DE102011001496A1

DE102011001496A1 - Micro electrical mechanical sensor has substrate and plate that is fixed with substrate for movement around drive axis and elastically connected to sensor axis

Info

Publication number: DE102011001496A1
Application number: DE102011001496A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kempe Volker
Original assignee: Maxim Integrated GmbH
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2012-09-27

Abstract

The micro electrical mechanical sensor has a substrate (1) and a plate (3) is fixed with the substrate for movement around a drive axis and elastically connected to a sensor axis (y). A frame (7) is fixed at the plate, which is rotated around a drive axis and is formed around sensor axis in tilting manner. A detection electrode (5) is provided for detecting the tilting vibration of plate and frame, where the detection electrode is arranged between the plate and substrate. A testing electrode (10) is arranged between a frame and a substrate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einem Substrat und mit einer Platte, die mit dem Substrat für eine Bewegung um eine Antriebsachse starr und um eine Sensorachse elastisch verbunden ist, mit einem an der Platte befestigten Rahmen, der um die Antriebsachse drehbar und um die Sensorachse kippbar ausgebildet ist, mit von dem Rahmen abstehenden Antriebsarmen und wobei die Platte innerhalb des Rahmens angeordnet ist und der Rahmen und die Platte bezüglich einer Drehschwingung des Rahmens um die Antriebsachse elastisch und bezüglich einer Kippschwingung um die Sensorachse starr mit einander verbunden sind und mit zumindest einer zwischen Platte und Substrat angeordneten Detektionselektrode zur Erfassung der Kippschwingung von Platte und Rahmen.The present invention relates to a MEMS sensor having a substrate and a plate rigid with the substrate for movement about a drive axis and resiliently connected about a sensor axis, with a frame attached to the plate being rotatable about and about the drive axis the sensor axis is tiltable formed with projecting from the frame drive arms and wherein the plate is disposed within the frame and the frame and the plate with respect to a torsional vibration of the frame about the drive axis and elastic with respect to a tilting vibration about the sensor axis rigidly connected to each other and with at least one detection electrode arranged between the plate and the substrate for detecting the tilting vibration of the plate and the frame.

Gattungsgemäße Sensoren werden nach dem Prinzip des mikroelektromechanischen Systems (MEMS) hergestellt und dienen der Erfassung von Drehraten des Sensors. Dabei wird eine erste, auf einem Substrat angeordnete Masse in eine oszillierende Drehbewegung versetzt. Sobald das Substrat um eine bestimmte Drehratenachse gedreht wird, entstehen Corioliskräfte auf die erste und gegebenenfalls auf eine zweite damit verbundene Masse, welche diese Massen um eine Sensorachse oszillierend kippen lassen. Diese Kippschwingung wird mittels Detektionselektroden, welche üblicherweise zwischen einer der Massen und dem Substrat angeordnet sind durch eine Potentialänderung erfasst.Generic sensors are manufactured according to the principle of the microelectromechanical system (MEMS) and serve to detect rotational rates of the sensor. In this case, a first, arranged on a substrate mass is placed in an oscillating rotational movement. As soon as the substrate is rotated about a certain axis of rotation, Coriolis forces arise on the first and possibly on a second mass connected thereto, which cause these masses to oscillate about a sensor axis in an oscillating manner. This tilting oscillation is detected by means of detection electrodes, which are usually arranged between one of the masses and the substrate, by a change in potential.

Bei der WO 2002/103364 A2 ist dementsprechend ein Sensor offenbart, welcher eine erste, ringförmige Masse aufweist, an welcher Antriebsarme abstehen. Mit dieser ringförmigen ersten Masse ist eine zweite Masse, welche sich innerhalb des Rings befindet, verbunden. Bei einem Antrieb der ringförmigen Masse um eine aus der Zeichenebene herausstehende z-Achse wird durch eine entsprechende Federverbindung zwischen Ring und Platte nur der Ring in eine oszillierende Drehbewegung versetzt. Sobald durch eine Drehung des Substrats eine Corioliskraft erzeugt wird, beginnt die erste ringförmige Masse um die Sensorachse y oszillierend zu kippen. Durch die entsprechend ausgestaltete Federverbindung zwischen Ring und innerer Platte wird hierdurch auch die Platte in eine oszillierende Kippbewegung um die Sensorachse gebracht. Hierdurch ändert sich regelmäßig der Abstand zwischen Platte und Substrat. Durch die Anordnung von Detektionselektroden zwischen der Platte und dem Substrat wird diese Abstandsänderung durch eine Potentialänderung der Detektionselektroden erfasst. Dieses Signal wird als Maß für die Drehrate des Sensors verwendet.In the WO 2002/103364 A2 Accordingly, a sensor is disclosed which has a first, annular mass, on which drive arms protrude. With this annular first mass, a second mass, which is located within the ring, connected. In a drive of the annular mass about a protruding from the plane of z-axis is offset by a corresponding spring connection between the ring and plate only the ring in an oscillating rotational movement. As soon as a Coriolis force is generated by a rotation of the substrate, the first annular mass starts to oscillate about the sensor axis y. By appropriately designed spring connection between the ring and the inner plate, the plate is thus brought into an oscillating tilting movement about the sensor axis. This regularly changes the distance between the plate and the substrate. The arrangement of detection electrodes between the plate and the substrate, this change in distance is detected by a change in potential of the detection electrodes. This signal is used as a measure of the yaw rate of the sensor.

