DE102008054369B4

DE102008054369B4 - Resonator, Drehratensensor mit Resonator, Herstellungsverfahren für einen Resonator und Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators

Info

Publication number: DE102008054369B4
Application number: DE102008054369.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Burkhard Kuhlmann; Christoph Gauger; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: DE102008054369A1

Abstract

Resonator mit:einer Halterung (46);einer Schwingmasse (30,34,36);einem Antrieb (38,40), welcher dazu ausgelegt ist, während eines Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in eine Schwingbewegung zu versetzen; undeiner Feder (32,44,48), über welche die Schwingmasse (30,34,36) mit der Halterung (46) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dassder Antrieb (38,40) dazu ausgelegt ist, während des Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in die Schwingbewegung mit einer Amplitude (22) aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude zu versetzen, unddie Feder (32,44,48) so ausgebildet ist, dass die Feder (32,44,48) bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit, welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit ist, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Resonator. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators.
Stand der Technik
Ein mechanischer Resonator mit einer über mindestens eine Feder mit einer Halterung verbundenen Schwingmasse kann beispielsweise als mikromechanischer Drehratensensor eingesetzt werden.
Während eines Betriebs des Drehratensensors wird die Schwingmasse mittels eines dazu ausgelegten Antriebs in eine Schwingbewegung versetzt. Bei einer Drehbewegung des aktivierten Drehratensensors um eine zu der Schwingbewegung nicht-parallele Rotationsachse wirkt eine Corioliskraft auf die bewegte Schwingmasse. Durch die Corioliskraft erfährt die bewegte Schwingmasse eine zusätzliche Auslenkbewegung/Detektionsbewegung senkrecht zu der Schwingbewegung, welche mittels einer dazu ausgelegten Sensor- und Auswerteeinrichtung detektierbar und bezüglich einer Drehrate der Drehbewegung auswertbar ist. Eine geeignete Sensor- und Auswerteeinrichtung kann beispielsweise eine an der Schwingmasse befestigte erste Elektrode und eine an der Halterung befestigte zweite Elektrode umfassen.
Für ein verlässliches Bestimmen von Drehraten ist ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis des Drehratensensors vorteilhaft. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis eines Drehratensensors steigerbar ist, indem der Drehratensensor vollresonant betrieben wird. Bei einem vollresonanten Betreiben des Drehratensensors wird die Schwingmasse mit einer Antriebfrequenz gleich der Eigenfrequenz der zusätzlichen Auslenkbewegung/Detektionsbewegung, welche im Weiteren als Detektionsfrequenz bezeichnet wird, zu der Schwingbewegung angeregt. Man bezeichnet dies auch als Übereinstimmen der Eigenfrequenzen der Antriebmode und der Detektionsmode.
Der Vorteil des vollresonanten Betriebs des Drehratensensors liegt darin, dass die in die Detektionsstruktur eingekoppelten Corioliskräfte um die mechanische Güte der Detektionsmode überhöht werden (Open-Loop-Betrieb). Auf diese Weise wird der Signal-Rausch-Abstand deutlich gesteigert. Alternativ erfolgt eine sehr effektive Rauschunterdrückung im Bereich der Detektionsfrequenz, welche auch als „Noise shaping“ bezeichenbar ist (Closed-Loop-Betrieb).
Allerdings ist es aufgrund der bei einer Großserienproduktion auftretenden Fertigungstoleranzen kaum möglich, ein Übereinstimmen (Mode Matching) der Antriebmode und der Detektionsmode direkt über die Produktion der Einzelteile und/oder bei einem Zusammensetzen des Drehratensensors zu realisieren. In der Regel weist ein herkömmlicher Drehratensensor vor einer geeigneten Mode-Matching-Einstellung deshalb eine signifikante Differenz zwischen den Eigenfrequenzen der Antriebmode und der Detektionsmode auf. Beispielsweise weichen bei einem realisierten Design eines Drehratensensors mit einer Antriebfrequenz von 15kHz die Eigenfrequenzen der Antriebmode und der Detektionsmode um eine Frequenzdifferenz von ca. 500 bis 1000Hz voneinander ab.
Herkömmlicherweise wird häufig versucht, die Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen der Antriebmode und der Detektionsmode über ein Verändern der Frequenz der Detektionsmode zu korrigieren und auf diese Weise das vollresonante Betreiben des Drehratensensors zu ermöglichen. Aus dem Stand der Technik ist dazu ein als elektrostatische Mitkopplung bezeichnetes Verfahren bekannt.
Bei der elektrostatischen Mitkopplung wird zwischen der an der Schwingmasse befestigten ersten Elektrode und der an der Halterung befestigten zweiten Elektrode eine Mitkoppelspannung ungleich 0V angelegt. Die aus der angelegten Mitkoppelspannung resultierende elektrostatische Kraft ist in Richtung der Auslenkbewegung/Detektionsbewegung gerichtet und vermindert somit die Federsteifigkeit der Feder, welche der Auslenkbewegung/Detektionsbewegung entgegenwirkt. Man bezeichnet dies auch als ein Reduzieren der effektiven Federsteifigkeit zum Reduzieren der Detektionsfrequenz. Unter bestimmten Umständen ist auf diese Weise die Detektionsfrequenz an die Antriebfrequenz anpassbar.
Allerdings ist das in dem oberen Absatz beschriebene Verfahren der elektrostatischen Mitkopplung auf die Verwendung einer Sensoreinrichtung mit zwei Elektroden beschränkt. Zusätzlich ermöglicht die elektrostatische Mitkopplung nur eine Reduzierung der Detektionsfrequenz, während ein Steigern der Detektionsfrequenz mittels der elektrostatischen Mitkopplung nicht möglich ist. Des Weiteren führt das Anlegen der Mitkoppelspannung bei nur einseitiger Elektrodenbeschaltung aufgrund der einseitig wirkenden elektrostatischen Kraft auch zu einer statischen Auslenkung der Schwingmasse gegenüber der Ruhelage der Schwingmasse bei einer Mitkoppelspannung gleich Null. Dadurch werden zahlreiche weitere wichtige Funktionsparameter des Drehratensensors verändert.
