DE29617410U1 - Rotation rate sensor with decoupled orthogonal primary and secondary vibrations - Google Patents
Rotation rate sensor with decoupled orthogonal primary and secondary vibrationsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bewegungssensoren und insbesondere auf mikromechanische Drehratensensoren, die die Coriolis-Kraft ausnutzen.The present invention relates to motion sensors and in particular to micromechanical angular rate sensors that exploit the Coriolis force.
Mikromechanische Coriolis-Kraft-Drehratensensoren besitzen vielfältige Anwendungsfelder, von denen beispielsweise die Positionsbestimmung eines Automobils oder eines Flugzeuges zu nennen ist. Allgemein besitzen solche Sensoren eine bewegliche mechanische Struktur, welche zu einer periodischen Schwingung angeregt wird. Diese periodische, durch Anregung erzeugte Schwingung wird als Primärschwingung bezeichnet. Erfährt der Sensor eine Drehung um eine Achse senkrecht zur Primärschwingung oder Primärbewegung, so führt die Bewegung der Primärschwingung zu einer Coriolis-Kraft, die proportional zur Meßgröße, d.h. der Winkelgeschwindigkeit, ist. Durch die Coriolis-Kraft wird eine zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung angeregt. Diese zweite, zur Primärschwingung orthogonale Schwingung wird Sekundärschwingung genannt. Die Sekundärschwingung, die auch als Detektionsschwingung bezeichnet wird, kann durch verschiedene Meßverfahren erfaßt werden, wobei die erfaßte Größe als Maß für die auf den Drehratensensor wirkende Drehrate dient.Micromechanical Coriolis force angular rate sensors have a wide range of applications, including determining the position of an automobile or an aircraft. In general, such sensors have a movable mechanical structure that is excited to a periodic oscillation. This periodic oscillation generated by excitation is called the primary oscillation. If the sensor rotates around an axis perpendicular to the primary oscillation or primary movement, the movement of the primary oscillation leads to a Coriolis force that is proportional to the measured variable, i.e. the angular velocity. The Coriolis force excites a second oscillation that is orthogonal to the primary oscillation. This second oscillation that is orthogonal to the primary oscillation is called the secondary oscillation. The secondary oscillation, which is also called the detection oscillation, can be recorded using various measuring methods, with the recorded variable serving as a measure of the oscillation rate acting on the oscillation sensor.
Um die Primärschwingung zu erzeugen, werden unter anderem thermische, piezoelektrische, elektrostatische und induktive Verfahren verwendet, welche in der Technik bekannt sind. Zu der Erfassung der Sekundärschwingung sind piezoelektrische, piezoresistive und kapazitive Prinzipien Stand der Technik.To generate the primary vibration, thermal, piezoelectric, electrostatic and inductive methods, which are well known in the art, are used. Piezoelectric, piezoresistive and capacitive principles are state of the art for detecting the secondary vibration.
Bekannte mikromechanische Drehratensensoren sind in K. Funk, A. Shilp, M. Offenberg, B. Eisner und F. Lärmer, "Surface Micromachining Resonant Silicon Structures", The 8th International Conference on Solid-state Sensors and Actuators, Eurosensors IX, NEWS, S. 50-52, beschrieben.Well-known micromechanical angular rate sensors are described in K. Funk, A. Shilp, M. Offenberg, B. Eisner and F. Lärmer, "Surface Micromachining Resonant Silicon Structures", The 8th International Conference on Solid-state Sensors and Actuators, Eurosensors IX, NEWS, pp. 50-52.
Insbesondere weist ein in dieser Schrift beschriebener bekannter quasi-rotierender Drehratensensor einen kreisförmigen Schwinger auf, der in zwei Richtungen drehbar an einer Basis aufgehängt ist. Der Schwinger des bekannten Drehratensensors zeigt eine bezüglich einer x-y-Ebene scheibenförmige Gestalt, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Seiten der Scheibe Kammelektroden-Konfigurationen angebracht sind. Eine Kammelektroden-Konfiguration wird zum Treiben des Schwingkörpers verwendet, wobei sich dieselbe aus feststehenden Kammelektroden und den Kammelektroden des Schwingers, die in die feststehenden Kammelektroden eingreifen, zusammensetzt. Eine dazu ähnliche Kammelektrodenerfassungsanordnung besteht aus feststehenden Kammelektroden, die in entsprechende Kammelektroden eingreifen, die an dem Primärschwinger angebracht sind. Die eingangsseite Kammelektroden-Konfiguration zum Treiben des Schwingers, die auch Comb-Drive genannt wird, ist auf geeignete Weise mit einer Erregungsspannung verbunden, derart, daß eine erste Kammelektroden-Konfiguration mit einer Wechselspannung gespeist wird, wohingegen eine zweite Kammelektroden-Konfiguration des Comb-Drives mit einer zur ersten Spannung zum 180° phasenverschobenen zweiten Spannung gespeist wird. Durch die angelegte Wechselspannung wird der Schwinger zu einer Drehschwingung um die z-Achse erregt, die auf der x-y-Ebene senkrecht steht. Die Schwingung des Schwingers in der x-y-Ebene ist die vorher genannte Primärschwingung .In particular, a known quasi-rotating angular rate sensor described in this document has a circular oscillator that is suspended from a base so that it can rotate in two directions. The oscillator of the known angular rate sensor has a disk-like shape with respect to an x-y plane, with comb electrode configurations attached to two opposite sides of the disk. A comb electrode configuration is used to drive the oscillating body, which is composed of fixed comb electrodes and the comb electrodes of the oscillator that engage the fixed comb electrodes. A similar comb electrode sensing arrangement consists of fixed comb electrodes that engage corresponding comb electrodes attached to the primary oscillator. The input comb electrode configuration for driving the oscillator, also called a comb drive, is connected in a suitable manner to an excitation voltage, such that a first comb electrode configuration is fed with an alternating voltage, whereas a second comb electrode configuration of the comb drive is fed with a second voltage that is 180° out of phase with the first voltage. The applied alternating voltage excites the oscillator to a rotary oscillation around the z-axis, which is perpendicular to the x-y plane. The oscillation of the oscillator in the x-y plane is the aforementioned primary oscillation.
Wird der bekannte Drehratensensor nun mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit um eine y-Achse gedreht, so wirkt auf den Schwinger eine Coriolis-Kraft, die zu der angelegten Winkelgeschwindigkeit um die y-Achse proportional ist. Diese Coriolis-Kraft erzeugt eine Drehschwingung des Schwingers um die x-Achse. Diese Drehschwingung oder periodische "Verkippung" des Schwingers um die x-Achse kann mit den beiden unter dem Sensor liegenden Elektroden kapazitiv gemessen werden. If the known yaw rate sensor is now rotated around a y-axis at a certain angular speed, a Coriolis force acts on the oscillator that is proportional to the applied angular speed around the y-axis. This Coriolis force generates a rotational oscillation of the oscillator around the x-axis. This rotational oscillation or periodic "tilting" of the oscillator around the x-axis can be measured capacitively with the two electrodes located under the sensor.