Nachteilig bei diesem Sensor ist es, keine ausreichende Überprüfung stattfinden kann, mit welcher festgestellt wird, ob der Sensor korrekt arbeitet oder ob er einen Defekt aufweist. Dies ist insbesondere bei sehr sicherheitsrelevanten Anwendungen von großer Bedeutung.The disadvantage of this sensor is that it can not be adequately checked, with which it is determined whether the sensor is working correctly or whether it has a defect. This is particularly important in very safety-relevant applications of great importance.

Aus der DE 10 2006 052 522 A1 sind zur Überprüfung der Auslenkbarkeit der Schwingmasse Testelektroden bekannt. Die Testelektroden sind der selben Masse zugeordnet wie die für die eigentliche Auslenkung vorgesehenen Elektroden. Dies hat den Nachteil, dass zwar die Auslenkbarkeit der angetriebenen Schwingmasse getestet werden kann, ob allerdings das komplette System funktionsfähig ist, kann aus dieser Anordnung nicht entnommen werden. Die Testelektroden sind darüber hinaus am äußersten Rand der Schwingmasse angeordnet. Es entsteht hierdurch eine große Empfindlichkeit bezüglich einer Kontaktierung der Elektroden bei einer maximalen Auslenkung der Schwingmasse. Dies kann zu fehlerhaften Messungen bis hin zu Beschädigungen des Sensors führen. Solche Auslenkungen können beispielsweise bei starken Stößen auf den Sensor erfolgen. Offenbart ist darüber hinaus auch nur die Testmessung in einem speziellen Testmodus, nicht aber im normalen Betrieb des Sensors.From the DE 10 2006 052 522 A1 are known for checking the deflectability of the oscillating mass test electrodes. The test electrodes are assigned to the same mass as the electrodes intended for the actual deflection. This has the disadvantage that although the deflectability of the driven oscillating mass can be tested, but whether the entire system is functional, can not be seen from this arrangement. The test electrodes are also arranged on the outermost edge of the oscillating mass. This results in a high sensitivity with respect to a contacting of the electrodes at a maximum deflection of the oscillating mass. This can lead to faulty measurements or damage to the sensor. Such deflections can be done, for example, with strong shocks to the sensor. In addition, only the test measurement is disclosed in a special test mode, but not in the normal operation of the sensor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit einen gattungsgemäßen MEMS-Sensor zu schaffen, welcher möglichst auch in seinem normalen Betrieb auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden kann und dabei eine Beschädigung des Sensors weitgehend auszuschließen ist.Object of the present invention is thus to provide a generic MEMS sensor, which can be checked as possible in its normal operation on its functioning and while damage to the sensor is largely excluded.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem MEMS-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved with a MEMS sensor having the features of claim 1.

Ein erfindungsgemäßer MEMS-Sensor weist ein Substrat, eine Platte und einen Rahmen auf. Die Platte ist mit dem Substrat für eine Bewegung um eine Antriebsachse starr und um eine Sensorachse elastisch verbunden. An der Platte ist der Rahmen befestigt, der um die Antriebsachse drehbar und um die Sensorachse kippbar ausgebildet ist. Um diese Beweglichkeit des Rahmens zu erhalten, sind der Rahmen und die Platte derart miteinander verbunden, dass bezüglich einer Drehschwingung des Rahmens um die Antriebsachse die Verbindung elastisch ist und damit der Rahmen ohne die Platte drehschwingen kann. Bezüglich einer Kippschwingung um die Sensorachse sind der Rahmen und die Platte dagegen starr miteinander verbunden. Hierdurch sind Rahmen und Platte in der Lage die Kippschwingung um die Sensorachse gemeinsam zu vollführen.An inventive MEMS sensor has a substrate, a plate and a frame. The plate is rigid with the substrate for movement about a drive axis and resiliently connected about a sensor axis. On the plate of the frame is fixed, which is rotatable about the drive axis and formed tiltable about the sensor axis. In order to obtain this mobility of the frame, the frame and the plate are connected to each other such that with respect to a torsional vibration of the frame about the drive axis the connection is elastic and thus the frame can swing without the plate. With respect to a tilting vibration about the sensor axis of the frame and the plate, however, are rigidly interconnected. As a result, the frame and plate are able to perform the tilting oscillation about the sensor axis together.