Die Druckschriften US 5 783 973 A , US 5 920 012 A , DE 198 11 025 B4 und DE 10 2007 057 042 A1 betreffen ebenfalls mikromechanische Drehratensensoren mit schwingenden Massen, die über Federn des Resonators mit nichtlinearen Federsteifigkeiten verbunden sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft einen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Herstellungsverfahren für einen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Die Erfindung betrifft Möglichkeiten zum mechanischen Frequenztuning für einen mechanischen Resonator. Das mechanische Frequenztuning kann anstelle oder in Ergänzung des bereits beschriebenen elektrostatischen Frequenztunings (elektrostatische Mitkopplung) ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die amplitudenabhängige Federsteifigkeit der Feder bezüglich der Schwingbewegung der Schwingmasse, welche sich beispielsweise aufgrund eines geeigneten Designs oder einer vorteilhaften Ausbildung der Feder ergibt, für das mechanische Frequenztuning nutzbar ist. Insbesondere bei einer nicht-linearen Federsteifigkeit weist die Feder bei der Schwingbewegung mit der ersten Amplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei der Schwingbewegung mit der zweiten Amplitude eine von der ersten mittleren Federsteifigkeit abweichende zweite mittlere Federsteifigkeit auf. Die unterschiedlichen Werte der Federsteifigkeiten bewirken unterschiedliche Eigenfrequenzen der Antriebmode. Somit kann die als Antriebfrequenz bezeichnete Eigenfrequenz der Antriebmode über die Wahl der Amplitude variiert werden. Im Allgemeinen resultiert aufgrund der geometrischen Natur der Federnichtlinearität eine Erhöhung der Arbeitsamplitude in einer gesteigerten Antriebfrequenz.
Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter der ersten Amplitude, der zweiten Amplitude, der Minimalamplitude und der Maximalamplitude Betriebsamplituden verstanden werden, wobei der Antrieb dazu ausgelegt ist/wird, für jede aus den Betriebsamplituden ausgewählte Amplitude die Schwingmasse während des Betriebs des Resonators in die Schwingbewegung mit der ausgewählten Amplitude zu versetzen. Damit unterscheidet sich die mindestens eine Feder des Resonators deutlich von Federn herkömmlicher Resonatoren, welche so ausgelegt sind, dass sie für den Betrieb des Resonators eine amplitudenunabhängige Federsteifigkeit haben. Des Weiteren wird hier darauf verwiesen, dass die Minimalamplitude und die Maximalamplitude so zueinander liegen können, dass die Schwingmasse bei einer Schwingbewegung mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine Zwischenstellung einnimmt, welche der maximalen Auslenkung der Schwingmasse bei der Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Minimalamplitude entspricht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Resonators ist die zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder mindestens um einen Faktor 1.5 größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder. Vorzugsweise ist die zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder mindestens um einen Faktor 2 größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder. Insbesondere kann die zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder mindestens um einen Faktor 2.5 größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder sein.
Beispielsweise wird ein erstes Ende der Feder, an welchem die Schwingmasse angeordnet ist, bei der Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Maximalamplitude über eine Wegstrecke bewegt, wobei eine zwischen einem zweiten Ende der Feder, welches an der Halterung angeordnet ist, und dem ersten Ende der Feder vorliegende Federsteifigkeit der Feder entlang der Wegstrecke einen nicht-linearen Verlauf zeigt. Vorzugsweise ist in der Antriebsstruktur des Resonators eine Feder mit einer stark nicht-linearen Federsteifigkeit eingesetzt. Über die Wahl einer geeigneten Soll-Amplitude für den weiteren Betrieb des Resonators ist somit die Antriebfrequenz auf eine Soll-Eigenfrequenz einstellbar. Auf diese Weise können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, wodurch beispielsweise der vollresonante Abgleich eines Drehratensensors oder das Einstellen eines definierten Frequenzsplittings zwischen Antriebmode und Detektionsmode sichergestellt werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Feder drei parallel zueinander ausgerichtete Balken, von denen die beiden äußeren Balken mit dem ersten Ende eine erste Breite und der mittlere Balken mit dem zweiten Ende eine zweite Breite aufweisen. Über die Wahl von geeigneten Breiten der Balken kann in diesem Fall eine gewünschte Nichtlinearität der Federsteifigkeit der Feder festgelegt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Resonator als Drehratensensor mit einer Sensor- und Auswerteeinrichtung ausgebildet. Die Sensor- und Auswerteeinrichtung ist bei einer Drehbewegung des Drehratensensors dazu ausgelegt, eine durch eine Corioliskraft bewirkte zusätzliche Auslenkbewegung der in die Schwingbewegung versetzten Schwingmasse in Bezug auf die Halterung zu ermitteln und anhand der ermittelten zusätzlichen Auslenkbewegung eine die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibende Größe festzulegen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann der Resonator eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, das Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators mit einer Schwingmasse auszuführen. Des Weiteren kann die Steuereinrichtung auch für eine automatisch ausführbare elektrostatische Mitkopplung des Detektionskreises zum Einstellen einer vorteilhaften Detektionsfrequenz ausgebildet sein. Somit erfordert das Einstellen der Antriebfrequenz und/oder der Detektionsfrequenz keinen zusätzlichen Arbeitsaufwand von einem Benutzer des Resonators.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für einen Resonator mit einer Schwingmasse gewährleistet.
Des Weiteren sind die Vorteile über ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators mit einer Schwingmasse realisierbar. Insbesondere kann dabei als Soll-Eigenfrequenz eine Detektionsmode des als Drehratensensor ausgebildeten Resonators vorgegeben werden.
Das über das Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators ausführbare mechanische Frequenztuning führt zu keiner statischen Auslenkung der Schwingmasse aus der Ruhelage. Das mechanische Frequenztuning ermöglicht somit insbesondere eine Anhebung der effektiven Arbeitsfrequenz unter Vermeidung der Probleme des Standes der Technik.
Zusätzlich lässt sich das mechanische Frequenztuning nicht nur als Ersatz für das elektrostatische Frequenztuning verwenden, sondern prinzipiell auch in Kombination mit der elektrostatischen Mitkopplung des Detektionskreises. Auf diese Weise lassen sich trotz Fertigungstoleranzen fest definierte Arbeitsfrequenzen für Antrieb und Detektion einstellen, indem beispielsweise zunächst die Antriebfrequenz durch die mechanische Nichtlinearität auf einen gewünschten Frequenzwert angehoben wird, insbesondere auf 15kHz, und anschließend die Detektionsfrequenz über die elektrostatische Mitkopplung auf den gewünschten Frequenzwert erniedrigt wird. Dies kann vorteilhaft sein, um beispielsweise das Zusammentreffen der Arbeitsfrequenz mit Gehäuseeigenmoden zu vermeiden. Des Weiteren kann ein möglichst enges spektrales Fenster festgelegt werden, innerhalb dessen aus der äußeren Umgebung keine Vibrationsanregung erfolgen dürfen. Auf diese Weise wird die Applikation des Sensors deutlich erleichtert.
Ferner ist denkbar, durch ein kombiniertes Einstellen der mechanischen Nichtlinearität im Antrieb und der elektrostatischen Nichtlinearität denselben Sensor bei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen vollresonant abzugleichen. Dies könnte beispielsweise vorteilhaft sein, um den gleichen Sensortyp in unterschiedlichen Applikationen und/oder Gehäusen zu verwenden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines zweiseitig eingespannten Biegebalkens zum Darstellen eines Beispiels für eine Feder mit einer nichtlinearen Biegesteifigkeit;
2 eine Draufsicht auf zwei Schwingmassen zum Darstellen einer Ausführungsform des Resonators;
3 ein Ausführungsbeispiel für eine Antriebfeder des Resonators der 2;
4 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Resonator; und
5 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Seitenansicht eines zweiseitig eingespannten Biegebalkens zum Darstellen eines Beispiels für eine Feder mit einer nichtlinearen Biegesteifigkeit.