Ein Nachteil dieser bekannten Struktur besteht darin, daßA disadvantage of this known structure is that
die Primärschwingung und die Sekundärschwingung, die die Schwingung des Schwingkörpers aufgrund der auf denselben wirkenden Coriolis-Kraft ist, von einem einzigen Schwinger ausgeführt werden, der mittels eines zweiachsigen Gelenks aufgehängt ist, um die beiden zueinander orthogonalen Schwingungen ausführen zu können. Die beiden Schwingungsmoden, d.h. die Primärschwingung und die Sekundärschwingung, sind daher nicht voneinander entkoppelt, weshalb die Eigenfrequenzen der Primär- und der Sekundärschwingung nicht unabhängig voneinander genau abgeglichen werden können, um eine möglichst hohe Erfassungsgenauigkeit des Drehratensensors zu erreichen. Ferner führt bei dem bekannten Drehratensensor die Sekundärschwingung dazu, daß die Kammelektrodenanordnung zum Treiben des Schwingers verkippt wird, wodurch die Primärschwingung von der Sekundärschwingung beeinflußt wird. Dieser Einfluß führt zu einer nicht vollständig harmonisch gesteuerten Primärschwingung als Reaktion auf die Rückwirkung der Sekundärschwingung auf die Primärschwingung, d.h. als Reaktion auf eine Verkippung des Comb-Drives zur Erzeugung der Primärschwingung.the primary oscillation and the secondary oscillation, which is the oscillation of the oscillating body due to the Coriolis force acting on it, are carried out by a single oscillator, which is suspended by means of a two-axis joint in order to be able to carry out the two mutually orthogonal oscillations. The two oscillation modes, i.e. the primary oscillation and the secondary oscillation, are therefore not decoupled from one another, which is why the natural frequencies of the primary and secondary oscillations cannot be precisely adjusted independently of one another in order to achieve the highest possible detection accuracy of the yaw rate sensor. Furthermore, in the known yaw rate sensor, the secondary oscillation leads to the comb electrode arrangement for driving the oscillator being tilted, whereby the primary oscillation is influenced by the secondary oscillation. This influence leads to a primary oscillation that is not completely harmonically controlled in response to the reaction of the secondary oscillation on the primary oscillation, i.e. in response to a tilting of the comb drive for generating the primary oscillation.
Ein weiterer bekannter Drehratensensor, der in dieser Schrift beschrieben ist, umfaßt zwei voneinander getrennte Schwingungsmassen, die durch jeweilige Comb-Drives, die über Federbalken mit jeweils einer Masse verbunden sind, in eine gegenphasige Schwingung versetzt werden können. Die beiden Massen sind über eine Federbalkenanordnung miteinander verbunden und führen aufgrund einer Aufhängung der Anordnung aus den beiden Massen und den Verbindungsstegen der Massen eine Drehschwingung in der x-y-Ebene durch, wenn der Drehratensensor einer Drehung um die z-Achse unterzogen wird. Eine Verschiebung der Anordnung aus den beiden Massen und den Federbalken, welche die Massen untereinander verbinden, in der y-Achse als Reaktion auf eine Drehung dieser Anordnung wird mittels vier Kammelektroden-Konfigurationen kapazitiv erfaßt.Another known yaw rate sensor described in this document comprises two separate oscillation masses that can be set into an antiphase oscillation by respective comb drives that are each connected to a mass via spring beams. The two masses are connected to one another via a spring beam arrangement and, due to a suspension of the arrangement made up of the two masses and the connecting webs of the masses, carry out a torsional oscillation in the x-y plane when the yaw rate sensor is subjected to a rotation about the z-axis. A displacement of the arrangement made up of the two masses and the spring beams that connect the masses to one another in the y-axis in response to a rotation of this arrangement is capacitively detected by means of four comb electrode configurations.
Genauso wie der erste beschriebene bekannte DrehratensensorJust like the first known yaw rate sensor described
weist auch der zweite bekannte Drehratensensor lediglich einen einzigen Schwinger für sowohl die Primär- als auch die Sekundärschwingung auf, wodurch die beiden orthogonalen Schwingungsmoden miteinander verkoppelt sind, und die durch die Coriolis-Kraft erzeugte Sekundärschwingung auf die Primärschwingung rückwirken kann. Auch diese Struktur erlaubt daher keinen genauen, selektiven Abgleich der Eigenfrequenzen der Primär- und der Sekundärschwingung.The second known yaw rate sensor also has only a single oscillator for both the primary and secondary oscillations, whereby the two orthogonal oscillation modes are coupled to one another and the secondary oscillation generated by the Coriolis force can have a feedback effect on the primary oscillation. This structure also therefore does not allow for a precise, selective adjustment of the natural frequencies of the primary and secondary oscillations.
Ein weiteres bekanntes Vibrationsgyroskop ist in dem Artikel von P.Greiff u.a. mit dem Titel "Silicon Monolithic Micromechanical Gyroscope" in dem Konferenzband der Transducers 1991 auf den S. 966 bis 968 beschrieben. Dieses Gyroskop ist eine zweifach kardanische Struktur in der x-y-Ebene, die durch Torsionsfedern getragen wird. Eine rahmenförmige erste Schwingerstruktur umgibt eine plattenförmige zweite Schwingerstruktur. Die zweite Schwingerstruktur weist ein Trägheitselement auf, das aus der Ebene derselben in der &zgr;-Richtung vorsteht. Im Betrieb wird eine rotatorische Erregung um die y-Achse der ersten Schwingerstruktur über Torsionsfedern, die in Richtung der ersten Schwingung steif sind, auf die zweite Schwingerstruktur übertragen. In der Anwesenheit einer Drehwinkelgeschwindigkeit um die z-Achse wird eine Coriolis-Kraft in der y-Richtung erzeugt, die an dem vorstehenden Trägheitselement oder Gyroelement angreift, um die zweite Schwingerstruktur um die x-Achse auszulenken, wodurch die zweite Schwingerstruktur eine zur Erregungsschwingung orthogonale Coriolis-Schwingung um die x-Achse ausführt, die durch die Torsionsfedern, die die zweite Schwingerstruktur an der ersten Schwingerstruktur aufhängen, ermöglicht wird. Die Coriolis-Kraft, die bei diesem Gyroskop lediglich in y-Richtung anliegt, führt nicht zu einer Bewegung der restlichen Struktur, da dieselbe in der y-Richtung fest gehalten ist. Lediglich das in z-Richtung vorstehende Gyroelement bietet einen Angriffspunkt für die Coriolis-Kraft, damit dieselbe eine meßbare zur Zwangsdrehung proportionale Bewegung bewirken kann.Another known vibrating gyroscope is described in the article by P.Greiff et al. entitled "Silicon Monolithic Micromechanical Gyroscope" in the Transducers 1991 conference proceedings on pages 966 to 968. This gyroscope is a double gimbal structure in the xy plane, which is supported by torsion springs. A frame-shaped first oscillator structure surrounds a plate-shaped second oscillator structure. The second oscillator structure has an inertia element that protrudes from the plane of the same in the ζ-direction. In operation, a rotary excitation about the y-axis of the first oscillator structure is transmitted to the second oscillator structure via torsion springs that are stiff in the direction of the first oscillation. In the presence of a rotational angular velocity about the z-axis, a Coriolis force is generated in the y-direction, which acts on the protruding inertia element or gyro element to deflect the second oscillator structure about the x-axis, whereby the second oscillator structure performs a Coriolis oscillation about the x-axis orthogonal to the excitation oscillation, which is made possible by the torsion springs that suspend the second oscillator structure from the first oscillator structure. The Coriolis force, which in this gyroscope is only applied in the y-direction, does not lead to a movement of the rest of the structure, since it is held fixed in the y-direction. Only the gyro element protruding in the z-direction provides a point of application for the Coriolis force so that it can cause a measurable movement proportional to the forced rotation.
Obgleich bei dieser Struktur die erste und die zweite Schwingung voneinander entkoppelt sind, und keine Rückwirkung der zweiten Schwingung auf die Erregung der ersten Schwingung stattfindet, besteht ein Nachteil darin, daß die zweite Schwingerstruktur aufgrund des überstehenden Gyroelements nicht planar angefertigt werden kann. Nach der Herstellung der Gyroskopstruktur wird das Gyroelement mittels Gold-Elektroplattierung auf der zweiten Schwingerstruktur gebildet. Diese Elektroplattierung ist nicht günstig in einen im wesentlichen planaren monolithischen Herstellungsprozess integrierbar, wodurch die Herstellungszeit und die Herstellungsschritte mehr werden und die Kosten für das Gyroskop steigen.Although in this structure the first and second oscillations are decoupled from each other and there is no reaction of the second oscillation on the excitation of the first oscillation, a disadvantage is that the second oscillator structure cannot be made planar due to the protruding gyro element. After the gyroscope structure is manufactured, the gyro element is formed on the second oscillator structure by means of gold electroplating. This electroplating cannot be conveniently integrated into an essentially planar monolithic manufacturing process, which increases the manufacturing time and manufacturing steps and increases the cost of the gyroscope.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen wirtschaftlich herstellbaren Drehratensensor zu schaffen, bei dem die Primär- und die Sekundärschwingung weitgehend entkoppelt sind.The object of the present invention is to create an economically producible yaw rate sensor in which the primary and secondary oscillations are largely decoupled.