Von dem Rahmen stehen Antriebsarme ab. An den Antriebsarmen sind in bekannter Weise Antriebselektroden angeordnet, welche mit Antriebselektroden, die fest auf dem Substrat angeordnet sind, zusammenwirken. Die Antriebselektroden versetzten den Rahmen in eine oszillierende Antriebsdrehschwingung.From the frame stand drive arms. On the drive arms drive electrodes are arranged in a known manner, which interact with drive electrodes which are fixedly arranged on the substrate. The drive electrodes put the frame in an oscillating drive torsional vibration.

Die Platte ist innerhalb des Rahmens angeordnet, so dass von außen nach innen gesehen die Antriebsarme an dem Rahmen, der Rahmen an der Platte und die Platte an dem Substrat angeordnet sind.The plate is arranged inside the frame, so that seen from the outside inwards the drive arms are arranged on the frame, the frame on the plate and the plate on the substrate.

Zwischen der Platte und dem Substrat ist zumindest eine Detektionselektrode, vorzugsweise allerdings zwei Detektionselektroden, angeordnet um die Kippschwingung von Platte und Rahmen erfassen zu können. Zwischen dem Rahmen und dem Substrat ist darüber hinaus zumindest eine Testelektrode angeordnet, welche ebenfalls zum Erfassen einer Kippschwingung von Rahmen und Platte um die Sensorachse geeignet ist. Die Elektroden arbeiten mit ihnen zugeordneten Gegenelektroden zusammen um bei einer Schwingung bzw. Auslenkung und der damit verbundenen Abstandsänderung Potentialunterschiede zu erzeugen.At least one detection electrode, but preferably two detection electrodes, are arranged between the plate and the substrate in order to be able to detect the tilting vibration of the plate and the frame. In addition, at least one test electrode is arranged between the frame and the substrate, which is likewise suitable for detecting a tilting oscillation of the frame and plate about the sensor axis. The electrodes work together with counter electrodes associated with them in order to generate potential differences in the case of a vibration or deflection and the associated change in distance.

Das Wesentliche an der Erfindung ist unter anderem, dass einerseits zwischen der Platte und dem Substrat Elektroden angeordnet sind, welche die gemeinsame Schwingung von Platte und Ring messen können und andererseits zwischen dem weiteren Bauteil, nämlich dem Rahmen und dem Substrat ebenfalls Elektroden angeordnet sind um diese Schwingung ebenfalls messen zu können. Hierdurch sind zwei unabhängig voneinander existierende Elektroden in dem Sensor angeordnet, welche grundsätzlich den gleichen Signalverlauf erfassen. Sobald hierbei eine Abweichung festgestellt wird, kann dies bedeuten, dass der Sensor möglicherweise beschädigt ist. Dies kann beispielsweise durch einen Bruch der Verbindungsfedern zwischen Rahmen und Platte geschehen. Die Testelektroden können während des normalen Betriebs des Sensors Signale liefern, welche mit den Signalen der Detektionselektroden verglichen werden. Es ist aber auch möglich, dass die Testelektroden nur für einen Testmodus eingesetzt werden, bei welchem verglichen wird, ob die Elektroden das gleiche Signal liefern. Bei einem Anfangstest des Sensors kann dies beispielsweise auch dazu dienen den Sensor zu justieren. Wenn nämlich nach dem Herstellungsprozess des Sensors Ring und Platte nicht in einer Ebene liegen sollten, kann hier eine Abweichung der Signale festgestellt werden und diese quasi zur Eichung des Sensors benutzt werden.The essence of the invention is, inter alia, that on the one hand between the plate and the substrate electrodes are arranged, which can measure the common vibration of plate and ring and on the other hand between the other component, namely the frame and the substrate electrodes are also arranged around these Measure vibration also. As a result, two independently existing electrodes are arranged in the sensor, which basically detect the same signal waveform. Once this deviation is detected, it may mean that the sensor may be damaged. This can be done for example by a breakage of the connecting springs between the frame and plate. The test electrodes may provide signals during normal operation of the sensor which are compared to the signals of the detection electrodes. However, it is also possible for the test electrodes to be used only for a test mode in which it is compared whether the electrodes supply the same signal. In an initial test of the sensor, this can for example also serve to adjust the sensor. If after the manufacturing process of the sensor ring and plate should not lie in one plane, a deviation of the signals can be detected here and these are used quasi for the calibration of the sensor.

