传感器布置以及用于运行传感器布置的方法与流程

1.本发明涉及一种传感器布置，其至少包括：
2.陀螺仪装置，其用于检测转速传感器信号，
3.该陀螺仪装置具有带有可被激励至振动的震动质量(seismischen masse)的mems陀螺仪，
4.该陀螺仪装置具有驱动电路，其用于激励和维持震动质量的振动运动，以及
5.该陀螺仪装置具有传感单元；
6.控制单元，其用于选择陀螺仪装置的至少两个不同的预定义的运行模式之一，其中，预定义至少一个传感运行模式和至少一个待机运行模式作为运行模式，在所述至少一个传感运行模式中对转速传感器信号进行检测和/或预处理，在所述至少一个待机运行模式中对转速传感器信号不进行检测和/或预处理；
7.其他传感器装置，其用于检测其他传感器信号；以及
8.数字的数据处理单元，其用于转速传感器信号和其他传感器信号。
9.本发明还涉及一种用于运行这种传感器布置的方法。


背景技术：

10.已知的mems转速传感器，以下简称陀螺仪，通常与惯性测量单元中的加速度传感器一起使用，例如以实现具有增强现实或建筑物内导航的应用。在此，输出数据率(ausgabedatenrate)odr、即陀螺仪和/或加速度传感器输出所求取的数据的数据速率的稳定性和准确性非常重要。在一些导航应用中，绝对位置是基于陀螺仪和加速度传感器的测量信号确定的。为此，对这些测量信号进行时间积分。在这种情况下，不准确的输出数据率会导致所求取的位置的相应的不准确性。
11.已知的具有陀螺仪和加速度传感器的mems传感器布置具有集成的电子振荡器，其为加速度传感器的输出数据率提供信号或频率。如果陀螺仪接通，则输出数据率或相应的节拍信号替代地从mems陀螺仪的震动质量的激励振荡的谐振频率导出，该激励振荡借助驱动电路来激励和维持。然而，这个节拍信号只有在陀螺仪处于激活状态时才可供使用。在陀螺仪在通过集成的电子振荡器产生的节拍信号与通过驱动电路产生的节拍信号之间的每次切换时，输出数据率odr的频率就会出现跳跃或变化。此外，与驱动电路相比，集成电子振荡器取决于温度变化具有增加的漂移。


