenden Effekt sowohl für eine Detektion eines Detektionssignals als auch für eine im Rahmen der Antriebsanregung wirkende (Antriebs-) Kraft hat. Somit ergibt es sich, dass die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur proportional zum Produkt der anliegenden Offsetspannung und der Antriebsspannung ist. Mittels des Antriebsregelkreises wird die Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur erfasst, mit der Zielamplitude abgeglichen und die Antriebsspannung (und im Zuge dessen auch die Schwingungsamplitude) angepasst bzw. geregelt. Im Stand der Technik wird für die Anpassung der Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur bzw. - im Fall einer zu geringen Schwingungsamplitude insbesondere aufgrund eines Absinkens der Offsetspannung - für die Erhöhung der Schwingungsamplitude der schwingungsfähigen Struktur zumeist eine (kurzzeitig andauernde) überproportional ansteigende Anpassung bzw. Erhöhung der Antriebsspannung vorgeschlagen. Im Zuge der überproportionalen Erhöhung der Antriebsspannung ist es (ohne dass es angestrebt wird) möglich, dass die angepasste Schwingungsamplitude, welche in der Regel proportional zum Produkt aus der angepassten Antriebsspannung und der anliegenden Offsetspannung ist, - zumindest kurzzeitig - über die Zielamplitude (oder eine vergleichbare Länge) der schwingungsfähigen Struktur hinaus angeregt wird. Im Detail erfolgt die Detektion der Schwingungsamplitude über separate Strukturen (Antriebsdetektion), d.h. über Strukturen, die von den eigentlichen zur Generierung der Antriebskraft verwendeten (Antriebs-)Strukturen zu unterscheiden sind. Diese Antriebsdetektionsstrukturen sind typischerweise ebenfalls mit der Offsetspannung beaufschlagt. Der Antriebsregelkreis orientiert sich an diesem Detektionssignal der Antriebsdetektion. Sinkt nun die Offsetspannung ab, sinkt auch das Detektionssignal (selbst wenn der Antrieb bzw. schwingungsfähige Struktur weiterhin mit der Zielamplitude als Schwingungsamplitude schwingen würde). Dies führt zu einer Über-Kompensation der Antriebsanregung. Somit ergibt sich ein kritischer Bereich, in dem die schwingungsfähige Struktur zu einer Schwingung mit einer angepassten Schwingungsamplitude angeregt wird, die die Zielamplitude übersteigt, und somit möglicherweise ein Schaden an der schwingungsfähigen Struktur und/oder dem mikromechanischen Drehratensensor verursacht. Im Detail kann es bei einer typischen Schwingungsfrequenz von beispielsweise 35 kHz 35000-mal pro Sekunde zu einem mechanischen Kontakt (zwischen der schwingungsfähigen Struktur und einer substratfesten, die schwingungsfähige Struktur umgebende Struktur, insbesondere innerhalb einer Kavität) kommen, wodurch ein großes Schadenspotential entstehen kann. Somit kann ein Absinken der Offsetspannung (in einen kritischen Bereich) zu einem kritischen Verhalten und einem damit verbundenen großen Schadenspotential bezüglich des mikromechanischen Drehratensensors führen. Das Absinken der Offsetspannung in einen kritischen Bereich kann beispielsweise aufgrund von mobilen Partikeln innerhalb der umgebenen Struktur, insbesondere innerhalb einer Kavität des mikromechanischen Drehratensensor, (aufgrund eines Kurz- bzw. Nebenschlusses der anliegenden Offsetspannung mit, beispielsweise, dem Massepotential (Ground-Potential) bewirkt werden. Diese mobilen Partikel können vor allem durch eine mechanische Überlast der schwingungsfähigen Struktur innerhalb der umgebenen Struktur bzw. Kavität (beispielsweise mechanische Stöße zwischen der schwingungsfähigen Struktur und der umgebenen Struktur bzw. Kavität), jedoch auch im Rahmen von Herstellungsprozessen entstehen. Insbesondere ein Nebenschluss, ausgelöst durch die mobilen Partikel, zwischen der Offsetspannung und dem Ground-Potential kann somit zu einem Absinken der Offsetspannung, insbesondere in einen kritischen Bereich, führen. Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe ein Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Drehratensensors mit einem Sensorelement als Teil einer schwingungsfähige