Die Anordnung der Testelektroden an dem Rahmen haben den Vorteil, dass sie relativ nahe an der Sensorachse des Sensors sind. Hierdurch ist der Weg der Auslenkung im Bereich der Testelektroden relativ gering. Die Gefahr, dass die Testelektroden bei einer Auslenkung ihre Gegenelektroden kontaktieren und damit ein fehlerhaftes Signal oder gar eine Beschädigung des Sensors hervorrufen, wird weitgehend vermieden. Generelles Ziel der vorliegenden Erfindung ist es somit die Testelektroden an einem anderen als dem für die Hauptmessung der Detektionselektroden zugeordneten Bauteil anzuordnen und dort die Testmessung durchzuführen. Außerdem wird durch die Erfindung sichergestellt, dass durch eine relativ nahe Anordnung an der Sensorachse, um welche die gesamte Einrichtung gekippt wird, ein Kontaktieren mit dem Substrat beziehungsweise den Elektroden, welche auf dem Substrat angeordnet sind, vermieden wird.The arrangement of the test electrodes on the frame has the advantage that they are relatively close to the sensor axis of the sensor. As a result, the path of the deflection in the region of the test electrodes is relatively low. The risk that the test electrodes contact their counterelectrodes during a deflection and thus cause a faulty signal or even damage to the sensor is largely avoided. The general aim of the present invention is thus to arrange the test electrodes on a component other than that assigned to the main measurement of the detection electrodes and to carry out the test measurement there. In addition, it is ensured by the invention that by a relatively close arrangement on the sensor axis, about which the entire device is tilted, a contact with the substrate or the electrodes, which are arranged on the substrate, is avoided.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rahmen im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist. Hierdurch ist die Drehbewegung des Rahmens für den Antrieb mit den entsprechenden Antriebselektroden an den Antriebsarmen am einfachsten zu realisieren. Selbstverständlich wäre aber auch eine andere Rahmenform grundsätzlich möglich.It is particularly advantageous if the frame is substantially circular. As a result, the rotational movement of the frame for the drive with the corresponding drive electrodes to the drive arms is the easiest to implement. Of course, but another frame shape would be possible in principle.

Ist pro Kipprichtung eine Detektionselektrode und eine Testelektrode vorgesehen, so können mehrere Signale erhalten werden um das Kippen der Platte ebenso wie das Kippen des Rahmens zu erfassen. Um eine zusätzliche Sicherheit zu erreichen und um sicherzustellen, dass auch der Ausfall einzelner Elektroden festgestellt werden kann, ist vorzugsweise vorgesehen, dass mehrere Elektroden pro Kipprichtung vorgesehen sind.If a detection electrode and a test electrode are provided per tilting direction, a plurality of signals can be obtained to detect the tilting of the plate as well as the tilting of the frame. In order to achieve additional security and to ensure that the failure of individual electrodes can be determined, it is preferably provided that a plurality of electrodes per tilting direction are provided.

Sind die Testelektroden punktsymmetrisch zur Antriebsachse angeordnet, so ist die Überprüfung der Signale einfacher, da von jeder Testelektrode der selbe Signalverlauf erwartet werden kann. Dies bedeutet, dass die Signale von Elektroden, die sich auf derselben Seite der Sensorachse befinden, je nachdem, ob sich die Platte beziehungsweise der Rahmens auf das Substrat hin- oder wegbewegt einen gleichen Signalverlauf erzeugen.If the test electrodes are arranged point-symmetrically with respect to the drive axis, it is easier to check the signals since the same signal response can be expected from each test electrode. This means that the signals from electrodes located on the same side of the sensor axis will produce a similar waveform depending on whether the plate or frame is moving toward or away from the substrate.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Testelektroden in einem Bereich zwischen 0° und 45° versetzt zur Sensorachse angeordnet sind. Hierdurch wird bewirkt, dass sich die Testelektroden relativ nahe an der Sensorachse befinden und damit der Weg der Testelektroden bei einer Auslenkung relativ gering ist. Ein Kontaktieren wird vermieden, da in der Regel die weiter von der Sensorachse entfernten Bereiche des Rahmens und insbesondere der Antriebsarme bei einer extremen Auslenkung zuerst das Substrat berühren würden. Die Testelektroden sind hierdurch vor einer Kontaktierung geschützt.It is particularly advantageous if the test electrodes are arranged offset in a range between 0 ° and 45 ° to the sensor axis. This causes the test electrodes are relatively close to the sensor axis and thus the path of the test electrodes at a deflection is relatively low. Contacting is avoided since, as a rule, the regions of the frame further away from the sensor axis, and in particular the drive arms, would first touch the substrate in the event of extreme deflection. The test electrodes are thereby protected from contact.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Testelektroden am Umfang des Rahmens in einem Bereich zwischen den Antriebsarmen und der Sensorachse angeordnet sind. Hierdurch wird ebenfalls ein Schutz für die Testelektroden geschaffen, da bei einer Auslenkung zuerst die Antriebsarme das Substrat kontaktieren würden und nicht die Testelektroden. Die Testelektroden sind hierdurch ebenfalls vor einer Kontaktierung oder Beschädigung geschützt.It is particularly advantageous if the test electrodes are arranged on the circumference of the frame in a region between the drive arms and the sensor axis. This also provides protection for the test electrodes, since at first the drive arms would contact the substrate rather than the first Test electrodes. The test electrodes are thus also protected against contact or damage.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Testelektroden am äußeren Umfang des Rahmens angeordnet sind. Hierdurch wird ein deutlicheres Testsignal erzeugt, da der Weg der Auslenkung der Testelektroden einerseits groß ist und andererseits die Testelektroden sich dennoch relativ nahe an der Sensorachse befinden.It is also advantageous if the test electrodes are arranged on the outer circumference of the frame. As a result, a clearer test signal is generated, since the path of the deflection of the test electrodes on the one hand is large and on the other hand, the test electrodes are still relatively close to the sensor axis.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:Further advantages of the invention are described in the following exemplary embodiments. It shows:

1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors und 1 a plan view of a schematic representation of a sensor according to the invention and

2 einen Schnitt II-II durch den Sensor gemäß 1. 2 a section II-II through the sensor according to 1 ,

In 1 ist eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen MEMS-Sensors zur Erfassung einer Drehrate dargestellt. Der Sensor ist auf einem Substrat 1 aufgebaut. Mit dem Substrat 1 ist ein Anker 2 fest verbunden. Eine Platte 3, welche in der hier dargestellten schematischen Zeichnung im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist, umgibt den Anker 2 und ist daran mittels Ankerfedern 4 befestigt. Die Ankerfedern 4 weisen eine Steifigkeit in Bezug auf eine Drehung der Platte 3 um den Anker 2 bzw. um eine z-Achse auf. Andererseits ermöglichen sie, dass die Platte 3 um eine y-Achse, welche eine Sensorachse bildet, kipp- beziehungsweise schwenkbar ist.In 1 is a plan view of a schematic representation of a MEMS sensor according to the invention for detecting a rotation rate shown. The sensor is on a substrate 1 built up. With the substrate 1 is an anchor 2 firmly connected. A plate 3 , which is formed in the schematic diagram shown here is substantially circular, surrounds the anchor 2 and is at it by means of anchor springs 4 attached. The anchor springs 4 have a stiffness with respect to a rotation of the plate 3 around the anchor 2 or about a z-axis. On the other hand, they allow the plate 3 about a y-axis, which forms a sensor axis, tilting or pivoting.

Unterhalb der Platte 3 ist eine Detektionselektrode 5 angeordnet. Diese Detektionselektrode 5 wirkt mit einer später noch näher beschriebenen weiteren Detektionselektrode bzw. Gegenelektrode 5' zusammen, welche auf dem Substrat 1 und gegenüberliegend der Detektionselektrode 5 angeordnet ist.Below the plate 3 is a detection electrode 5 arranged. This detection electrode 5 acts with a further detection electrode or counter electrode described in more detail later 5 ' together, which on the substrate 1 and opposite the detection electrode 5 is arranged.

Mit der Platte 2 ist über mehrere Verbindungsfedern 6 ein Rahmen 7 verbunden. Die Verbindungsfedern 6 sind derart ausgebildet, dass sie einerseits eine Beweglichkeit des Rahmens 7 in Bezug auf die Platte 3 um die aus der Zeichenebene herausragende z-Achse, welche als Antriebsachse dient, ermöglicht. Andererseits sind die Verbindungsfedern 6 steif für Bewegungen beziehungsweise Kräfte, welche in z-Richtung auftreten. Hierdurch wird bewirkt, dass bei einer Kippbewegung des Rahmens 7 um die Sensorachse y aufgrund einer Corioliskraft, diese Kraft auch auf die Platte 3 übertragen wird und diese ebenfalls um die y-Achse schwenkt. Unterstützt wird dies durch entsprechend ausgebildete und zuvor beschriebene Ankerfedern 4, mit welchen die Platte 3 an dem Anker 2 befestigt ist.With the plate 2 is over several connecting springs 6 a frame 7 connected. The connecting springs 6 are designed such that they on the one hand a mobility of the frame 7 in terms of the plate 3 around the z-axis protruding from the plane of the drawing, which serves as a drive axle allows. On the other hand, the connecting springs 6 stiff for movements or forces that occur in the z-direction. This causes a tilting movement of the frame 7 around the sensor axis y due to a Coriolis force, this force also on the plate 3 is transmitted and this also pivots about the y-axis. This is supported by appropriately trained and previously described armature springs 4 with which the plate 3 at the anchor 2 is attached.