技术实现要素：

12.在一种实施方式中，本发明提供一种传感器布置，其至少包括：
13.陀螺仪装置，其用于检测转速传感器信号，
14.其具有带有可被激励至振动的震动质量的mems陀螺仪，
15.其具有驱动电路，该驱动电路用于激励和维持震动质量的振动运动，以及
16.其具有传感单元；
17.控制单元，其用于选择陀螺仪装置的至少两个不同的预定义的运行模式之一，其中，预定义至少一个传感运行模式和至少一个待机运行模式作为运行模式，在所述至少一个传感运行模式中对转速传感器信号进行检测和/或预处理，在至少一个待机运行模式中对转速传感器信号不进行检测和/或预处理；
18.其他传感器装置，其用于检测其他传感器信号；以及
19.数字的数据处理单元，其用于转速传感器信号和其他传感器信号；
20.其中，相应于陀螺仪装置的不同运行模式，驱动电路能够以具有不同能耗的不同运行模式运行，使得在至少一个传感运行模式中和在至少一个待机运行模式中维持震动质量的振动运动，其中，数字的数据处理单元设计用于，在至少一个传感运行模式中和在至少一个待机运行模式中以基于震动质量的振动频率的输出数据率(odr)提供经数字化的转速传感器信号和/或经数字化的其他传感器信号。
21.在另一实施方式中，提供一种用于运行传感器布置的方法，所述方法至少包括：
22.用于检测转速传感器信号的陀螺仪装置，
23.该陀螺仪装置具有mems陀螺仪，其具有可被激励至振动的震动质量，
24.该陀螺仪装置具有驱动电路，其用于激励和维持震动质量的振动运动，以及
25.该陀螺仪装置具有传感单元；
26.控制单元，其用于选择陀螺仪装置的至少两个不同的预定义的运行模式之一，其中，预定义至少一个传感运行模式和至少一个待机运行模式作为运行模式，在所述至少一个传感运行模式中对转速传感器信号进行检测和/或预处理，在所述至少一个待机运行模式中对转速传感器信号不进行检测和/或预处理；
27.其他传感器装置，其用于检测其他传感器信号；以及
28.数字的数据处理单元，其用于转速传感器信号和其他传感器信号；
29.其中，相应于陀螺仪部件的不同运行模式，驱动电路以具有不同能耗的、尤其是电流消耗的不同运行模式运行，使得在至少一个传感运行模式中和在至少一个待机运行模式中维持震动质量的振动运动，
30.其中，在至少一个传感运行模式中和在至少一个待机运行模式中经数字化的转速传感器信号和/或经数字化的其他传感器信号的如下输出数据率(odr)基于震动质量的振动频率：所述输出数据率借助数据处理单元提供。
31.因此，用于传感器布置的所有传感器的输出数据率odr基于mems陀螺仪的震动质量的振动运动，与mems陀螺仪的运行模式无关地维持该振动运动，即既在检测到转速信号时的传感运行模式中，又在没有检测到转速测量信号时的待机运行模式中。由此，能够省去附加的振荡器作为用于输出数据率odr的节拍发生器。mems陀螺仪的震动质量通常被激励成谐振振动。该振动运动非常频率稳定。此外，谐振频率在很大程度上与温度无关。由此，不仅在mems陀螺仪运行的情况下、即在传感模式中，而且在所有工作状态中都能够实现输出数据率的极高的稳定性。在运行状态之间切换时避免节拍信号中的频率跳跃并且因此避免输出数据率odr中的频率跳跃。同样，输出数据率odr中的温度漂移也显着降低。此外，维持mems陀螺仪的震动质量的振动运动的能量消耗保持在极限内。此外，仅在传感运行模式中，驱动电路才会在具有高能耗的高性能模式中运行。在待机运行模式中，对于驱动电路的低功率模式证明足以维持震动质量的振动运动。
32.换句话说，通过本发明的实施方式，尤其是通过为陀螺仪装置的驱动电路提供具有不同能耗的至少两个运行模式，提供一种简单、灵活、节省成本和节省能量的传感器布置，该传感器布置具有输出数据率的高的准确性和稳定性。
33.本发明的其他特征、优点和其他实施方式将在下面描述或由此公开。
34.根据一种有利的扩展方案，控制单元构造用于直接操控陀螺仪装置的传感单元和/或驱动电路，以预给定运行模式。借此能够实现以简单且灵活的方式控制传感单元和/或驱动电路。
35.根据一种有利的扩展方案，驱动电路构造用于为数字的数据处理单元提供节拍信号，该节拍信号具有关于震动质量的振动频率信息。这样的优势在于，数字的数据处理单元能够以特别准确和稳定的方式向传感单元提供数据。
36.根据另一有利的扩展方案，驱动电路包括至少两个单独的驱动回路(treiberschaltkreise)，借助所述至少两个单独的驱动回路提供驱动电路的不同运行模式。借此实现的优点之一在于，可以以可靠的方式提供单独的运行模式。换言之，借此能够通过单独的驱动回路提供驱动电路的每个运行模式。由此基本上在驱动电路中提供至少一个第二回路，其目标是以最小的能量维持陀螺仪装置、更精确地说以最小的能量维持陀螺仪装置的震动质量的振荡。因此，当用于陀螺仪装置的正常运行的回路——传感运行模式——被关闭时，即不需要陀螺仪装置的数据时，就使用该第二回路。驱动信号回路的节拍信号可以通过单独的接口提供。然后控制单元可以构造用于选择相应的接口。
37.根据另一有利的扩展方案，其他传感器装置包括mems加速度传感器、磁力计、压强传感器、气体传感器和/或湿度传感器。这样的优点在于传感器装置的简单实现以用于不同应用。
38.可以理解，在不脱离本发明的范畴的情况下，上面提及的特征和下面还将阐述的特征不仅可以在分别说明的组合中使用，还可以在其他组合中使用，或者单独使用。
附图说明
39.本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出，并将在以下描述中详细阐述，其中，相同的附图标记涉及相同、相似或功能相同的部件或元件。附图示出：
40.图1示出已知的mems传感器布置；
41.图2示出根据本发明的一种实施方式的mems传感器布置；
42.图3示出根据本发明的另一实施方式的mems传感器布置。