Der dargestellte Biegebalken 10 ist an beiden Enden fest mit je einem Rahmenteil 12 verbunden. In seiner Ruhestellung erstreckt sich der Biegebalken 10 entlang einer Längsachse 14. Mittels eines nicht dargestellten Antriebs kann der Biegebalken 10 in eine Schwingbewegung versetzt werden, in welcher ein von den Rahmenteilen 12 gleich beabstandeter Mittelpunkt 16 des Biegebalkens 10 auf einer senkrecht zu der Längsachse 14 ausgerichteten Schwingachse 18 hin und her schwingt. Die unterbrochenen Linien 20 geben eine maximale Auslenkung des Biegebalkens 10 bei einer Schwingbewegung mit einer Amplitude 22 wieder.
Mit zunehmendem Abstand des Mittelpunkts 16 von der Mittellängsachse 14 erhöht sich die Kraft, welcher der Auslenkung des Biegebalkens 10 aus der Ruhelage entgegenwirkt. Die mittlere Federsteifigkeit, welche einer Schwingbewegung des Biegebalkens 10 entgegenwirkt, ist somit abhängig von der Amplitude 22 der entsprechenden Schwingbewegung. Je größer die Amplitude 22 wird, umso größer wird die mittlere Federsteifigkeit. Unter der mittleren Federsteifigkeit kann eine über eine Amplitude 22 der Schwingbewegung gemittelte momentane Federsteifigkeit verstanden werden. Die mittlere Federsteifigkeit kann auch als effektive Federsteifigkeit bezeichnet werden.
Vorzugsweise nimmt die Kraft, welche der Auslenkung des Biegebalkens 10 aus der Ruhelage entgegenwirkt, mit zunehmendem Abstand des Mittelpunkts 16 von der Längsachse 14 nicht-linear zu. Auch eine momentane Federsteifigkeit des Biegebalkens 10, welche den Biegebalken 10 aus einer aktuellen ausgelenkten Stellung in seine Ruhestellung entlang der Längsachse 14 zurückdrückt, kann einen nichtlinearen Verlauf aufweisen. Insbesondere können die Zunahme der Kraft und die Zunahme der momentanen Federsteifigkeit bei zunehmendem Abstand des Mittelpunkts 16 von der Längsachse 14 starke Nichtlinearitäten aufweisen.
Eine Schwingbewegung des Biegebalkens 10 weist eine von der mittleren Biegesteifigkeit abhängige Eigenfrequenz auf. Eine Zunahme der Amplitude 22 der Schwingbewegung führt deshalb zu einer Steigerung der Eigenfrequenz der Schwingbewegung mit der betreffenden Amplitude 22. Über ein Festlegen einer geeigneten Amplitude 22 ist es somit möglich, eine gewünschte Eigenfrequenz der Schwingbewegung des Biegebalkens 10 zu gewährleisten.
In den folgenden Absätzen wird erläutert, auf welche Weise das hier beschriebene Grundprinzip zum Realisieren eines vorteilhaften Resonators, eines Herstellungsverfahrens für den entsprechenden Resonator und eines Verfahrens zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators verwendbar ist. Auch wenn dabei in der Regel nicht der zweiseitig-eingespannte Biegebalken 10 als Feder mit einer nichtlinearen Biegesteifigkeit verwendet wird, so lässt sich anhand der Beschreibung der vorhergehenden Absätze dennoch das Grundprinzip des Resonators und/oder der Verfahren anschaulich erläutern.
2 zeigt eine Draufsicht auf zwei Schwingmassen zum Darstellen einer Ausführungsform des Resonators.
Der beispielhaft beschriebene Resonator ist als Drehratensensor ausgebildet. Der mikromechanische Drehratensensor kann beispielsweise in einem Fahrzeug als Bestandteil eines ESP-Systems, einer Roll-over-Sensierung und/oder eines Navigationssystems eingesetzt werden.
Es wird hier jedoch auch ausdrücklich darauf verwiesen, dass der beschriebene Drehratensensor lediglich ein Beispiel für einen möglichen Resonator darstellt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen als Drehratensensor ausgebildeten Resonator beschränkt. Stattdessen kann das in den folgenden Absätzen beschriebene Funktionsprinzip des Drehratensensors auch auf andere mechanische Resonatoren angewendet werden.
Der als Drehratensensor ausgebildete Resonator umfasst zwei Schwingmassen 30, welche über mindestens eine Koppelfeder 32 miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind die Schwingmassen 30 über zwei Koppelfedern 32 aneinander gekoppelt. Vorzugsweise sind die zwei Koppelfedern 32 als U-Federn, welche sich parallel zu einer x-Achse erstrecken, ausgebildet. Zwischen jeder der zwei Koppelfedern 32 und einer benachbarten Schwingmasse 30 kann ein parallel zu einer y-Achse ausgerichtetes Stegelement 33 angeordnet sein. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass ein parallel zu einer y-Achse verlaufender Abstand zwischen den beiden Schwingmassen 30 variierbar ist.
Jede der beiden Schwingmassen 30 ist über mindestens eine Verbindungsfeder 34 mit einem eigenen Antriebrahmen 36 verbunden. Die mindestens eine Verbindungsfeder 34 ist dabei so ausgebildet, bzw. so zwischen der zugehörigen Schwingmasse 30 und dem zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 angeordnet, dass die Federsteifigkeit der mindestens einen Verbindungsfeder 34 einer Bewegung der Schwingmasse 30 entlang der x-Achse und entlang der y-Achse in Bezug auf den zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 entgegenwirkt. Beispielsweise sind zwischen der Schwingmasse 30 und dem zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 mindestens zwei U-Federn als Verbindungsfedern 34 befestigt, welche sich teilweise entlang der x-Achse und teilweise entlang der y-Achse erstrecken. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Schwingmasse 30 in Bezug auf den zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 mittels einer vergleichsweise kleinen Kraft entlang einer z-Achse verstellbar ist. Die Bewegung der Schwingmasse 30 entlang der z-Achse in Bezug auf den zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 wird im Weiteren als Detektionsbewegung aus der Ebene des zusammenwirkenden Antriebrahmens 36 bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung der Verbindungsfedern 34 zwischen einer Schwingmasse 30 und dem zusammenwirkenden Antriebrahmen 36 so gewählt, dass die Verbindungsfedern 34 spiegelsymmetrisch zu zwei parallel zu der x-Achse und der y-Achse ausgerichteten Mittelachsen der Schwingmasse 30 ausgerichtet sind. Dies gewährleistet ein sicheres Einhalten einer zu der z-Achse parallel ausgerichteten Detektionsbewegung bei einer auf die Schwingmasse 30 wirkenden Corioliskraft. Auf die Bedeutung dieser Detektionsbewegung wird unten noch eingegangen.
