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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 03 / 058 167 A1 ein Drehratensensor mit einem Substrat und zwei Coriolis-Elementen bekannt, wobei die Coriolis-Elemente zu zueinander antiparallelen Schwingungen parallel zum Substrat entlang einer ersten Achse X anregbar sind, so dass bei der Anwesenheit einer zum Substrat senkrechten Drehrate entlang einer dritten Richtung Z antiparallele Auslenkungen der Coriolis-Elemente entlang einer zur ersten Richtung X und zur dritten Richtung Z jeweils senkrechten zweiten Richtung Y hervorgerufen werden, welche zur Bestimmung der Drehrate detektierbar sind und wobei der Drehratensensor kraftvermittelnde Mittel zwischen dem Substrat und den Coriolis-Elementen in Form von Kompensationsstrukturen aufweist, wobei die Kompensationsstrukturen eine Mehrzahl von asymmetrisch ausgebildeten Ausschnitten im Coriolis-Element und in die Ausschnitte eingreifende fest mit dem Substrat verbundene Kompensationselektroden umfassen. Die Kompensationsstrukturen sind zur Kompensation einer 1f-Quadraturstörgröße vorgesehen, welche aus fertigungsbedingten Imperfektionen im Sensoraufbau entsteht und zu einer Modulation der Detektionssignale mit der Antriebsfrequenz und somit zu ungewünschten Offsetsignalen im Detektionszweig führen. Die 1f-Quadraturstörgröße weist somit die gleiche Frequenz wie die Schwingung auf. Darüberhinaus gibt es eine 2f-Quadraturstörgröße, welche die doppelte Frequenz der Schwingung umfasst und zu einer Übersteuerung im Detektionszweig führen kann. Es ist bekannt die 2f-Quadraturstörgröße durch eine geeignete Dimensionierung einer Koppelfeder zwischen den zwei Coriolis-Elementen zu unterdrücken. Nachteiligerweise ändert sich die Quadratur durch äußere Einflüsse (beispielsweise durch Temperaturänderungen oder Substratverbiegungen durch „Package-Stress“), während die Dimensionierung der Koppelfeder nachträglich und insbesondere im Betrieb des Drehratensensors nicht anpassbar ist. Folglich ist eine Modifikation der 2f-Quadraturstörgröße durch eine geeignete Dimensionierung der Koppelfeder nicht praktikabel. Darüberhinaus führt eine vollständige Unterdrückung der 2f-Quadraturstörgröße dazu, dass der Drehratensensor eine zu geringe Grundaussteuerung hat und dadurch die Funktionalität des Drehratensensors insbesondere bei kleinen Drehraten beeinträchtigt wird. Ähnliche Drehratensensoren sind ebenfalls aus den Druckschriften
US 7 316 161 B2 und
DE 102 48 736 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine aktive Anregung der 2f-Quadraturstörgröße ermöglicht wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Größe der 2f-Quadraturstörgröße insbesondere variabel einstellbar und nachjustierbar, so dass der Drehratensensor im Hinblick auf seine Aussteuerung permanent und unabhängig von äußeren Einflüssen oder herstellungsbedingten Imperfektionen optimierbar ist. Insbesondere wird somit die Einstellung einer ausreichend großen Grundaussteuerung ermöglicht, ohne dass die Gefahr einer Übersteuerung besteht. Dies wird dadurch erreicht, dass der erfindungsgemäße Drehratensensor im Gegensatz zum Stand der Technik ein Störelement aufweist, welches zur aktiven Anregung des Coriolis-Elements zur Störschwingung vorgesehen ist, so dass insbesondere eine aktive Anregung der 2f-Quadraturstörgröße erzielt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Störelement eine mit dem Substrat verbundene Festelektrode aufweist, welche parallel zur Haupterstreckungsebene in einer Aussparung des Coriolis-Elements angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird die Störschwingung somit durch eine direkte elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem Coriolis-Element und der Festelektrode anregbar, wobei die Größe der Störschwingung, d.h. insbesondere die Amplitude der Störschwingung in einfacher Weise durch Anlegen einer entsprechenden Potentialdifferenz zwischen der Festelektrode und dem Coriolis-Element einstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aussparung in der Haupterstreckungsebene C-förmig ausgebildet ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet C-förmig ausgebildet, dass in die Aussparung ein Vorsprung des Coriolis-Elements vorzugsweise parallel zur zweiten Richtung hineinragt, wobei der Vorsprung entlang der ersten Richtung besonders bevorzugt im Wesentlichen mittig in der Aussparung angeordnet ist. Durch den Vorsprung werden entlang der ersten Richtung zwei Schenkel der Aussparung voneinander getrennt, welche sich dabei vorzugsweise parallel zur zweiten Richtung Y und senkrecht zur Antriebsschwingung erstrecken. Die C-förmige Ausbildung hat den Vorteil, dass lediglich durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Festelektrode