Um das oszillierende Drehen des Rahmens 7 um die z-Antriebsachse zu ermöglichen, sind an dem Rahmen 7 radial nach außen gerichtete, abstehende Antriebsarme 8 angeordnet. Die Antriebsarme 8 weisen selbst Elektroden auf, die mit Antriebselektroden 9 in Wirkverbindung stehen. Die Antriebselektroden 9 sind auf beiden Längsseiten der Antriebsarme 8 an dem Substrat angeordnet und bewirken ein abwechselndes Anziehen der Antriebsarme 8. Hierdurch wird der Rahmen 7 in eine oszillierende Drehbewegung um die Antriebsachse z gebracht.To the oscillating turning of the frame 7 to allow the z-drive axle are on the frame 7 radially outwardly directed, projecting drive arms 8th arranged. The drive arms 8th even have electrodes that drive with electrodes 9 in operative connection. The drive electrodes 9 are on both sides of the drive arms 8th arranged on the substrate and cause an alternately tightening the drive arms 8th , This will be the frame 7 brought into an oscillating rotational movement about the drive axis z.

Die Wirkungsweise des MEMS-Sensors ist derart, dass der Rahmen 7 in oszillierende Drehbewegung um die Antriebsachse z innerhalb der x-y-Ebene gebracht wird. Sobald das Substrat 1 einer Drehbewegung um eine x-Achse, welche die Drehratenachse darstellt, gebracht wird, entstehen Corioliskräfte, welche bewirken, dass der Rahmen 7 um die Sensorachse y in eine oszillierende Kippbewegung gebracht wird. Durch die unterschiedlichen Federcharakteristiken in den verschiedenen Achsrichtungen der Verbindungsfedern 6 und der Ankerfedern 4 wird diese auf den Rahmen 7 wirkende Corioliskraft auch auf die Platte 3 übertragen. Die Platte 3 beginnt hierdurch ebenfalls um die Sensorachse y oszillierend zu kippen. Im Idealfall kippen dabei die Platte 3 und der Rahmen 7 synchron miteinander um die y-Achse.The mode of action of the MEMS sensor is such that the frame 7 is brought into oscillating rotational motion about the drive axis z within the xy plane. Once the substrate 1 a rotational movement about an x-axis, which represents the rotation rate axis, caused Coriolis forces, which cause the frame 7 is brought about the sensor axis y in an oscillating tilting movement. Due to the different spring characteristics in the different axial directions of the connecting springs 6 and the armature springs 4 this will be on the frame 7 acting Coriolis force also on the plate 3 transfer. The plate 3 This also begins to tilt about the sensor axis y oscillating. Ideally, tilt the plate 3 and the frame 7 synchronous with each other about the y-axis.

Um dieses gemeinsame und synchrone Schwingen um die Sensorachse y feststellen zu können, sind am Rahmen 7 vier Testelektroden 10 vorgesehen. Jede Testelektrode 10 ist an der Unterseite des Rahmens 7 angeordnet und wirkt mit einer Testelektrode bzw. Gegenelektrode 10', welche sich ihr gegenüber auf dem Substrat 1 befindet, zusammen. Wenn nun sowohl Rahmen 7 als auch Platte 3 um die Sensorachse y kippen, sollten die Signale, welche von der Detektionselektrode 5 erhalten werden mit den Signalen der Testelektrode 10 korrespondieren. Wird festgestellt, dass dies nicht der Fall ist, so ist dies ein Zeichen dafür, dass der Sensor möglicherweise fehlerhaft arbeitet. Dies kann beispielsweise dadurch zustande kommen, dass eine der Verbindungsfedern 6 gebrochen ist oder es kann auch andere Ursachen haben. Ein Ursache kann auch darin bestehen, dass die Platte 3 und der Rahmen 7 nicht exakt in der selben Ebene zueinander ausgerichtet sind. Hierdurch könnten ebenfalls unterschiedliche Signale der Detektionselektrode 5 und der Testelektrode 10 entstehen. Nachdem dies nicht in jedem Fall zu einer Funktionsunfähigkeit des Sensors führen muss, kann dieses unterschiedliche Signal zur Eichung des Sensors verwendet werden. Die bei der Eichung erhaltenen Korrekturwerte können bei der Überprüfung der Signale der Detektionselektrode 5 im Vergleich zur Testelektrode 10 mit berücksichtigt werden. Es wird hierdurch wiederum eine genaue Überprüfbarkeit der Funktionsfähigkeit des Sensors ermöglicht.To be able to determine this joint and synchronous oscillation about the sensor axis y are on the frame 7 four test electrodes 10 intended. Each test electrode 10 is at the bottom of the frame 7 arranged and acts with a test electrode or counter electrode 10 ' , which face each other on the substrate 1 is together. If now both frame 7 as well as plate 3 tilt the sensor axis y, the signals coming from the detection electrode 5 can be obtained with the signals of the test electrode 10 correspond. If it is determined that this is not the case, this is an indication that the sensor may be malfunctioning. This can be achieved, for example, by virtue of one of the connecting springs 6 is broken or it may have other causes. A cause can also be that the plate 3 and the frame 7 are not exactly aligned in the same plane to each other. This could also different signals of the detection electrode 5 and the test electrode 10 arise. Since this does not necessarily lead to a malfunction of the sensor, this different signal can be used to calibrate the sensor. The correction values obtained during the calibration can be used when checking the signals of the detection electrode 5 in comparison to the test electrode 10 to be taken into account. It will be an accurate Verifiability of the functionality of the sensor allows.