Zusätzlich ist jede der beiden Schwingmassen 30 an einer von der mindestens einen Koppelfeder 32 abgewandten Seite über mindestens eine Außenfeder 44 mit einer Halterung des Drehratensensors verbunden. Die Halterung kann beispielsweise Teile eines Gehäuses des Drehratensensors umfassen. In 2 ist jedoch nur ein Grundsubstrat 46 als Untereinheit der Halterung dargestellt.
Die Außenfedern 44 sind vorzugsweise so ausgebildet, dass die Biegesteifigkeit der Außenfeder 44 bei einem Verstellen der Schwingmasse 30 entlang der y-Achse und/oder entlang der z-Achse in Bezug auf die Halterung vergleichsweise klein ist. Demgegenüber ist es vorteilhaft, wenn die Biegesteifigkeit der mindestens einen Außenfeder 44 einem Verstellen der Schwingmasse 30 entlang der x-Achse in Bezug auf die Halterung mit einer relativ großen Kraft entgegenwirkt. Dies ist beispielsweise realisierbar, indem jede Schwingmasse 30 über zwei Au-ßenfedern 44, welche als parallel zu der x-Achse ausgerichtete U-Federn ausgebildet sind, mit der Halterung verbunden ist. Zwischen den zwei Außenfedern 44 und der zugehörigen Schwingmasse 30 kann zusätzlich ein parallel zu der y-Achse verlaufendes Stegelement 47 angeordnet sein.
Die beiden Antriebrahmen 36 weisen an parallel zu der x-Achse verlaufenden Seitenflächen Aktor-Elektrodenfinger 38 auf. Benachbart zu den Aktor-Elektrodenfingern 38 sind Stator-Elektrodenfinger 40 von Stator-Elektrodenkämmen 42 fest mit einer Halterung des Drehratensensors verbunden. In ihrer spannungslosen Ausgangsstellung sind die Aktor-Elektrodenfinger 38 entlang der y-Achse beabstandet von den zusammenwirkenden Stator-Elektrodenfingern 40 an den Antriebrahmen 36 befestigt. Auf die Funktion der Aktor-Elektrodenfinger 38 und der Stator-Elektrodenfingern 40 wird unten noch eingegangen.
Jeder der Antriebrahmen 36 ist über mindestens eine Antriebfeder 48 mit dem Grundsubstrat 46 verbunden. Die Anordnung von mehreren Antriebfedern 48 zwischen einem Antriebrahmen 36 und dem Grundsubstrat 46 kann so erfolgen, dass die Antriebfedern 48 spiegelsymmetrisch zu einer parallel zu der y-Achse verlaufenden Mittelachsen des Antriebrahmens 36 ausgerichtet sind. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung der Antriebfedern 48 wird sichergestellt, dass eine parallel zu der y-Achse ausgerichtete lineare Schwingbewegung des Antriebrahmens 36 in Bezug auf das Grundsubstrat 46 verlässlich eingehalten wird. Die Funktion der Schwingbewegung wird unten noch erläutert. Zusätzlich können die zwischen einem Antriebrahmen 36 und dem Grundsubstrat 46 angeordneten Antriebfedern 48 auch spiegelsymmetrisch zu einer parallel zu der x-Achse verlaufenden Mittelachsen des Antriebrahmens 36 ausgerichtet sein.
Vorzugsweise ist die Form (in 2 nicht genauer dargestellt) und die Anordnung der mindestens einen Antriebfeder 48 so realisiert, dass die Federsteifigkeit der mindestens einen Antriebfeder 48 einem Verstellen der zugehörigen Schwingmasse 30 entlang der x-Achse und/oder entlang der z-Achse mit einer vergleichsweise großen Kraft entgegenwirkt. Auf eine vorteilhafte Form und Federsteifigkeit der mindestens einen Antriebfeder 48 wird unten noch ausführlicher eingegangen.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Komponenten 30 bis 44, 47 und 48 sind auf einfache Weise und kostengünstig herstellbar. Beispielsweise wird auf dem Grundsubstrat 46 zuerst eine (nicht skizzierte) Ätzstoppschicht aufgebracht. Anschließend wird die Ätzstoppschicht zumindest teilweise mit einer Halbleiter- und/oder Metallschicht abgedeckt.
In einem einfach ausführbaren Ätzschritt können die Komponenten 30 bis 44, 47 und 48 gleichzeitig aus der Halbleiter- und/oder Metallschicht herausstrukturiert werden. Auf die Form der dabei herausstrukturierten mindestens zwei Antriebfedern 48 wird unten noch ausführlicher eingegangen.
Durch ein zumindest teilweises Entfernen der Ätzstoppschicht nach dem Herausstrukturieren der Komponenten 30 bis 44, 47 und 48 ist gewährleistet, dass zumindest einige der Komponenten 30 bis 44, 47 und 48 mittels einer vergleichsweise kleinen Kraft gegenüber dem Grundsubstrat 46 in eine bevorzugte Richtung verstellbar sind und eine vorteilhafte Bewegungsfreiheit aufweisen. Durch ein Nichtentfernen von Restbereichen der Ätzstoppschicht zwischen den Stator-Elektrodenkämmen 42 und dem Grundsubstrat 46, sowie zwischen den Antriebfedern 48 und dem Grundsubstrat 46 wird sichergestellt, dass die Stator-Elektrodenkämme 42 und die Antriebfedern 48 fest mit der Halterung verbunden bleiben.
Weitere Informationen bezüglich des Herstellungsverfahrens des Drehratensensors sind für den Fachmann durch 2 nahegelegt. Es wird hier deshalb nicht genauer auf das Herstellungsverfahren eingegangen.
Im Folgenden wird der Betrieb des Drehratensensors beschrieben:

Über ein Anlegen einer Spannung zwischen zueinander benachbarten Aktor-Elektrodenfingern 38 und Stator-Elektrodenfingern 40 können die Aktor-Elektrodenfinger 38 und der zugehörige Antriebrahmen 36 aus ihrer spannungslosen Ausgangsstellung in Richtung der zusammenwirkenden Stator-Elektrodenfinger 40 verstellt werden. Selbstverständlich kann das gleichzeitige Anlegen von mehreren Spannungen zwischen mindestens zwei Paaren von Elektrodenfingern 38 und 40 so ausgeführt werden, dass jeder der beiden Antriebrahmen 36 mit der daran angekoppelten Schwingmasse 30 in die oben schon erwähnte lineare Schwingbewegung entlang der y-Achse versetzt wird.