Diese Aufgabe wird durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a yaw rate sensor according to claim 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Entkopplung der Primär- und der Sekundärschwingung erreicht werden kann, indem ein Primärschwinger vorgesehen ist, welcher mittels einer Primärschwingeraufhängung einem Grundkörper gegenüber bewegbar gehalten ist. Eine an den Primärschwinger angelegte Primärschwingung wird über eine Sekundärschwingeraufhängung auf einen Sekundärschwinger übertragen, wodurch der Sekundärschwinger ebenfalls die Primärschwingung ausführt. Eine aufgrund einer Drehung des Drehratensensors vorhandene Coriolis-Kraft führt zu einer zur Primärschwingung des Sekundärschwingers orthogonalen Sekundärschwingung des Sekundärschwingers, welche durch eine geeignete Ausgestaltung der Sekundärschwingeraufhängung nicht auf den Primärschwinger rückwirkt. Die Primärschwingeraufhängung kann abhängig vom jeweiligen Ausführungsbeispiel geeignet dimensionierten Federbalken (z.B. TorsionsfedernThe invention is based on the knowledge that a decoupling of the primary and secondary oscillations can be achieved by providing a primary oscillator which is held so that it can move relative to a base body by means of a primary oscillator suspension. A primary oscillation applied to the primary oscillator is transmitted to a secondary oscillator via a secondary oscillator suspension, whereby the secondary oscillator also carries out the primary oscillation. A Coriolis force present due to a rotation of the yaw rate sensor leads to a secondary oscillation of the secondary oscillator which is orthogonal to the primary oscillation of the secondary oscillator and which does not react on the primary oscillator due to a suitable design of the secondary oscillator suspension. The primary oscillator suspension can, depending on the respective embodiment, be suitably dimensioned spring beams (e.g. torsion springs).
oder Biegefedern) bestehen, deren Querschnitt und geometrische Anordnung (z.B. Diagonalstreben, Anzahl, usw.) derart gestaltet sind, daß dieselbe eine richtungsabhängige Federsteif igkeit aufweist. Diese Anisotropie der Steifigkeit der Aufhängung kann im Prinzip ausschließlich durch die Anordnung der Federbalken gewährleistet werden. Die Sekundärschwingung wirkt somit nicht auf den Primärschwinger zurück, wodurch die Anregung nicht durch die Meßgröße beeinflußt wird. Durch Bereitstellen eines Sekundärschwingers, der von dem Primärschwinger getrennt ist, und durch die Konfigurationen der Primärschwingeraufhängung und der Sekundärschwingeraufhängung, welche von der Primärschwingeraufhängung ebenfalls räumlich getrennt ist und lediglich vorzugsweise eine anisotrope Steifigkeit besitzt, sind die Primär- und die Sekundärschwingung weitestgehend voneinander entkoppelt, weshalb sowohl die Primär- als auch die Sekundärschwingung unabhängig voneinander abgeglichen werden können.or bending springs) whose cross-section and geometric arrangement (e.g. diagonal struts, number, etc.) are designed in such a way that they have a direction-dependent spring stiffness. This anisotropy of the stiffness of the suspension can in principle only be ensured by the arrangement of the spring beams. The secondary vibration therefore does not have a feedback effect on the primary oscillator, which means that the excitation is not influenced by the measured variable. By providing a secondary oscillator that is separate from the primary oscillator and by the configurations of the primary oscillator suspension and the secondary oscillator suspension, which is also spatially separated from the primary oscillator suspension and only preferably has an anisotropic stiffness, the primary and secondary vibrations are largely decoupled from one another, which is why both the primary and secondary vibrations can be adjusted independently of one another.
Ein beim Stand der Technik vorhandenes gewissermaßen in einem räumlichen Punkt konzentriertes zweiachsiges Gelenk für einen Schwinger, das die zueinander orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen des einzigen Schwingers zuläßt, wird bei dem Drehratensensor gemäß der vorliegenden Erfindung in zwei voneinander getrennte Gelenke und Schwinger übergeführt, die zum einen die Primärschwingeraufhängung bzw. der Primärschwinger und zum anderen die Sekundärschwingeraufhängung bzw. der Sekundärschwinger sind. Das Bereitstellen eines zweiten Schwingers, d.h. des Sekundärschwingers, der über die Sekundärschwingeraufhängung mit dem Primärschwinger verbunden ist, ermöglicht es, daß die beiden Schwingungen entkoppelt werden können. Der Primärschwinger wird zu einer translatorischen oder rotatorischen Schwingung angeregt, welche über die Sekundärschwingeraufhängung auf den Sekundärschwinger übertragen wird. Eine aufgrund einer Drehung des Drehratensensors wirkende Coriolis-Kraft wirkt jedoch aufgrund einer geeigneten Gestaltung der Primärschwingeraufhängung nur auf den Sekundärschwinger, und nicht auf den Primärschwinger, weswegen die Anregung von der MeßgrößeA biaxial joint for an oscillator, which is present in the prior art and is concentrated in a spatial point, so to speak, and which allows the mutually orthogonal primary and secondary oscillations of the single oscillator, is converted in the yaw rate sensor according to the present invention into two separate joints and oscillators, which are, on the one hand, the primary oscillator suspension or the primary oscillator and, on the other hand, the secondary oscillator suspension or the secondary oscillator. The provision of a second oscillator, i.e. the secondary oscillator, which is connected to the primary oscillator via the secondary oscillator suspension, makes it possible for the two oscillations to be decoupled. The primary oscillator is excited to a translational or rotational oscillation, which is transferred to the secondary oscillator via the secondary oscillator suspension. However, a Coriolis force acting due to a rotation of the yaw rate sensor acts only on the secondary oscillator and not on the primary oscillator due to a suitable design of the primary oscillator suspension, which is why the excitation of the measured quantity
nicht beeinflußt wird. Ferner kann durch die Sekundärschwingeraufhängung die Schwingung des Sekundärschwingers aufgrund der Coriolis-Kraft nur unwesentlich auf die Bewegung des Primärschwingers übertragen werden. Somit erlaubt der Drehratensensor gemäß der vorliegenden Erfindung zwar eine Übertragung der Primärschwingung von dem Primärschwinger auf den Sekundärschwinger, jedoch keine Übertragung der Sekundärschwingung zurück auf den Primärschwinger.is not influenced. Furthermore, the secondary oscillator suspension means that the oscillation of the secondary oscillator can only be transferred to the movement of the primary oscillator to an insignificant extent due to the Coriolis force. Thus, the yaw rate sensor according to the present invention allows the primary oscillation to be transferred from the primary oscillator to the secondary oscillator, but does not allow the secondary oscillation to be transferred back to the primary oscillator.