具体实施方式
43.图1示出了一种已知的mems传感器布置1，其具有用于检测转速传感器信号的陀螺仪装置并且具有加速度传感器形式的其他传感器装置。陀螺仪装置包括mems陀螺仪2，该mems陀螺仪具有可被激励至振动的震动质量2a和模拟电路装置7。该模拟电路装置7包括驱动电路3和传感单元5，所述驱动电路用于激励和维持震动质量2a的振动运动，所述传感单元用于读取陀螺仪测量信号101并将该测量信号101转换成模拟的电信号106。
44.震动质量2a的运动以位置信号100的形式检测并且被提供给驱动电路3。位置信号100提供关于震动质量2a的振动运动的幅度和频率的信息。基于该信息，驱动电路3生成驱
动信号103，其用于驱动和维持震动质量2a的限定的振动运动。
45.通过陀螺仪装置的旋转运动引起的、进行振动的震动质量2a沿一个或多个空间轴的偏转借助mems陀螺仪2的合适的电路装置2b例如电容式地检测。该陀螺仪测量信号101然后借助传感单元5，例如借助电容电压转换器被转换成模拟的电陀螺仪信号106。
46.加速度传感器同样包括具有至少一个可偏转结构元件的mems传感器元件6。通过加速度引起的、该结构元件沿一个或多个空间轴的偏转借助合适的电路装置6b例如电容式地或压阻式地检测。加速度传感器还包括具有传感单元9的模拟电路装置8，该传感单元用于读取该测量信号102并将该测量信号102例如借助电容电压转换器转换成模拟的电加速度信号107。
47.陀螺仪装置和加速度传感器的模拟电路装置7和8形成在此所示的传感器布置1的电子读取电路20的模拟部分。该读取电路20的数字部分16包括能量管理单元11作为控制单元、用于产生输出数据率odr的输出数据率单元12、分别用于模拟电陀螺仪信号106和加速度信号107的信号处理单元13和14、以及用于输出传感器数据110的接口15。
48.能量管理单元11预给定陀螺仪装置的运行模式，在此要么传感运行模式，其中检测转速传感器信号，要么是未激活的运行模式，其中不激励震动质量并且也不检测转速信号。为清楚起见，在此省去用于相应操控陀螺仪装置的各个部件的信号路径。
49.最后，在图1中示出的传感器布置的读取电路20还包括振荡器4，该振荡器生成节拍信号104。借助通过能源管理单元11操控的开关120，能够可选择地将该振荡器节拍信号104或由陀螺仪装置的驱动电路3基于位置信号100产生的节拍信号105提供给输出数据率单元12和信号处理单元13、14。能量管理单元11相应于陀螺仪装置的运行模式选择开关120的开关位置。在传感运行模式中，进行振动的震动质量2a用作用于传感器布置1的节拍发生器。在非激活的运行模式下，即当震动质量不被激励因此不能充当节拍发生器时，振荡器4被接通然后用作用于传感器布置1的节拍发生器。在这两种情况下，因此有节拍信号108可供使用，该节拍信号被提供给信号处理单元13和14，并且可以在例如模拟传感器信号101、102的数字化范畴内使用。此外，节拍信号108也被提供给输出数据率单元12。这就基于节拍信号108生成了对于接口15的、当前的输出数据率odr 109，使得传感器数据10的输出以该输出数据率109进行。因此，节拍信号108的波动和不稳定性对传感器布置1的输出数据率109有直接影响。
50.图2示出根据本发明的一种实施方式的mems传感器布置200。与根据图1的mems传感器布置1不同，在此示出的mems传感器布置200不具有单独的电子振荡器4作为节拍发生器。陀螺仪装置的振荡器、即震动质量2a结合驱动电路3在此始终用作用于传感器布置200的所有部件的节拍发生器。为此，驱动电路维持震动质量2a的振动运动，更准确地说，与陀螺仪装置的运行模式无关。根据本发明的该实施方式，陀螺仪装置的驱动电路3如此构造，使得其在两个运行状态3-1中运行，该两个运行状态的能耗不同，即在用于待机运行模式的低能量运行模式中应不检测mems陀螺仪2的旋转速率信号，并且在用于传感运行模式的高能量运行模式中应检测mems陀螺仪2的旋转速率信号。在这两个运行模式中，驱动电路3产生用于驱动mems陀螺仪装置的震动质量2a的驱动信号103，该驱动信号确保震动质量2a的频率稳定的振动运动。基于驱动信号103产生节拍信号105作为用于传感器布置200的系统节拍或系统时钟。通过开关120对驱动电路3的运行模式3-1的预给定或选择与对陀螺仪装
置的运行模式3-1的预给定一起再次由能量管理单元11接管。运行状态3-1从待机运行模式到传感运行模式的改变或者反之在此对节拍信号105和输出数据率odr109没有影响。
51.图3示出根据本发明的另一实施方式的mems传感器布置201。
52.与根据图2的mems传感器布置200不同，在根据图3的mems传感器布置201中，替代于能够在两个运行模式中运行的单个驱动电路3，对于不同的运行模式布置单独的驱动回路3a、3b，更准确地说是低能量驱动回路或者说待机驱动回路3a和高能量驱动回路或者说传感驱动回路3b。相应地，必须将mems陀螺仪2的位置信号100提供给两个驱动回路3a、3b。两个驱动回路3a和3b的驱动信号105a、105b通过单独的接口70a、70b提供。相应的驱动回路3a或3b的选择与陀螺仪装置的运行模式3-1的预给定一起通过能量管理单元11进行，该能量管理单元为此相应地操控连接在接口70a、70b下游的开关120。
53.综上所述，本发明的至少一种实施方式具有以下优点中的至少一个：
54.与已知的读取回路相比，所述读取回路的更低的能耗；
55.mems整体系统的较低的复杂性；
56.输出数据速率的高准确性和稳定性；
57.在作为节拍发生器的附加振荡器与作为整个传感器系统节拍发生器的陀螺仪部件之间切换时，避免跳跃或瞬态振动相位(einschwingphase)。
58.尽管已经基于优选示例性实施例描述了本发明，但本发明不限于此，而是能够以多种不同方式进行修改。