und dem Coriolis-Element eine Anregung der Störschwingung mit einer doppelten Frequenz der Antriebsschwingung erzeugt wird, da pro Anregungsperiode die Festelektrode zweimal den Vorsprung zwischen den Schenkel der Aussparung passiert und somit eine Anregungskraft parallel zur Antriebsschwingung, insbesondere parallel zur ersten Richtung X mit der doppelten Frequenz der Antriebsschwingung zur Anregung der Störschwingung, insbesondere der 2f-Quadraturstörgröße erzeugt wird. Dem Fachmann ist selbstverständlich klar, dass alternativ eine auch gegenüber der zweiten Richtung symmetrische Ausbildung der Aussparung realisierbar ist, wobei in diesem Fall eine Wechselspannung zwischen der Festelektrode und dem Coriolis-Element angelegt wird, welche die doppelte Frequenz der Antriebsschwingung aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Störschwingung eine Frequenz aufweist, welche im Wesentlichen doppelt so groß wie die Frequenz der Antriebsschwingung ist und/oder dass die Störschwingung parallel zur Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine 2f-Quadraturstörgröße angeregt, so dass die Aussteuerung des Drehratensensors optimal anpassbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehratensensor Kompensationselemente zur Anregung von Kompensationskräften umfasst, wobei insbesondere die Kompensationselemente mit dem Substrat verbundene Kompensationselektroden umfassen, welche in der Haupterstreckungsebene jeweils in Kompensationsaussparungen des Coriolis-Elements angeordnet sind, wobei die Kompensationsaussparungen vorzugsweise L- und/oder S-förmig ausgebildet sind und wobei die Kompensationskräfte vorzugsweise eine Frequenz aufweisen, welche im Wesentlichen gleich der Frequenz der Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine Kompensation der 1f-Quadraturstörgröße erzielt, wodurch ein Offset im Detektionszweig unterdrückt wird und welche für die Einstellung der Aussteuerung des Drehratensensors nicht benötigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehratensensor ein zum Coriolis-Element im Wesentlichen baugleiches weiteres Coriolis-Element aufweist, welches über ein Federelement mit dem Coriolis-Element gekoppelt ist, wobei das weitere Coriolis-Element mittels weiterer Antriebsmittel zu einer weiteren Antriebsschwingung antiparallel zur Antriebsschwingung anregbar ist und wobei eine weitere Auslenkung des weiteren Coriolis-Elements antiparallel zur Auslenkung nachweisbar ist, wobei der Drehratensensor ein weiteres Störelement zur Anregung einer weiteren Störschwingung aufweist, wobei das weitere Störelement insbesondere eine mit dem Substrat verbundene weitere Festelektrode aufweist, welche parallel zur Haupterstreckungsebene in einer weiteren Aussparung des weiteren Coriolis-Elements angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit ein differenzieller Drehratensensor bereitgestellt, welcher eine differenzielle und somit genauere Auswertung der Drehrate erlaubt. Das weitere Coriolis-Element ist insbesondere baugleich zum Coriolis-Element, aber gegenüber einer mittig entlang der ersten Richtung X und einer zur ersten und zur zweiten Richtung X, Y jeweils senkrecht dritten Richtung Z durch den Drehratensensor verlaufenden Symmetrieebene gespiegelt ausgebildet, wobei das weitere Coriolis-Element vorzugsweise weitere Kompensationselemente zur Anregung von weiteren Kompensationskräften umfasst, wobei insbesondere die weiteren Kompensationselemente mit dem Substrat verbundene weitere Kompensationselektroden umfassen, welche in der Haupterstreckungsebene jeweils in weiteren Kompensationsaussparungen des weiteren Coriolis-Elements angeordnet sind, wobei die weiteren Kompensationsaussparungen vorzugsweise L- und/oder S-förmig ausgebildet sind und wobei die weiteren Kompensationskräfte vorzugsweise eine Frequenz aufweisen, welche im Wesentlichen gleich der Frequenz der Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise wird somit auch beim weiteren Coriolis-Element eine Kompensation der 1f-Quadraturstörgröße erzielt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die weitere Aussparung in der Haupterstreckungsebene C-förmig ausgebildet ist, wobei die die Aussparung und die weitere Aussparung bezüglich des Federelements vorzugsweise spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind, so dass in vorteilhafter Weise von dem Störelement und dem weiteren Störelement keine resultierende ungewünschte Störschwingung parallel zur zweiten Richtung Y angeregt wird, da sich die jeweiligen Komponenten entlang der zweiten Richtung Y gegenseitig gerade kompensieren und somit lediglich eine Störschwingung, d.h. die 2f-Quadraturstörgröße entlang der ersten Richtung X erzeugt wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors, wobei das erste Coriolis-Element durch das Antriebsmittel zur Antriebsschwingung angeregt wird und wobei mittels des Störelements die Störschwingung des Coriolis-Elements mit einer Frequenz angeregt wird, welche insbesondere im Wesentlichen doppelt so groß wie die Frequenz der Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber dem Stand der Technik eine gezielte Einstelllung der Drehratensensoraussteuerung, in dem gezielt eine 2f-Quadraturstörgröße erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels der Kompensationselemente Kompensationskräfte auf das erste Coriolis-Element mit einer Frequenz erzeugt werden, welche im Wesentlichen der Frequenz der Antriebsschwingung entspricht, so dass in vorteilhafter Weise die 1f-Quadraturstörgröße unterdrückt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels der Kompensationselemente eine Unterdrückung eines 1f-Quadraturstörsignals durchgeführt wird, während mittels des Störelements eine gezielte Erzeugung eines 2f-Quadraturstörsignals durchgeführt wird, so dass in vorteilhafter Weise ein Offset im Detektionszweig hervorgerufen durch die 1f-Quadraturstörgröße unterdrückt wird und gleichzeitig die Aussteuerung des Drehratensensors mittels der 2f-Quadraturstörgröße gezielt einstellbar und optimierbar ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
- 1a eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß dem Stand der Technik und
- 1b eine schematische Aufsicht von Kompensationsstrukturen eines Drehratensensors gemäß dem Stand der Technik,
- 1c und 1d einen schematischen Verlauf der Kompensationskräfte bei Drehratensensoren gemäß dem Stand der Technik,
- 2a eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2b eine schematische Aufsicht eines Störelementes eines Drehratensensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 2c einen schematischen Verlauf der Störkräfte bei einem Drehratensensor gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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In 1a ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Coriolis-Element 10 und ein weiteres Coriolis-Element 20 umfasst, welche mittels eines Federelements 3 miteinander gekoppelt sind. Das Coriolis-Element 10 wird mittels nicht dargestellter Antriebsmittel zu einer Antriebsschwingung 12 parallel zu einer ersten Richtung X angeregt, wobei die ersten Richtung X parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 eines Substrats 2 verläuft. Das weitere Coriolis-Element 20 wird mittels nicht dargestellter weiterer Antriebsmittels zu einer weiteren Antriebsschwingung 22 angetrieben, welche zur Antriebsschwingung 12 antiparallel ist. Bei der Anwesenheit einer Drehrate 4 um eine zur einer dritten Richtung Z parallele Drehachse, wobei die dritten Richtung Z senkrecht zur ersten Richtung X und senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ist, wirkt auf das Coriolis-Element 10 eine Corioliskraft entlang der zweiten Richtung Y, welche zur ersten und zur dritten Richtung X, Z jeweils senkrecht ist, so dass das Coriolis-Element 10 eine Auslenkung 13 parallel zur zweiten Richtung Y erfährt. Das weitere Coriolis-Element 20 erfährt analog einer zur Auslenkung 13 antiparallele weitere Auslenkung 23 parallel zur zweiten Richtung Y. Die Auslenkung 13 und die weitere Auslenkung 23 sind mittels nicht dargestellter Detektionsmittel nachweisbar, wobei die Differenz der entsprechenden Detektionssignale eine Maß für die Drehrate ist. Der Drehratensensor 1 umfasst beispielhaft vier Kompensationselemente 17 und vier weitere Kompensationselemente 27, wobei die Kompensationselemente 17 jeweils eine Kompensationsaussparung 19 im Coriolis-Element 10 und eine fest mit dem Substrat 2 verbundene längliche Kompensationselektrode 18, welche in die Kompensationsaussparung 19 entlang der dritten Richtung Z eingreift, aufweisen. Die Kompensationsaussparungen 19 sind dabei jeweils S-förmig (oder alternativ L-förmig) ausgebildet. Analog sind die weiteren Kompensationselemente 27 im Bereich des weiteren Coriolis-Elements 20 aufgebaut. Die Kompensationselemente 17 und die weiteren Kompensationselemente 27 sind dazu vorgesehen, zwischen dem Substrat 2 und dem Coriolis-Element 10 bzw. zwischen dem Substrat 2 und dem weiteren Coriolis-Element 20 eine Kompensationskraft 30 zu erzeugen, welche einer 1f-Quadraturstörgröße entgegenwirkt und somit kompensiert bzw. unterdrückt. Das Coriolis-Element 10 bzw. das weitere Coriolis-Element 20 umfassen optional jeweils von der seismischen Masse lediglich über Koppelfedern verbundene Antriebsrahmen und/oder Detektionselemente. Denkbar sind auch eine Mehrzahl von vier derartigen Kompensationselementen und weiteren Kompensationselementen.