Durch den Aufbau des Vibrationsgyroskops gemäß der vorliegenden Erfindung, derart, daß sich sowohl der Primär- als auch der Sekundärschwinger im wesentlichen in der gleichen Ebene erstrecken, wird die Herstellung einfach, da das Vibrationsgyroskop vollständig kompatibel mit bekannten planaren Herstellungsprozessen hergestellt werden kann. Dadurch, daß ferner die Primärschwingung und/oder die Sekundärschwingung in der Ebene, in der auch der Primärschwinger und der Sekundärschwinger gebildet sind, stattfinden, kann die Coriolis-Kraft immer derart auf den im wesentlichen planaren Sekundärschwinger wirken, daß er zu einer Schwingung angeregt werden kann.By constructing the vibrating gyroscope according to the present invention in such a way that both the primary and the secondary oscillators extend essentially in the same plane, production becomes simple, since the vibrating gyroscope can be manufactured in a way that is fully compatible with known planar manufacturing processes. Furthermore, since the primary oscillation and/or the secondary oscillation take place in the plane in which the primary oscillator and the secondary oscillator are also formed, the Coriolis force can always act on the essentially planar secondary oscillator in such a way that it can be excited to oscillate.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:
Fig. IA eine Draufsicht eines Drehratensensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 1A is a plan view of a rotation rate sensor according to a first embodiment of the present invention;
Fig. IB einen Querschnitt des Drehratensensors aus Fig. IA;Fig. IB shows a cross-section of the yaw rate sensor from Fig. IA;
Fig. 2 eine Draufsicht eines Drehratensensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 is a plan view of a rotation rate sensor according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 3 eine Draufsicht eines Drehratensensors gemäß einemFig. 3 is a plan view of a rotation rate sensor according to a
dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; third embodiment of the present invention;
Fig. 4A eine Draufsicht eines Drehratensensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4A is a plan view of a rotation rate sensor according to a fourth embodiment of the present invention;
Fig. 4B einen Querschnitt des Drehratensensors von Fig. 4A entlang der Linie A-B; undFig. 4B is a cross-section of the yaw rate sensor of Fig. 4A along the line A-B; and
fig. 5 eine Draufsicht eines Drehratensensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 is a plan view of a rotation rate sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
Fig. IA zeigt in der Draufsicht einen Drehratensensor 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, während Fig. IB einen schematischen Querschnitt des Drehratensensors 100 entlang der Linie A-A' aus Fig. IA darstellt. Der Drehratensensor 100 weist einen Grundkörper 102 auf, an dem mittels einer Primärschwingeraufhängung 104, die eine Verankerung 104a und vier Federbalken 104b aufweist, ein Primärschwinger 106 befestigt ist. Der Primärschwinger 106 weist einen äußeren Ring 106a und einen inneren Ring 106b auf. Zwischen dem äußeren Ring 106a und dem inneren Ring 106b des Primärschwingers 106 sind Gruppen von kammartigen Elektroden 108 angeordnet. Die Elektrodengruppen 108 des Primärschwingers greifen jeweils fingerartig in gegenüberliegende feststehende Elektrodengruppen 110 ein. Als Primärschwingeraufhängung ist abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel auch eine Konfiguration möglich, bei der vier Verankerungen in der x-y-Ebene angeordnet sind, derart, daß Verbindungslinien zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Verankerungen einen rechten Winkel zueinander bilden. Am Schnittpunkt dieser als Federbalken ausgeführten Verbindungslinien, d.h. dem Symmetriezentrum der Primärschwingeraufhängung, sind dann die z.B. vier Federbalken (104) angeordnet .Fig. 1A shows a top view of a rotation rate sensor 100 according to a first embodiment of the present invention, while Fig. 1B shows a schematic cross section of the rotation rate sensor 100 along the line A-A' from Fig. 1A. The rotation rate sensor 100 has a base body 102 to which a primary oscillator 106 is attached by means of a primary oscillator suspension 104, which has an anchor 104a and four spring bars 104b. The primary oscillator 106 has an outer ring 106a and an inner ring 106b. Groups of comb-like electrodes 108 are arranged between the outer ring 106a and the inner ring 106b of the primary oscillator 106. The electrode groups 108 of the primary oscillator each engage like fingers in opposite fixed electrode groups 110. As a primary oscillator suspension, in contrast to the first embodiment, a configuration is also possible in which four anchors are arranged in the x-y plane in such a way that connecting lines between two opposing anchors form a right angle to each other. At the intersection point of these connecting lines designed as spring beams, i.e. the center of symmetry of the primary oscillator suspension, the four spring beams (104) are then arranged.
Eine Elektrodengruppe 108 des Primärschwingers bildet mit einer gegenüber angeordneten feststehenden Elektrodengruppe 110 einen sogenannten Comb-Drive oder Kammantrieb, dessen Funktionsweise herkömmlich ist. Die feststehenden Elektrodengruppen 110 können beispielsweise mit dem Grundkörper 102 verbunden oder auf andere Weise dem Primärschwinger gegenüber fest angeordnet sein, was jedoch in Fig. IB aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Der Primärschwinger 106 ist über Torsionsfedern 112 mit einem Sekundärschwinger 114 verbunden. Die Torsionsfeder 112 stellt somit die Sekundärschwingeraufhängung dar, mittels der der Sekundärschwinger 114 mit dem Primärschwinger 106 mechanisch gekoppelt ist.An electrode group 108 of the primary oscillator forms a so-called comb drive with a fixed electrode group 110 arranged opposite, the mode of operation of which is conventional. The fixed electrode groups 110 can, for example, be connected to the base body 102 or be arranged fixedly opposite the primary oscillator in another way, although this is not shown in Fig. 1B for reasons of clarity. The primary oscillator 106 is connected to a secondary oscillator 114 via torsion springs 112. The torsion spring 112 thus represents the secondary oscillator suspension, by means of which the secondary oscillator 114 is mechanically coupled to the primary oscillator 106.
Der Sekundärschwinger 114 kann bei einem Drehratensensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine rechteckige Form annehmen, wobei derselbe eine Ausnehmung aufweist, in der der Primärschwinger 106 angeordnet ist, wie es in Fig. IA dargestellt ist. An der bezüglich Fig. IA oberen bzw. unteren Seite des Sekundärschwingers befinden sich unter demselben auf dem Grundkörper 102 erste Erfassungselektroden 116a, 116b, sowie optional zusätzliche Elektroden 118a, 118b, deren Zweck nachfolgend beschrieben wird.In a rotation rate sensor according to the first embodiment of the present invention, the secondary oscillator 114 can take on a rectangular shape, wherein it has a recess in which the primary oscillator 106 is arranged, as shown in Fig. 1A. On the upper and lower sides of the secondary oscillator with respect to Fig. 1A, there are first detection electrodes 116a, 116b, as well as optionally additional electrodes 118a, 118b, the purpose of which is described below, located below the secondary oscillator on the base body 102.
Zur Erläuterung der Funktionsweise des Drehratensensors 100 sowie aller weiteren Drehratensensoren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auf das jeweils links in jeder Figur eingezeichnete kartesische Koordinatensystem mit den zueinander orthogonalen Achsen x, y und &zgr; Bezug genommen. To explain the functionality of the yaw rate sensor 100 and all other yaw rate sensors according to the present invention, reference is made below to the Cartesian coordinate system shown on the left in each figure with the mutually orthogonal axes x, y and ζ.