Bei einem Betrieb des Drehratensensors erfolgt das Anlegen der Spannungen zwischen den Elektrodenfingern 38 und 40 vorzugsweise so, dass die beiden Antriebrahmen 36 in anti-parallele lineare Schwingbewegungen versetzt werden. Man spricht dabei auch von gegenphasigen Schwingbewegungen der beiden Antriebrahmen 36. Die Phasendifferenz zwischen den linearen Schwingbewegungen der beiden Antriebrahmen 36 ist 180°, sodass bei einem Schwingen des einen Antriebrahmens 36 in die positive y-Richtung der andere Antriebrahmen 36 in die negative y-Richtung bewegt wird.
Jede der beiden Schwingmassen 30 schwingt gleichphasig mit dem zusammenwirkenden Antriebrahmen 36. Somit führen bei einem Betrieb des Drehratensensors auch die beiden Schwingmassen 30 gegenphasige Schwingbewegungen mit einer Phasendifferenz von 180° aus.
Bei einer Drehbewegung des aktivierten Drehratensensors um eine in der xz-Ebene liegende Rotationsachse wirken Corioliskräfte auf die beiden Schwingmassen 30. Aufgrund der gegenphasigen Schwingbewegungen der Schwingmassen 30 sind die wirkenden Corioliskräfte entgegen gerichtet. Somit wird jede der beiden Schwingmassen 30 durch die Corioliskräfte in eine andere Richtung aus der Ebene des zusammenwirkenden Antriebrahmens 36 verstellt.
Beispielsweise bewirkt eine Drehbewegung des Drehratensensors um die x-Achse parallel zu der z-Achse ausgerichtete Corioliskräfte, durch welche eine erste Schwingmasse 30 in die positive z-Richtung und die zweite Schwingmasse 30 in die negative z-Richtung ausgelenkt wird. Mittels einer geeigneten Sensoreinrichtung sind diese parallel zu der z-Achse ausgerichteten Auslenkbewegungen/Detektionsbewegungen der Schwingmassen 30 erfassbar und bzgl. einer die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibenden Größe auswertbar. Eine derartige Größe kann beispielsweise eine räumlichen Lage der Rotationsachse, eine Drehrate und/oder eine Drehgeschwindigkeit des Drehratensensors sein.
Da Verfahren zum Detektieren der Auslenkbewegungen/Detektionsbewegungen der Schwingmassen 30 und zum Ermitteln einer die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibenden Größe anhand der festgestellten Auslenkbewegungen/Detektionsbewegungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
Die durch die Corioliskräfte bewirkten Auslenkbewegungen/ Detektionsbewegungen der Schwingmassen 30 können als Detektionsmoden bezeichnet werden. Der anhand der 2 dargestellte Drehratensensor weist den Vorteil auf, dass die als Antriebfrequenz bezeichnete Eigenfrequenz der linearen Schwingbewegungen mit der Eigenfrequenz der Detektionsmode, welche auch als Detektionsfrequenz bezeichenbar ist, übereinstimmt. Dies gewährleistet eine signifikante Auslenkbewegung/ Detektionsbewegung der Schwingmassen 30 als Antwort auf eine Drehbewegung des Drehratensensors und ein vorteilhaft großes Signal-Untergrund-Verhältnis. Die Größe, welche die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibt, lässt sich somit mit einer hohen Genauigkeit und einer geringen Fehlerrate sicher bestimmen.
Die Eigenfrequenz der Antriebmode ist abhängig von den Massen der Schwingmassen 30 und der Antriebrahmen 36 sowie von den Federkonstanten der Federn 32, 44 und 48. Die Federkonstante einer Feder 32, 44 oder 48 hängt von der mittleren (effektiven) Federsteifigkeit der Feder 32, 44 oder 48 ab, welche sich über eine Mittelung der momentanen Federsteifigkeit der Feder 32, 44 oder 48 über eine gesamte Periode einer Schwingbewegung der Antriebrahmen 36 ergibt. Dabei kann mindestens eine der Federn 32, 44 oder 48 so ausgebildet sein, dass sie bei einer Schwingbewegung der Antriebrahmen 36 mit einer ersten Amplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einer Schwingbewegung der Antriebrahmen 36 mit einer größeren zweiten Amplitude eine größere zweite mittlere Federsteifigkeit aufweist. Auf eine mögliche Ausführungsform einer derartigen Feder 32, 44 oder 48 wird unten noch eingegangen.
Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erste Amplitude und die zweite Amplitude Betriebsamplituden sind, d.h. dass der Antrieb mit den Elektrodenfingern 38 und 40 während eines Betriebs dazu ausgelegt ist, die Schwingmassen 30 in die Schwingbewegung mit der ersten Amplitude und die Schwingbewegung mit der zweiten Amplitude zu versetzen. Mindestens eine der Federn 32, 44 oder 48 unterscheidet sich somit von herkömmlicherweise verwendeten Federn eines Resonators, indem sie speziell für die Betriebsamplituden eine amplitudenabhängige Federsteifigkeit aufweist. Eine herkömmlicherweise verwendete Feder eines Resonators ist hingegen so ausgebildet, dass die für die Betriebsamplituden eine amplitudenunabhängige Federsteifigkeit aufweist. Die Feder des herkömmlichen Resonators verliert in der Regel erst bei einem Deformieren der Feder die amplitudenunabhängige Federsteifigkeit.
Somit ist der anhand der 1 beschriebene Grundgedanke auf den Drehratensensor der 2 übertragbar: Über das Festlegen der Amplitude der Schwingbewegungen der Antriebrahmen 36 und der Schwingmassen 30 ist die mittlere Federsteifigkeit mindestens einer der Federn 32, 44 und 48 variierbar und somit die Eigenfrequenz der Schwingbewegung auf eine vorteilhafte Soll-Eigenfrequenz einstellbar.
Vorzugsweise wird dazu mindestens eine der Federn 32, 44 oder 48 so ausgebildet, dass sie eine nicht-lineare Federsteifigkeit bezüglich der Schwingbewegung der Antriebrahmen 36 entlang der y-Achse aufweist. Insbesondere kann die mindestens eine Feder 32, 44 oder 48 eine Federsteifigkeit mit einer starken Nichtlinearität haben.