Die Testelektrode 10 ist, wie hier dargestellt, vorzugsweise nahe der Sensorachse y und zwischen der Sensorachse y und den Antriebsarmen 8 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Testelektroden 10 unter jeweils einem Vorsprung 11 des Rahmens 7 angeordnet. Hierdurch wird durch einen im Vergleich zu einen näheren Anordnungsort der Testelektrode 10 zum Anker 2 ein größerer Weg der Auslenkung erzeugt. Das damit zu erhaltende Signal wird durch größere Abstandsänderung deutlicher.The test electrode 10 is, as shown here, preferably near the sensor axis y and between the sensor axis y and the drive arms 8th arranged. In the present embodiment, the test electrodes 10 each with a lead 11 of the frame 7 arranged. This is by a compared to a closer location of the test electrode 10 to the anchor 2 a larger path of deflection generated. The signal to be obtained thereby becomes clearer by a larger change in distance.

Durch die Anordnung nahe der Sensorachse y ist die Testelektrode 10 gleichzeitig davor geschützt, dass sie bei einer extremen Auslenkung beziehungsweise Kippbewegung des Rahmens 7 Kontakt mit ihrer Gegenelektrode 10' erhält. Dies würde zu falschen Signalen oder sogar zu einer Zerstörung des Sensors führen. Auch bei einer extremen Auslenkung des Rahmens 7 um die Sensorachse y würden die Antriebsarme 8 das Substrat 1 kontaktieren. Die Testelektrode 10 würde auch in diesem Falle noch keinen Kontakt mit ihrer Gegenelektrode 10' erfahren. Die Testelektrode 10 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa um den Winkel α = 30° versetzt zur Sensorachse Y angeordnet. Sie könnte aber auch noch näher an der y-Achse oder weiter von dieser entfernt sein, in Abhängigkeit davon, wie die Antriebsarme 8 für einen Schutz der Testelektrode 10 sorgen könnten und andererseits ob die Signalstärke für eine ausreichende Feststellung der erzeugten Bewegung ausreichend ist.The arrangement near the sensor axis y is the test electrode 10 at the same time protected against extreme tilting or tilting of the frame 7 Contact with their counter electrode 10 ' receives. This would lead to false signals or even destruction of the sensor. Even with an extreme deflection of the frame 7 around the sensor axis y would the drive arms 8th the substrate 1 to contact. The test electrode 10 would also in this case still no contact with its counter electrode 10 ' Experienced. The test electrode 10 is in the present embodiment about the angle α = 30 ° offset from the sensor axis Y arranged. But it could also be closer to the y-axis or further away from it, depending on how the drive arms 8th for a protection of the test electrode 10 and, on the other hand, whether the signal strength is sufficient to adequately detect the generated motion.