Wenn der Drehratensensor 100 verwendet wird, um eine Drehung desselben um die y-Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit &OHgr;&ngr; zu erfassen, so muß der Primärschwinger 106 zu einer Drehschwingung angeregt werden. Dies geschieht auf für Fachleute bekannte Art und Weise durch Anlegen geeigneter Wechselspannungen an jeweils gegenüberliegende Comb-Drives, welche ausIf the rotation rate sensor 100 is used to detect a rotation of the same around the y-axis with an angular velocity Ω v , the primary oscillator 106 must be excited to a rotational oscillation. This is done in a manner known to those skilled in the art by applying suitable alternating voltages to opposing comb drives, which consist of
den jeweils ineinandergreifenden Elektrodengruppen 108 des Primärschwingers 106 sowie aus den denselben jeweils gegenüberliegenden feststehenden Elektrodengruppen 110 gebildet werden. Ein Comb-Drive führt das für Fachleute bekannte kapazitive Antriebsprinzip aus. Zum Erregen des Primärschwingers 106 zu einer Drehschwingung in der x-y-Ebene können beispielsweise vier Comb-Drives verwendet werden, während die anderen vier Comb-Drives zur kapazitiven Erfassung eben dieser Drehschwingung in der x-y-Ebene verwendet werden. Bei einer Drehung des Primärschwingers 106 um die z-Achse werden die vier Federbalken 104b jeweils durch ein Drehmoment um die &zgr;-Achse abgebogen. Wie es aus Fig. IB ersichtlich ist, weisen die vier Federbalken 104b einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die lange Seite des Querschnitts entlang der z-Richtung verläuft, während die kurze Seite derselben in der x-y-Ebene angeordnet ist.the intermeshing electrode groups 108 of the primary oscillator 106 and the fixed electrode groups 110 opposite them. A comb drive carries out the capacitive drive principle known to those skilled in the art. For example, four comb drives can be used to excite the primary oscillator 106 to a torsional vibration in the x-y plane, while the other four comb drives are used to capacitively detect this torsional vibration in the x-y plane. When the primary oscillator 106 rotates about the z-axis, the four spring bars 104b are each bent about the ζ-axis by a torque. As can be seen from Fig. 1B, the four spring bars 104b have a rectangular cross-section, with the long side of the cross-section running along the z-direction, while the short side of the same is arranged in the x-y plane.
Die Schwingung des Primärschwingers 106 in der x-y-Ebene wird somit über die Torsionsfedern 112 auf den Sekundärschwinger übertragen, wodurch derselbe ebenfalls eine Drehung in der x-y-Ebene vollführt, wie es durch die Pfeile 120 schematisch symbolisiert ist. Die auf den Sekundärschwinger wirkende Coriolis-Kraft aufgrund der Drehung des Drehratensensors 100 um eine zur y-Achse parallele Achse führt zu einer Drehschwingung des Sekundärschwingers 114 um die x-Achse, wie es durch die bekannte Notation 122 symbolisch dargestellt ist. Die Coriolis-Kraft, die selbstverständlich auch auf den Primärschwinger 106 wirkt, führt jedoch aufgrund der beschriebenen Geometrie der Federbalken 104b, d.h. der Primärschwingeraufhängung 104, nicht zu einer Verkippung des Primärsehwingers 106 um die x-Achse. Ferner kann der Sekundärschwinger 114 seine Drehbewegung um die x-Achse aufgrund der Coriolis-Kraft nicht auf den Primärschwinger 106 übertragen, da die Torsionsfedern 112 eine wesentlich geringere Torsionsfestigkeit gegenüber einer Drehung um die x-Achse als die Primärschwingeraufhängung 104 aufweist, die aus der Verankerung 104a und den Federbalken 104b besteht.The oscillation of the primary oscillator 106 in the x-y plane is thus transmitted to the secondary oscillator via the torsion springs 112, whereby the latter also performs a rotation in the x-y plane, as is schematically symbolized by the arrows 120. The Coriolis force acting on the secondary oscillator due to the rotation of the yaw rate sensor 100 about an axis parallel to the y-axis leads to a torsional oscillation of the secondary oscillator 114 about the x-axis, as is symbolically represented by the known notation 122. The Coriolis force, which of course also acts on the primary oscillator 106, does not, however, lead to a tilting of the primary oscillator 106 about the x-axis due to the described geometry of the spring beams 104b, i.e. the primary oscillator suspension 104. Furthermore, the secondary oscillator 114 cannot transfer its rotational movement about the x-axis to the primary oscillator 106 due to the Coriolis force, since the torsion springs 112 have a significantly lower torsional strength against rotation about the x-axis than the primary oscillator suspension 104, which consists of the anchor 104a and the spring beams 104b.
Die Bewegung des Sekundärschwingers 114, der aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen kann, wie z.B. aus Polysilizium, wird über die darunter liegenden Erfassungselektroden 116a und 116b kapazitiv erfaßt. Das Vorhandensein von zwei Erfassungselektroden 116a und 116b ermöglicht ein differentielles Meßverfahren, durch das auf bekannte Weise u.a. die Empfindlichkeit des Sensors im Vergleich zu einem einfachen Meßverfahren verdoppelt wird.The movement of the secondary oscillator 114, which can consist of an electrically conductive material, such as polysilicon, is capacitively detected via the underlying detection electrodes 116a and 116b. The presence of two detection electrodes 116a and 116b enables a differential measuring method, which in a known manner doubles, among other things, the sensitivity of the sensor compared to a simple measuring method.
Durch Rückkopplung einer geeigneten Spannung an die beiden Erfassungselektroden 116a und 116b oder durch Anlegen einer Spannung an die zusätzlichen Elektroden 118 und 118b kann die Coriolis-Kraft in einem bestimmten Bereich kompensiert werden, wodurch die Bandbreite des Drehratensensors 100 vergrößert wird. Wird beispielsweise eine Wechselspannung an die Erfassungselektroden 116a und 116b oder an die zusätzlichen Elektroden 118a und 118b angelegt, die der Schwingung des Sekundärschwingers bis zu einem bestimmten Grad entgegenwirkt, so können größere Coriolis-Kräfte auf den Sekundärschwinger 114 gemessen werden, ohne daß das mechanische System zu große Schwingungsamplituden erleidet.By feeding back a suitable voltage to the two detection electrodes 116a and 116b or by applying a voltage to the additional electrodes 118 and 118b, the Coriolis force can be compensated in a certain range, thereby increasing the bandwidth of the rotation rate sensor 100. For example, if an alternating voltage is applied to the detection electrodes 116a and 116b or to the additional electrodes 118a and 118b, which counteracts the oscillation of the secondary oscillator to a certain degree, larger Coriolis forces can be measured on the secondary oscillator 114 without the mechanical system suffering excessive oscillation amplitudes.
Der Abgleich der Eigenfrequenzen erfolgt durch ein elektrostatisches Anpassen der Eigenfrequenz der Sekundärschwingung. Das Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden 116a, 116b oder an die zusätzlichen Elektroden 118a, 118b verringert die Eigenfrequenz der Sekundärschwingung. Durch Rückkoppeln einer Wechselspannung an die genannten Elektroden kann die Eigenfrequenz der Sekundärschwingung auch erhöht werden. Durch den Abgleich der Eigenfrequenzen wird der Drehratensensor für kleinere Winkelgeschwindigkeiten &OHgr;&ngr; empfindlicher. The adjustment of the natural frequencies is carried out by electrostatically adjusting the natural frequency of the secondary oscillation. Applying a direct voltage to the electrodes 116a, 116b or to the additional electrodes 118a, 118b reduces the natural frequency of the secondary oscillation. The natural frequency of the secondary oscillation can also be increased by feeding back an alternating voltage to the aforementioned electrodes. By adjusting the natural frequencies, the rotation rate sensor becomes more sensitive for smaller angular velocities Ω ν .
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß beim ersten Ausführungsbeispiel die Hauptoberflächen, d.h. die in Fig. 1 gezeichneten Oberflächen, sowohl des Primär- als auch des Sekundärschwingers in der x-y-Ebene angeordnet sind, wobei die PrimärSchwingung ebenfalls in dieser Ebene erzeugt wird.In summary, it can be stated that in the first embodiment, the main surfaces, i.e. the surfaces shown in Fig. 1, of both the primary and the secondary oscillator are arranged in the x-y plane, whereby the primary oscillation is also generated in this plane.