Aufgrund der in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Ausbildung mindestens einer der Federn 32, 44 oder 48 kann die Antriebfrequenz auf die Detektionsfrequenz eingestellt werden. Man kann dies auch als mechanisches Einstellen der Antriebfrequenz auf die Detektionsfrequenz bezeichnen. Dabei wird eine Soll-Amplitude der Schwingbewegungen der Antriebrahmen 36 und der Schwingmassen 30 für einen weiteren Betrieb des Drehratensensors so festgelegt, dass die der Soll-Amplitude entsprechende Antriebfrequenz mit der Detektionsfrequenz übereinstimmt. Ein Beispiel für ein entsprechendes Verfahren zum Einstellen der Antriebfrequenz wird unten noch beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausbildung des Drehratensensors sind die Antriebfedern 48 so ausgebildet, dass jede der Antriebfedern 48 bei einem Schwingen eines von dem Grundsubstrat 46 abgewandten Endes der Antriebfeder 48 entlang der y-Achse mit einer ersten Amplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einem Schwingen des von dem Grundsubstrat 46 abgewandten Endes mit einer größeren zweiten Amplitude eine größere zweite mittlere Biegesteifigkeit aufweist. Vorzugsweise weist jede der Antriebfedern 48 bezüglich der Wegstrecke, um welche das von dem Grundsubstrat 46 abgewandte schwingende Ende entlang der y-Achse bewegt wird, eine nicht-lineare Federsteifigkeit auf. Demgegenüber weisen die Federn 32 und 44 vorteilhafterweise eine von der Amplitude der Schwingbewegungen der Antriebrahmen 36 unabhängige Federkonstante auf.
Die Federsteifigkeit der Antriebfedern 48 beeinflusst die Antriebfrequenz, jedoch nicht die Detektionsfrequenz. Somit lässt sich über ein Festlegen von vorteilhaften mittleren Federsteifigkeiten der Antriebfedern 48 durch Vorgeben einer geeigneten Amplitude für die Schwingbewegungen der Antriebrahmen 36 die Antriebfrequenz auf eine bevorzugte Soll-Frequenz, beispielsweise auf die Detektionsfrequenz, abgleichen. Insbesondere lässt sich auf diese Weise bei einer Grundfrequenz von 15kHz der Schwingbewegungen eine Frequenzverschiebung der Antriebfrequenz von mehreren kHz realisieren. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass keine nicht-linearen Auswirkungen auf die Detektionsfrequenz auftreten.
Der hier beschriebene Drehratensensor ist jedoch nicht auf das ausschließliche Ausbilden der Antriebfedern 48 als Federn mit einer von einer Amplitude einer Schwingbewegung abhängigen mittleren Federsteifigkeit oder nicht-linearen Federsteifigkeit beschränkt. Als Alternative oder als Ergänzung zu der in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen Ausführungsform kann auch mindestens eine der Federn 32 und 44 so ausgebildet werden, dass sie eine von einer Amplitude einer Schwingbewegung abhängige mittlere Federsteifigkeit hat. Somit kann auch mindestens eine der Federn 32 und 44 für ein nicht-lineares Tuning der mittleren Federsteifigkeit durch Vorgeben einer geeigneten Amplitude der Schwingbewegungen der Antriebrahmen 36 verwendet werden.
In einer Weiterbildung des Drehratensensors kann zusätzlich zu dem mechanischen Einstellen/Variieren der Antriebfrequenz auch ein elektrostatisches Einstellen/Variieren der Detektionsfrequenz ausgeführt werden. Dabei wird genutzt, dass die Schwingmassen 30 als Elektroden ausgebildet sind, welche mit (nicht dargestellten) Gegenelektroden, die fest an der Halterung angeordnet sind, zusammenwirken. Wird zwischen einer als Elektrode ausgebildeten Schwingmasse 30 und der zusammenwirkenden Gegenelektrode eine Spannung U ungleich 0V angelegt, so ergibt sich die zwischen den Elektroden wirkende elektrische Kraft Fel aus der Grundkapazität C0 und der Spannung U gemäß der Gleichung (GI 1): $F e l = \frac{1}{2} \cdot \frac{d C 0}{d z} \cdot U^{2}$
Die Gesamtkraft Fges ergibt sich somit gemäß Gleichung (Gl 2) aus der Summe einer Federkraft Ff einer Feder mit einer Federkonstante k und der elektrischen Kraft Fel: $F g e s = F f + F e l = - k z + \frac{1}{2} \cdot \frac{d C 0}{d z} \cdot U^{2}$
Anhand der Gesamtkraft Fges lässt sich nach Gleichung (Gl 3) eine effektive Federkonstante keff der Detektionsmode berechnen: $k e f f = - \frac{d F g e s}{d z} = k - \frac{1}{2} \cdot \frac{d^{2} C 0}{d z^{2}} \cdot U^{2}$
Für einen Plattenkondensator aus einer Schwingmasse 30 und einer Gegenelektrode ist die zweite Ableitung der Grundkapazität C0 positiv. Der spannungsabhängige Zusatzbetrag der Gleichung (Gl 3), welcher sich aus der elektrostatischen Kraft Fel ergibt, führt somit meistens zu einer Reduzierung der effektiven Federsteifigkeit keff. Die elektrostatische Mitkopplung ist somit eine Möglichkeit zum Reduzieren der Detektionsfrequenz. Somit kann in einer Weiterbildung des Drehratensensors zusätzlich zu einer Steigerung der Antriebfrequenz auch eine Reduzierung der Detektionsfrequenz ausgeführt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Antriebfeder des Resonators der 2.
Die dargestellte Antriebfeder 48 ist von einer Untereinheit eines (nur teilweise skizzierten) Antriebrahmens 36 umgeben. Die Antriebfeder 48 ist an einem Aufhängepunkt 50 mit dem Grundsubstrat 46 verbunden. Die feste Anbindung der Antriebfeder 48 an das Grundsubstrat 46 am Aufhängepunkt 50 ist beispielsweise durch eine zwischen dem Aufhängepunkt 50 und dem Grundsubstrat 46 nicht entfernte Restschicht der Ätzstoppschicht gewährleistet.
Die Antriebfeder 48 weist drei zueinander parallel verlaufende Balken 52 und 54 auf, wobei der Aufhängepunkt 50 mittig am mittleren Balken 52 angeordnet ist. Die Balken 52 und 54 können auch als Teilfedern bezeichnet werden.
Der mittlere Balken 52 ist an jedem Ende über je eine U-Verbindung 56 mit den benachbarten Enden der beiden äußeren Balken 54 verbunden. Die Balken 52 und 54 und die U-Verbindungen 56 ergeben somit vier U-Federn, welche parallel zur x-Achse ausgerichtet sind. Vorzugsweise umfasst jede der U-Verbindungen 56 zwei parallel zueinander verlaufende Verbindungsstege, welche jeweils ein Ende des mittleren Balkens 52 mit einem benachbarten Enden eines äußeren Balkens 54 verbinden.
Jede der beiden äußeren Balken 54 ist über ein Verbindungsteil 58 mit dem Antriebrahmen 36 verbunden. Vorzugsweise ist jedes der Verbindungsteile 58 mittig auf dem zugehörigen äußeren Balken 54 angeordnet.
Aufgrund der Ausbildung der Antriebfeder 48 ist gewährleistet, dass der Antriebrahmen 36 mittels einer geringen Kraft entlang der y-Achse gegenüber dem Grundsubstrat 46 verstellbar ist. Demgegenüber muss für ein Verstellen des Antriebrahmens 36 entlang der x-Achse eine Kraft aufgewendet werden, welche zu einem Beschädigen des Drehratensensors führen kann.