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In 1b ist eine schematische Aufsicht von Kompensationsstrukturen 17 eines Drehratensensors 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 im Wesentlichen dem in 1a illustrierten Drehratensensor 1 gleicht, wobei im Unterschied die Kompensationsaussparungen 19 nicht S-förmig, sondern L-förmig ausgebildet sind.
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In 1c und 1d ist jeweils ein schematischer Verlauf der Kompensationskräfte 30 bei Drehratensensoren 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei auf der Ordinate 31 jeweils die Kompensationskraft 30 und auf der Abszisse 32 die Auslenkungsbewegung 33 des Coriolis-Elements 10 entlang der ersten Richtung X im Rahmen der Antriebsschwingung 12 aufgetragen ist. In 1c ist die Kompensationskraft des in 1b dargestellten Drehratensensors 1 und in 1d die Kompensationskraft des in 1a dargestellten Drehratensensors 1 illustriert, wobei die Verschiebung entlang der Ordinate 31 durch die unterschiedliche Form der Kompensationsaussparungen 19 hervorgerufen wird.
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In 2a und 2b sind eine schematische Aufsicht und eine schematische Teilansicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 im Wesentlichen dem in 1a illustrierten Drehratensensor 1 ähnelt, wobei der Drehratensensor 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusätzlich zwei Störelemente 14, 24 zur Anregung des Coriolis-Elements 10 und des weiteren Coriolis-Elements 20 jeweils zu einer Störschwingung 14 aufweist. Das Störelement 14 umfasst eine Aussparung 16 im Coriolis-Element 10, in welche eine fest mit dem Substrat 2 verbundene Festelektrode 15 eingreift, welche entlang der ersten Richtung X länglich ausgebildet ist. Die Aussparung 16 ist C-förmig ausgebildet, dass ein Vorsprung 16` des Coriolis-Elements 10 entsteht, welcher sich entlang der zweiten Richtung Y in Richtung der Festelektrode 15 erstreckt und entlang der ersten Richtung X bezüglich der Aussparung 16 mittig angeordnet ist. Analog dazu, weist das weitere Coriolis-Element 20 eine weitere Aussparung 26 auf, in welcher eine weitere Festelektrode 25 angeordnet ist. Die weitere Aussparung 26 ist gegenüber der Aussparung 16 bezüglich einer mittig entlang der ersten Richtung X und der dritten Richtung Z durch den Drehratensensor 1 verlaufenden Symmetrieebene 101 spiegelbildlich ausgebildet. In 2b ist eine schematische Teilansicht des Drehratensensors 1 dargestellt, welche lediglich das Störelement 14 vergrößert illustriert. Zwischen der Festelektrode 16 und dem Coriolis-Element 10 wird nun eine Gleichspannung angelegt. Die Antriebsschwingung 12 des Coriolis-Elements 10 führt dazu, dass die Festelektrode 16 bei jeder Schwingungsperiode zweimal den Vorsprung 16' passiert und somit eine Störschwingung des Coriolis-Elements 10 parallel zur ersten Richtung X mit der doppelten Frequenz der Antriebsschwingung 12 angeregt wird. Diese Störschwingung umfasst somit eine 2f- Quadraturstörgröße, welche durch die Wahl der Gleichspannung beliebig anpassbar ist.
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In 2c ist ein schematischer Verlauf der durch die Störelemente 16 angeregten Störkräfte 34, d.h. die 2f- Quadraturstörgröße bei dem Drehratensensor 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.