Damit wird durch eine Rotation des Sensors eine Coriolis-Kraft senkrecht zur x-y-Ebene erzeugt, weshalb keine vorstehenden Elemente wie beim Stand der Technik notwendig sind. Ferner wird auf vorteilhafte Weise das Hebelarmprinzip ausgenutzt, wodurch zwei besonders bei einer mikromechanischen Realisierung kritische Schwierigkeiten umgangen werden. Relativ kleine Biegungen der länglichen Federbalken 104b erlauben große Auslenkungen, d.h. eine große Schwingungsamplitude und Geschwindigkeit des Sekundärschwingers 106 in Richtung der Primärschwingung. Damit ist es möglich, die Federbalken 104b im linearen Biegungsbereich zu betreiben. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft des Drehratensensors 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht in der mechanischen Kompensation von Störkräften, wie z.B. Kräften aufgrund von auf den Sekundärschwinger wirkenden translatorischen Beschleunigungen, da der Sekundärschwinger 114 in der Erfassungsrichtung nur durch Drehmomente, die um die x-Achse wirken, ausgelenkt werden kann.This means that a Coriolis force is generated perpendicular to the x-y plane by rotating the sensor, which is why no protruding elements are required as in the prior art. Furthermore, the lever arm principle is used in an advantageous manner, which avoids two difficulties that are particularly critical in a micromechanical implementation. Relatively small bends of the elongated spring beams 104b allow large deflections, i.e. a large oscillation amplitude and speed of the secondary oscillator 106 in the direction of the primary oscillation. This makes it possible to operate the spring beams 104b in the linear bending range. A further advantageous property of the rotation rate sensor 100 according to the first embodiment of the present invention is the mechanical compensation of disturbing forces, such as forces due to translational accelerations acting on the secondary oscillator, since the secondary oscillator 114 can only be deflected in the detection direction by torques acting around the x-axis.
Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die Bezugnahme auf ein x-y-z-Koordinatensystem lediglich die Beschreibung der vorliegenden Erfindung vereinfacht und der Klarheit förderlich ist, da der Drehratensensor 100 sowie alle im nachfolgenden beschriebenen Drehratensensoren gemäß anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in jeder beliebigen Anordnung positioniert werden können. Die Bezugnahme auf das x-y-z-Koordinatensystem dient lediglich der Beschreibung der Richtungsverhältnisse der einzelnen Bewegungen in Relation zueinander. Ersichtlich ist auch, daß der Sensor bei einer Drehung um eine beliebige Achse die Komponenten in Richtung seiner sensitiven Achse(n) detektiert.It is obvious to those skilled in the art that reference to an x-y-z coordinate system merely simplifies the description of the present invention and promotes clarity, since the rotation rate sensor 100 and all rotation rate sensors described below according to other embodiments of the present invention can be positioned in any arrangement. Reference to the x-y-z coordinate system merely serves to describe the directional relationships of the individual movements in relation to one another. It is also clear that when the sensor rotates about any axis, it detects the components in the direction of its sensitive axis(es).
Es ist ferner für Fachleute offensichtlich, daß die Anzahl der Federbalken 104b und die Anordnung derselben entlang der Winkelhalbierenden der x-y-Ebene lediglich beispielhaft ist. Entscheidend ist, daß die Steifigkeit der Aufhängung 104 gegenüber einer Drehung um die x-Achse ausreichend groß ist,It is also obvious to those skilled in the art that the number of the spring beams 104b and the arrangement of the same along the bisector of the x-y plane is merely exemplary. It is crucial that the stiffness of the suspension 104 is sufficiently high with respect to rotation about the x-axis,
Ij —Ij —
um ein Verkippen des Primärschwingers 106 gegenüber den feststehenden Elektroden 110 zu verhindern, um eine Rückwirkung der Sekundärschwingung auf die Primärschwingung, d.h. auf die Anregungsanordnung für die Primärschwingung, zu vermeiden. So würden im einfachsten Fall bereits zwei Federbalken ausreichend sein, die parallel zu der y-Achse angeordnet sind und die Verankerung 104a mit dem inneren Ring 106b des Primärschwingers verbinden. Ein Anordnen der Federbalken 104b in der x-Achse ist weniger vorteilhaft, als ein Anordnen derselben in einem Winkel zur x-Achse. Diese Bemerkungen bezüglich der Steifigkeit der Aufhängungen gelten für alle Ausführungsbeispiele und insbesondere auch für die Sekundärschwingeraufhängungen, auch wenn sie im nachfolgenden nicht mehr explizit wiederholt werden.to prevent the primary oscillator 106 from tilting relative to the fixed electrodes 110, to avoid a reaction of the secondary oscillation on the primary oscillation, i.e. on the excitation arrangement for the primary oscillation. In the simplest case, two spring beams would be sufficient, arranged parallel to the y-axis and connecting the anchor 104a to the inner ring 106b of the primary oscillator. Arranging the spring beams 104b in the x-axis is less advantageous than arranging them at an angle to the x-axis. These comments regarding the rigidity of the suspensions apply to all embodiments and in particular to the secondary oscillator suspensions, even if they are not explicitly repeated below.
Fig. 2 zeigt in der Draufsicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 200 weist einen Primärschwinger 2 06 auf, der zu dem Primärschwinger 106 des Drehratensensors 100 im wesentlichen identisch ist. Der Primärschwinger 206 ist über eine Primär schwinger auf hängung 204, die eine Verankerung 204a und vier Federbalken 204b aufweist, entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Grundkörper (nicht gezeigt) verbunden.Fig. 2 shows a top view of a second embodiment of a rotation rate sensor 200 according to the present invention. The rotation rate sensor 200 has a primary oscillator 206, which is essentially identical to the primary oscillator 106 of the rotation rate sensor 100. The primary oscillator 206 is connected to a base body (not shown) via a primary oscillator suspension 204, which has an anchor 204a and four spring bars 204b, in accordance with the first embodiment of the present invention.
Ein Unterschied des Drehratensensors 2 00 im Vergleich zum Drehratensensor 100 besteht darin, daß der Drehratensensor 2 00 eine Drehung desselben sowohl um eine Achse parallel zur y-Achse als auch eine Drehung desselben um eine zur x-Achse parallelen Achse erfassen kann. Dies ist durch das Vorhandensein zweier Sekundärschwinger 230, 232 möglich. Der erste Sekundärschwinger 23 0 besteht aus einem ersten Teil 2 30a und aus einem zweiten Teil 230b. Ebenso besteht der zweite Sekundärschwinger 232 aus einem ersten Teil 2 32a und aus einem zweiten Teil 232b. Der erste Teil 230a sowie der zweite Teil 230b sind über eine erste Sekundärschwingeraufhängung 234 mit dem Primärschwinger 206 verbunden. Analog dazu sind derA difference between the yaw rate sensor 200 and the yaw rate sensor 100 is that the yaw rate sensor 200 can detect a rotation of the same both around an axis parallel to the y-axis and a rotation of the same around an axis parallel to the x-axis. This is possible due to the presence of two secondary oscillators 230, 232. The first secondary oscillator 230 consists of a first part 230a and a second part 230b. Likewise, the second secondary oscillator 232 consists of a first part 232a and a second part 232b. The first part 230a and the second part 230b are connected to the primary oscillator 206 via a first secondary oscillator suspension 234. Analogously, the
erste Teil 232a und der zweite Teil 232b des zweiten Sekundärschwingers 232 über zweite Sekundärschwingeraufhängungen 236 mit dem Primärschwinger 206 verbunden.first part 232a and the second part 232b of the second secondary oscillator 232 are connected to the primary oscillator 206 via second secondary oscillator suspensions 236.
Der erste Sekundärschwinger 230 ist derart bezüglich des Primärschwingers 206 ausgerichtet, daß seine Symmetrieachse parallel zur y-Achse ist und die z-Achse, um die der Primärschwinger 206 eine Drehschwingung ausführt, schneidet. Eine Symmetrieachse des zweiten Sekundärschwingers 23 2 steht dagegen senkrecht auf der Symmetrieachse des ersten Sekundärschwingers 230. Der erste Sekundärschwinger ist somit parallel zur y-Achse ausgerichtet, während der zweite Sekundärschwinger 232 parallel zur x-Achse ausgerichtet ist.The first secondary oscillator 230 is aligned with respect to the primary oscillator 206 such that its axis of symmetry is parallel to the y-axis and intersects the z-axis around which the primary oscillator 206 performs a rotational oscillation. In contrast, an axis of symmetry of the second secondary oscillator 232 is perpendicular to the axis of symmetry of the first secondary oscillator 230. The first secondary oscillator is thus aligned parallel to the y-axis, while the second secondary oscillator 232 is aligned parallel to the x-axis.