Zusätzlich kann die Antriebfeder 48 über ein Festlegen der Breite B1 der äußeren Balken 54 und der Breite B2 des mittleren Balkens 52 entweder als Feder mit einer amplitudenunabhängigen Federsteifigkeit/Federkonstante für die Betriebsamplituden oder als Feder mit einer von einer Amplitude einer Schwingbewegung des Antriebrahmens 36 entlang der y-Achse abhängigen Federsteifigkeit/Federkonstante für die Betriebsamplituden ausgebildet werden.
Über das Herausstrukturieren der Antriebfeder 48 mit geeigneten Werten für die Breiten B1 und B2 der Balken 52 und 54 lässt sich somit für eine bestimmte Gesamt-Federsteifigkeit der Antriebfeder 48 eine gewünschte amplitudenunabhängige Federsteifigkeit/Federkonstante bzw. lineare Federsteifigkeit der Antriebfeder 48 realisieren.
Alternativ kann die Antriebfeder 48 auch so geformt werden, dass aufgrund einer entsprechenden Festlegung der Breiten B1 und B2 der Balken 52 und 54 eine gewünschte Nichtlinearität der Biegesteifigkeit der Antriebfeder 48 vorliegt. Die Antriebfeder 48 weist in diesem Fall eine amplitudenabhängige Federsteifigkeit (Federkonstante) auf. Bei gleicher Gesamt-Federsteifigkeit lässt sich somit ein großer Wertebereich an Nichtlinearitäten für die Antriebfeder 48 realisieren.
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für einen Resonator.
In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Antrieb an einen im Weiteren hergestellten Resonator angebracht. Der Antrieb wird dazu ausgelegt, während eines späteren Betriebs des Resonators eine Schwingmasse in Bezug auf eine Halterung des Resonators in eine Schwingbewegung zu versetzen. Insbesondere kann der Antrieb die Schwingmasse zu der Schwingbewegung mit unterschiedlichen Amplituden anregen, wobei die jeweils zur Anregung verwendete Amplitude aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude vorgebbar ist.
In einem vorausgehenden, nachfolgend oder gleichzeitig ausgeführten Verfahrensschritt S2 wird die Schwingmasse mit der Halterung über eine Feder verbunden. Die Bezeichnungen S1 und S2 der Verfahrensschritte legen keine zeitliche Reihenfolge fest.
Das Verbinden der Schwingmasse mit der Halterung über eine Feder erfolgt dabei so, dass die Feder so ausgebildet wird, dass einer Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit der Feder entgegenwirkt und einer Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder, welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder ist, entgegenwirkt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass über ein Vorgeben einer Amplitude aus dem Amplitudenbereich, mit welcher die Schwingmasse in Bezug auf die Halterung in die Schwingbewegung versetzt wird, eine vorteilhafte mittlere Federsteifigkeit der Feder festlegbar ist. Über das Festlegen der mittleren Federsteifigkeit kann die Eigenfrequenz der Schwingbewegung auf eine bevorzugte Soll-Eigenfrequenz eingestellt werden.
Beispielsweise erfolgt das Verbinden der Schwingmasse mit der Halterung durch Herausätzen der Schwingmasse und der Feder aus einer Halbleiter- und/oder Metallschicht, welche über einem Grundsubstrat als Untereinheit der Halterung angeordnet ist. Die Feder wird dabei in einer Form aus der Halbleiter- und/oder Metallschicht herausstrukturiert, welche die gewünschte amplitudenabhängige Federsteifigkeit für die mindestens zwei Betriebsamplituden gewährleistet. Ein Beispiel für eine geeignete Form der Feder ist oben anhand der 3 beschrieben.
Das anhand der 4 wiedergegebene Herstellungsverfahren eines Resonators ermöglicht ein kostengünstiges Herstellen eines Resonators, bei welchem die Eigenfrequenz der Schwingbewegung der Schwingmasse durch den Hersteller und/oder den Benutzer auf eine vorteilhafte Soll-Eigenfrequenz einstellbar ist. Eine leicht ausführbare Ausführungsform zum Einstellen der Eigenfrequenz der Schwingbewegung auf eine vorteilhafte Soll-Eigenfrequenz wird in den folgenden Absätzen beschrieben.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators.
Das Verfahren ist ausführbar mittels eines Resonators mit einer Schwingmasse, welche über eine Feder mit einer Halterung des Resonators verbunden ist und während eines Betriebs des Resonators in Bezug auf die Halterung in eine Schwingbewegung mit einer Amplitude aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude versetzbar ist. Gleichzeitig ist die Feder des geeigneten Resonators so ausgebildet, dass die Feder bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit, welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit ist, aufweist.
In einem Verfahrensschritt S10 wird die Schwingmasse nacheinander zumindest in eine Schwingbewegung mit einer ersten Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich und in eine Schwingbewegung mit einer zweiten Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich versetzt. Für jede Amplitude, mit welcher die Schwingmasse in die Schwingbewegung versetzt wird, wird in Verfahrensschritt S10 ein Abweichungswert bezüglich einer amplitudenabhängigen Ist-Eigenfrequenz der Schwingbewegung von einer vorgegebenen Soll-Eigenfrequenz der Schwingbewegung ermittelt. Selbstverständlich können in einer Weiterbildung des hier beschriebenen Verfahrens mehr als zwei Amplituden des Amplitudenbereichs bzgl. eines Übereinstimmens der Ist-Eigenfrequenz mit der Soll-Eigenfrequenz untersucht werden.
Beispielsweise werden die mindestens zwei Ist-Eigenfrequenzen der Schwingbewegung mittels eines geeigneten Messgeräts gemessen. Anschließend kann als Abweichungswert eine Differenz für jede gemessene Ist-Eigenfrequenz von der vorgegebenen Soll-Eigenfrequenz berechnet werden.
Als Alternative dazu ist es auch möglich, das Übereinstimmen einer Ist-Eigenfrequenz von der vorgegebenen Soll-Eigenfrequenz über eine Frequenzantwort zu ermitteln. Beispielsweise ist die vorgegebene Soll-Eigenfrequenz eine Eigenfrequenz einer Bewegungsmode der Schwingmasse, welche zusätzlich zu der Schwingbewegung der Schwingmasse ausführbar ist. Der Abweichungswert kann in diesem Fall keine Frequenzdifferenz, sondern eine Information über die Frequenzantwort, welche von der Übereinstimmung der Ist-Eigenfrequenz mit der Soll-Eigenfrequenz abhängig ist, sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die vorgegebene Soll-Eigenfrequenz eine als Detektionsfrequenz bezeichneten Eigenfrequenz einer Detektionsmode eines Drehratensensors. Das Übereinstimmen einer Ist-Eigenfrequenz mit der Detektionsfrequenz ist in diesem Fall anhand einer signifikanten Auslenkbewegung der Schwingmasse bei einer Drehbewegung des aktivierten Drehratensensors um eine Rotationsachse feststellbar. Ist die Differenz zwischen einer Ist-Eigenfrequenz und der Detektionsfrequenz vernachlässigbar klein, so ist das Signal-Rausch-Verhältnis vergleichsweise groß.