In 2 ist Schnitt II-II durch die Darstellung des Sensors der 1 gezeigt. Die Platte 3 und der Rahmen 7 sind in einem Schnitt dargestellt. Sie verlaufen parallel zur Oberfläche des Substrats 1. Platte 3 ist an dem Anker 2 befestigt, welcher wiederum fest mit dem Substrat 1 verbunden ist. Die Platte 3 ist von dem Rahmen 7 umgeben, welcher sich in der selben Ebene wie die Platte 3 befindet. Am äußeren Umfang des Rahmens 7 befindet sich der Vorsprung 11, unter dem die Testelektrode 10 angeordnet ist. Die Testelektrode 10 wirkt mit der Gegenelektrode 10' zusammen, welche sich auf dem Substrat 1 befindet. Ebenso wirkt die Detektionselektrode 5 mit der Gegenelektrode 5', welche sich ebenfalls auf dem Substrat 1 befindet, zusammen. Bei einer Kippbewegung um die aus der Zeichenebene herausragende Sensorachse y bewegen sich die Detektionselektrode 5 und die Testelektrode 10 auf ihre jeweilige Gegenelektrode 5' beziehungsweise 10' zu und wieder weg. Hierdurch wird ein Signal erzeugt, welches ausgewertet werden kann bezüglich der Drehrate des Substrats 1 beziehungsweise des Sensors um die Drehratenachse x. Dadurch, dass die Antriebsarme 8, welche mit den Antriebelektroden 9 zusammenwirken am äußeren Umfang des Rahmens 7 angeordnet sind und von diesem radial nach außen weggerichtet sind, würden bei einer Kippbewegung um die Sensorachse y diese zuerst Kontakt mit dem Substrat 1 aufnehmen. Die Detektionselektrode 5 würde dabei ebenso wie die Testelektrode 10 einen Abstand zu ihren jeweiligen Gegenelektroden haben und somit vor einer Kontaktierung geschützt sein. Der Sensor erhält hierdurch eine besondere Schocksicherheit ohne dabei auf die Testelektrode 10 verzichten zu müssen.In 2 is section II-II through the representation of the sensor of 1 shown. The plate 3 and the frame 7 are shown in a section. They run parallel to the surface of the substrate 1 , plate 3 is at the anchor 2 attached, which in turn fixed to the substrate 1 connected is. The plate 3 is from the frame 7 surrounded, which is in the same plane as the plate 3 located. On the outer circumference of the frame 7 is the lead 11 under which the test electrode 10 is arranged. The test electrode 10 works with the counter electrode 10 ' together, which is on the substrate 1 located. Likewise, the detection electrode acts 5 with the counter electrode 5 ' , which are also on the substrate 1 is together. With a tilting movement about the protruding from the plane of the sensor axis y, the detection electrode move 5 and the test electrode 10 on their respective counter electrode 5 ' respectively 10 ' to and away. As a result, a signal is generated which can be evaluated with respect to the rotation rate of the substrate 1 or the sensor about the yaw rate axis x. Because of the drive arms 8th , which with the drive electrodes 9 cooperate on the outer circumference of the frame 7 are arranged and directed away from this radially outward, would at a tilting movement about the sensor axis y this first contact with the substrate 1 take up. The detection electrode 5 would be just like the test electrode 10 have a distance to their respective counter electrodes and thus be protected from contact. As a result, the sensor is given a special shock-proof design without being exposed to the test electrode 10 to be without.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche sind jederzeit möglich.The present invention is not limited to the illustrated embodiments. Modifications of the invention within the scope of the claims are possible at any time.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Substratsubstratum
22: Ankeranchor
33: Platteplate
44: Ankerfederarmature spring
55: Detektionselektrodedetection electrode
5'5 ': Gegenelektrodecounter electrode
66: Verbindungsfederconnecting spring
77: Rahmenframe
88th: Antriebsarmdrive arm
99: Antriebselektrodedrive electrode
1010: Testelektrodetest electrode
10'10 ': Gegenelektrodecounter electrode
1111: Vorsprunghead Start

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2002/103364 A2 [0003]
DE 102006052522 A1 [0005]

Claims

MEMS sensor - with a substrate ( 1 ) and - with a plate ( 3 ), which are in contact with the substrate ( 1 ) is rigidly connected to a movement about a drive axis (z) and is elastically connected about a sensor axis (y), 3 ) fixed frame ( 7 ) which is rotatable about the drive axis (z) and tiltable about the sensor axis (y), with - of the frame ( 7 ) projecting drive arms ( 8th ), - where the plate ( 3 ) within the framework ( 7 ) is arranged and. - the frame ( 7 ) and the plate ( 3 ) with respect to a torsional vibration of the frame ( 7 ) are rigidly connected to each other about the drive axis (z) elastically and with respect to a tilting vibration about the sensor axis (y), and - with at least one between plate ( 3 ) and substrate ( 1 ) arranged detection electrode ( 5 ) for detecting the tilting vibration of plate ( 3 ) and frames ( 7 ), characterized in that - between the frame ( 7 ) and the substrate ( 1 ) at least one test electrode ( 10 ), which are also for detecting a tilting oscillation of frames ( 7 ) and plate ( 3 ) around the sensor axis (y) is suitable.

MEMS sensor according to the preceding claim, characterized in that the frame ( 7 ) is substantially circular.

MEMS sensor according to one or more of the preceding claims, characterized in that per tilting direction a detection electrode ( 5 ) and a test electrode ( 10 ), preferably a plurality of the electrodes are arranged.

MEMS sensor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the test electrodes ( 10 ) are arranged point-symmetrical to the drive axis (z).

MEMS sensor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the test electrodes ( 10 ) are arranged offset in a range between 0 ° and 45 ° to the sensor axis (y).

MEMS sensor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the test electrodes ( 10 ) on the circumference of the frame ( 7 ) between the drive arms ( 8th ) and the sensor axis (y) are arranged.

MEMS sensor according to one or more of the preceding claims, characterized in that the test electrodes ( 10 ) on the outer circumference of the frame ( 7 ) are arranged.