Die beiden Sekundärschwingeraufhängungen 234 und 236 sind als Federbalken ausgeführt, wobei die Federbalken der ersten Sekundärschwingeraufhängung 2 34 und die Federbalken der zweiten Sekundärschwingeraufhängung 236 durch eine in der z-Richtung wirkende Kraft auslenkbar sind, gegenüber einer Kraft in der x- oder in der y-Richtung jedoch im wesentlichen steif sein können. Ihre Querschnittsgeometrie entspricht somit einem Rechteck, dessen lange Seite in der xy-Ebene angeordnet ist, während ihre schmale Seite in der z-Richtung vorgesehen ist. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Querschnittsgeometrie der Federbalken, welche bei der vorliegende Erfindung verwendet werden, nicht auf ein Rechteck begrenzt ist, sondern daß auch beispielsweise eine ovale oder eine andere Querschnittsgeometrie verwendet werden kann, welche es ermöglicht, daß ein solcher Federbalken in einer Richtung eine höhere Federsteifigkeit als in einer anderen Richtung aufweist. Die Anisotropie der Steifigkeit könnte jedoch, wie es bereits angemerkt wurde, ebenfalls durch geeignete Anordnung der Federbalken erreicht werden.The two secondary oscillator suspensions 234 and 236 are designed as spring beams, whereby the spring beams of the first secondary oscillator suspension 234 and the spring beams of the second secondary oscillator suspension 236 can be deflected by a force acting in the z-direction, but can be essentially rigid against a force in the x- or y-direction. Their cross-sectional geometry thus corresponds to a rectangle, the long side of which is arranged in the xy plane, while its narrow side is provided in the z-direction. At this point, it should be noted that the cross-sectional geometry of the spring beams used in the present invention is not limited to a rectangle, but that, for example, an oval or other cross-sectional geometry can also be used, which enables such a spring beam to have a higher spring stiffness in one direction than in another direction. However, as already mentioned, the anisotropy of the stiffness could also be achieved by a suitable arrangement of the cantilevers.
Wird der Primärschwinger 206 durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung an jeweilige Elektrodengruppen 208 des Primärschwingers und entsprechende feststehende Elektrodengrup-If the primary oscillator 206 is activated by applying a suitable alternating voltage to the respective electrode groups 208 of the primary oscillator and corresponding fixed electrode groups
ie* · J J ·&bgr;#· J«»t ie* · JJ · &bgr;# · J«» t
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pen 210 angeregt, so wird er eine Drehschwingung in der xy-Ebene ausführen. Diese Drehschwingung wird über die erste Sekundärschwingeraufhängung und über die zweite Sekundärschwingeraufhängung auf die Sekundärschwinger 230 und 232 übertragen, wie es durch die Pfeile 220 schematisch dargestellt ist. Eine Drehung des Drehratensensors 200 um eine zu der y-Achse parallelen Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit üy führt zu einer Drehschwingung des ersten Sekundärschwingers 230 um die x-Achse, welche über Erfassungselektroden 216a, 216b des ersten Sekundärschwingers, wie es beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, erfaßt werden kann. Eine Drehung des Drehratensensors 200 um die x-Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit &OHgr;&khgr; führt dagegen zu einer Drehschwingung des zweiten Sekundärschwingers 232 um die y-Achse. Unter dem zweiten Sekundärschwinger sind genauso wie unter dem ersten Sekundärschwinger entsprechende Erfassungselektroden 216a, 216b sowie zusätzliche Elektroden 218a, 218b vorgesehen.pen 210 is excited, it will execute a torsional oscillation in the xy plane. This torsional oscillation is transmitted to the secondary oscillators 230 and 232 via the first secondary oscillator suspension and the second secondary oscillator suspension, as is schematically shown by the arrows 220. A rotation of the y-axis sensor 200 about an axis parallel to the y-axis at an angular velocity üy leads to a torsional oscillation of the first secondary oscillator 230 about the x-axis, which can be detected via detection electrodes 216a, 216b of the first secondary oscillator, as was described in the first exemplary embodiment. A rotation of the y-axis sensor 200 about the x-axis with an angular velocity Ω χ leads, on the other hand, to a torsional oscillation of the second secondary oscillator 232 about the y-axis. Under the second secondary oscillator, as well as under the first secondary oscillator, corresponding detection electrodes 216a, 216b and additional electrodes 218a, 218b are provided.
Die Erfassung der Drehungen um die x- oder um die y-Achse des Drehratensensors 200 sowie der Abgleich der Eigenfrequenzen durch elektrostatisches Anpassen der Eigenfrequenz der Sekundärschwingung erfolgt genauso, wie es beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. Der Drehratensensor 200 stellt also genauso wie der Drehratensensor 100 einen Sensor mit elektrostatischem Antrieb und kapazitivem Meßprinzip dar. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß der kapazitive Antrieb sowie das kapazitive Meßprinzip lediglich beispielhaft sind, da beliebige andere für Fachleute bekannte Antriebs- und Meßprinzipien bei allen beschriebenen und noch zu beschreibenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.The detection of the rotations around the x- or y-axis of the rotation rate sensor 200 and the adjustment of the natural frequencies by electrostatically adjusting the natural frequency of the secondary oscillation takes place in the same way as described in the first embodiment. The rotation rate sensor 200 is therefore, just like the rotation rate sensor 100, a sensor with an electrostatic drive and capacitive measuring principle. However, it is obvious to those skilled in the art that the capacitive drive and the capacitive measuring principle are merely examples, since any other drive and measuring principles known to those skilled in the art can be used in all of the embodiments of the present invention described and yet to be described.
Ein Vorteil des Drehratensensors 200 gegenüber dem Drehratensensor 100 besteht darin, daß eine zweiachsige Messung einer Drehung möglich ist. Nachteilig an dem Drehratensensor 200 gegenüber dem Drehratensensor 100 ist die Tatsache, daß der Drehratensensor 200 keine mechanische KompensationAn advantage of the yaw rate sensor 200 compared to the yaw rate sensor 100 is that a two-axis measurement of a rotation is possible. A disadvantage of the yaw rate sensor 200 compared to the yaw rate sensor 100 is the fact that the yaw rate sensor 200 does not have any mechanical compensation
— Ib ——Ib—
translatorischer Störkräfte aufweist, da sowohl der erste Sekundärschwinger 230 als auch der zweite Sekundärschwinger 232 nicht nur durch Drehmomente, sondern auch durch translatorische Kräfte in z-Richtung ablenkbar sind. Translatorische Störungen können jedoch durch elektrische Differenzmessung ausgeglichen werden kann, da die durch die Drehung verursachte Bewegung der Sekundärschwinger gegenläufig ist, während translatorische Störungen eine gleichphasige Bewegung derselben erzeugen.translational disturbance forces, since both the first secondary oscillator 230 and the second secondary oscillator 232 can be deflected not only by torques but also by translational forces in the z-direction. However, translational disturbances can be compensated by electrical differential measurement, since the movement of the secondary oscillators caused by the rotation is in the opposite direction, while translational disturbances produce an in-phase movement of the same.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die günstigste Form der Elektroden 116, 118, 216, 218 nicht rechteckig ist, obwohl dieselben in den Figuren derart dargestellt sind. Die günstigste Form besteht insbesondere darin, daß die Kanten der Elektroden an den Stellen, an denen sie unter den beweglichen Elektroden, d.h. den Sekundärschwingern 114, 230a, 230b, 232a, 232b, "heraustreten", entlang eines Drehradius verlaufen, und zwar innerhalb und außerhalb, um bei der kapazitiven Erfassung der Sekundärschwingung durch die Drehbewegung der Sekundärschwinger keine Kapazitätsänderungen (im Idealfall die Fläche eines Plattenkondensators) einzuführen, die der Meßgröße überlagert sind und zu Meßfehlern führen können. Ebenfalls können die Sekundärschwinger andere als rechteckige Formen aufweisen, solange sie eine Hauptoberfläche besitzen, die zur Hauptoberfläche des Primärschwingers parallel ist.At this point, it should be noted that the most favorable shape of the electrodes 116, 118, 216, 218 is not rectangular, although they are shown as such in the figures. The most favorable shape consists in particular in that the edges of the electrodes at the points where they "protrude" from under the movable electrodes, i.e. the secondary oscillators 114, 230a, 230b, 232a, 232b, run along a radius of rotation, both inside and outside, in order to avoid introducing capacitance changes (ideally the area of a plate capacitor) during the capacitive detection of the secondary oscillation by the rotational movement of the secondary oscillators, which are superimposed on the measured variable and can lead to measurement errors. The secondary oscillators can also have shapes other than rectangular, as long as they have a main surface that is parallel to the main surface of the primary oscillator.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung läßt sich feststellen, daß die Hauptoberflächen, d.h. die in Fig. 2 gezeichneten Oberflächen sowohl des Primärais auch der Sekundärschwinger in der x-y-Ebene angeordnet sind, wobei die Primärschwingung ebenfalls in dieser Ebene erzeugt wird. Damit wird durch eine Rotation des Sensors eine Coriolis-Kraft senkrecht zur x-y-Ebene erzeugt, weshalb ebenfalls keine vorstehenden Elemente notwendig sind.As in the first embodiment of the present invention, it can be seen that the main surfaces, i.e. the surfaces shown in Fig. 2 of both the primary and secondary oscillators, are arranged in the x-y plane, with the primary oscillation also being generated in this plane. Thus, a Coriolis force perpendicular to the x-y plane is generated by rotating the sensor, which is why no protruding elements are necessary either.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht einen Drehratensensors 3 00 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er-Fig. 3 shows a plan view of a rotation rate sensor 3 00 according to a third embodiment of the present invention.