In einem weiteren Verfahrensschritt S11 wird anhand der mindestens zwei ermittelten Abweichungswerte eine optimierte Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich so festgelegt, dass die der optimierten Amplitude zugeordnete Ist-Eigenfrequenz der Schwingbewegung höchstens um eine vorgegebene Soll-Differenz von der Soll-Eigenfrequenz abweicht. Beispielsweise wird als optimierte Amplitude eine Amplitude aus der Menge der in Verfahrensschritt S10 bezüglich ihrer Eignung untersuchten Amplituden ermittelt, bei welcher die Ist-Eigenfrequenz mit der vorgegebenen Soll-Eigenfrequenz möglichst gut übereinstimmt.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt S12 wird die optimierte Amplitude als Soll-Amplitude der Schwingbewegung der Schwingmasse für einen weiteren Betrieb des Resonators vorgegeben.

Claims

Resonator mit: einer Halterung (46); einer Schwingmasse (30,34,36); einem Antrieb (38,40), welcher dazu ausgelegt ist, während eines Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in eine Schwingbewegung zu versetzen; und einer Feder (32,44,48), über welche die Schwingmasse (30,34,36) mit der Halterung (46) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (38,40) dazu ausgelegt ist, während des Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in die Schwingbewegung mit einer Amplitude (22) aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude zu versetzen, und die Feder (32,44,48) so ausgebildet ist, dass die Feder (32,44,48) bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit, welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit ist, aufweist.
Resonator nach Anspruch 1, wobei die zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder (32,44,48) mindestens um einen Faktor 1.5 größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder (32,44,48) ist.
Resonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erstes Ende (58) der Feder (48), an welchem die Schwingmasse (30,34,36) angeordnet ist, bei der Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Maximalamplitude über eine Wegstrecke bewegt wird, und wobei eine zwischen einem zweiten Ende (50) der Feder (48), welches an der Halterung (46) angeordnet ist, und dem ersten Ende (58) der Feder (48) vorliegende Federsteifigkeit der Feder (48) entlang der Wegstrecke einen nicht-linearen Verlauf zeigt.
Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (48) drei parallel zueinander ausgerichtete Balken (52,54) umfasst, von denen die beiden äußeren Balken (54) mit dem ersten Ende (58) eine erste Breite (B1) und der mittlere Balken (52) mit dem zweiten Ende (50) eine zweite Breite (B2) aufweisen.
Drehratensensor mit einem Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und einer Sensor- und Auswerteeinrichtung, welche bei einer Drehbewegung des Drehratensensors dazu ausgelegt ist, eine durch eine Corioliskraft bewirkte zusätzliche Auslenkbewegung der in die Schwingbewegung versetzten Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) zu ermitteln und anhand der ermittelten zusätzlichen Auslenkbewegung eine die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibende Grö-ße festzulegen.
Herstellungsverfahren für einen Resonator mit einer Schwingmasse (30,34,36) mit den Schritten: Verbinden der Schwingmasse (30,34,36) mit einer Halterung (46) des Resonators über eine Feder (32,44,48); und Anbringen eines Antriebs (38,40), welcher dazu ausgelegt wird, während eines Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in eine Schwingbewegung zu versetzen; dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (38,40) dazu ausgelegt wird, während des Betriebs des Resonators die Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) in die Schwingbewegung mit einer Amplitude (22) aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude zu versetzen; und die Feder (32,44,48) so ausgebildet wird, dass einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit der Feder (32,44,48) entgegenwirkt und einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit der Feder (32,44,48), welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit der Feder (32,44,48) ist, entgegenwirkt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, wobei die Feder (48) so aus einer Halbleiter und/oder Metallschicht herausstrukturiert wird, dass die Feder (48) drei parallel zueinander ausgerichtete Balken (52,54) umfasst, wobei die beiden äußeren Balken (54) mit einer ersten Breite (B1) und der mittlere Balken (52) mit einer zweiten Breite (B2) aus der Halbleiter und/oder Metallschicht herausstrukturiert werden.
Herstellungsverfahren für einen Drehratensensor mit den Schritten: Herstellen eines Resonators gemäß dem Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder 7; und Anbringen einer Sensor- und Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt wird, bei einer Drehbewegung des Drehratensensors eine durch eine Corioliskraft bewirkte zusätzliche Auslenkbewegung der in die Schwingbewegung versetzten Schwingmasse (30,34,36) in Bezug auf die Halterung (46) zu ermitteln und anhand der ermittelten zusätzlichen Auslenkbewegung eine die Drehbewegung des Drehratensensors beschreibende Größe festzulegen.
Verfahren zum Einstellen einer Eigenfrequenz eines Resonators mit einer Schwingmasse (30,34,36), welche über eine Feder (32,44,48) mit einer Halterung (46) des Resonators verbunden ist und während eines Betriebs des Resonators in Bezug auf die Halterung (46) in eine Schwingbewegung mit einer Amplitude (22) aus einem Amplitudenbereich mit mindestens einer vorgegebenen Minimalamplitude und einer vorgegebenen Maximalamplitude versetzbar ist, wobei die Feder (32,44,48) so ausgebildet ist, dass die Feder (32,44,48) bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Minimalamplitude eine erste mittlere Federsteifigkeit und bei einer Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) mit der vorgegebenen Maximalamplitude eine zweite mittlere Federsteifigkeit, welche größer als die erste mittlere Federsteifigkeit ist, aufweist, mit den Schritten: Versetzen der Schwingmasse (30,34,36) nacheinander zumindest in eine Schwingbewegung mit einer ersten Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich und in eine Schwingbewegung mit einer zweiten Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich, wobei für jede Amplitude, mit welcher die Schwingmasse (30,34,36) in die Schwingbewegung versetzt wird, ein Abweichungswert bezüglich einer amplitudenabhängigen Ist-Eigenfrequenz der Schwingbewegung von einer vorgegebenen Soll-Eigenfrequenz der Schwingbewegung ermittelt wird; Festlegen einer optimierten Amplitude aus dem vorgegebenen Amplitudenbereich anhand der mindestens zwei ermittelten Abweichungswerte, wobei die optimierte Amplitude so festgelegt wird, dass die der optimierten Amplitude zugeordnete Ist-Eigenfrequenz der Schwingbewegung höchstens um eine vorgegebene Soll-Differenz von der Soll-Eigenfrequenz abweicht; und Vorgeben der optimierten Amplitude als Soll-Amplitude der Schwingbewegung der Schwingmasse (30,34,36) für einen weiteren Betrieb des Resonators.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Soll-Eigenfrequenz eine Detektionsmode des als Drehratensensor ausgebildeten Resonators vorgegeben wird.