findung. Der Drehratensensor 300 arbeitet nach dem Prinzip der Tuning Fork, das für Fachleute bekannt ist und in J. Bernstein, S. Cho, A.I. King, A. Kourepins, P. Maclel und M. Weinberg, "A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope", Proc. IEEE Micro Electromechanical Systems Conference, Florida, USA, Februar 1993, Seiten 143-148, beschrieben ist. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt der Drehratensensor 300 einen ersten Primärschwinger 306a, sowie einen zweiten Primärschwinger 306b. Sowohl der erste Primärschwinger 306a als auch der zweite Primärschwinger 306b sind mittels identischer Primärschwingeraufhängungen 304 an einem Grundkörper (nicht gezeigt) befestigt, wobei sich jede Primärschwingeraufhängung aus einer Verankerung 3 04a und einem Federbalken 3 04b zusammensetzt. Jeder Primärschwinger umfaßt ferner Elektrodengruppen 308, die in feststehende Elektrodengruppen 310 eingreifen, um den ersten Primärschwinger 306a sowie den zweiten Primärschwinger 306b in eine parallel zur y-Achse gerichtete translatorische Schwingung zu versetzen. Jeder Primärschwinger ist mittels einer Sekundärschwingeraufhängung 312 mit einem Sekundärschwinger, bestehend aus einem ersten Sekundärschwinger 314a und einem zweiten Sekundärschwinger 314b, verbunden. Jede Sekundärschwingeraufhängung 312 besteht aus zwei Torsionsfedern 312a sowie aus vier Federbalken 312b.invention. The yaw rate sensor 300 operates according to the tuning fork principle, which is known to those skilled in the art and is described in J. Bernstein, S. Cho, AI King, A. Kourepins, P. Maclel and M. Weinberg, "A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope" , Proc. IEEE Micro Electromechanical Systems Conference, Florida, USA, February 1993, pages 143-148. As shown in Fig. 3, the yaw rate sensor 300 comprises a first primary oscillator 306a and a second primary oscillator 306b. Both the first primary oscillator 306a and the second primary oscillator 306b are attached to a base body (not shown) by means of identical primary oscillator suspensions 304, each primary oscillator suspension being composed of an anchor 304a and a spring beam 304b. Each primary oscillator further comprises electrode groups 308 which engage in fixed electrode groups 310 in order to cause the first primary oscillator 306a and the second primary oscillator 306b to oscillate in a translational manner parallel to the y-axis. Each primary oscillator is connected to a secondary oscillator, consisting of a first secondary oscillator 314a and a second secondary oscillator 314b, by means of a secondary oscillator suspension 312. Each secondary oscillator suspension 312 consists of two torsion springs 312a and four spring beams 312b.
Wird nun an die Comb-Drives, die durch die jeweiligen Elektrodengruppen 308 und 310 gebildet sind, eine Wechselspannung angelegt, derart, daß der erste Primärschwinger 306a gegenphasig zum zweiten Primärschwinger 3 06b schwingt, wie es durch Pfeile 340, die auf den Primärschwingern gezeichnet sind, dargestellt ist, so wird die translatorische, parallel zur y-Achse gerichtete Bewegung der Primärschwinger 306a und 3 06b über die Sekundärschwingeraufhängung 312 in eine translatorische Bewegung parallel zur x-Achse des ersten und des zweiten SekundärSchwingers 314a und 314b transformiert, wie es durch Pfeile 342 auf den Sekundärschwingern symbolisch dargestellt ist. Aus Fig. 3 ist es für Fachleute offensichtlich, daß die gegenphasige Bewegung der beiden Primärschwin-If an alternating voltage is now applied to the comb drives formed by the respective electrode groups 308 and 310, such that the first primary oscillator 306a oscillates in antiphase to the second primary oscillator 306b, as shown by arrows 340 drawn on the primary oscillators, the translational movement of the primary oscillators 306a and 306b directed parallel to the y-axis is transformed via the secondary oscillator suspension 312 into a translational movement parallel to the x-axis of the first and second secondary oscillators 314a and 314b, as symbolically shown by arrows 342 on the secondary oscillators. From Fig. 3 it is obvious to experts that the antiphase movement of the two primary oscillators
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ger ebenfalls zu einer gegenphasigen Bewegung der beiden Sekundärschwinger führt.ger also leads to an antiphase movement of the two secondary oscillators.
Wenn der Drehratensensor 300 einer Drehung um eine zur y-Achse parallele Achse 344 unterworfen wird, so wird eine Coriolis-Kraft auf den ersten und den zweiten Sekundärschwinger 314a und 314b erzeugt, wie es durch die bekannte Notation 346 symbolisch dargestellt ist. Die Bewegungen des ersten und zweiten Sekundärschwingers 314a und 314b werden durch darunterliegende Erfassungselektroden 316 bzw. darunterliegende zusätzliche Elektroden 318 erfaßt, wobei der erste und der zweite Sekundärschwinger mit einer jeweils darunterliegenden Erfassungselektrode einen differentiellen, kapazitiven Detektor bilden. Einen Frequenzabgleich und eine Rückkopplung, wie es in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, sind analog dazu mittels zusätzlicher Elektroden 318 möglich, falls es erforderlich ist.When the rotation rate sensor 300 is subjected to a rotation about an axis 344 parallel to the y-axis, a Coriolis force is generated on the first and second secondary oscillators 314a and 314b, as is symbolically represented by the known notation 346. The movements of the first and second secondary oscillators 314a and 314b are detected by underlying detection electrodes 316 or additional electrodes 318, respectively, whereby the first and second secondary oscillators form a differential capacitive detector with a respective underlying detection electrode. Frequency adjustment and feedback, as described in connection with the first embodiment of the present invention, are analogously possible using additional electrodes 318 if necessary.
Die Federbalken 3 04b sowie die Verankerungen 304a der Primärschwingeraufhängungen 3 04 erlauben eine Bewegung jedes Primärschwingers in der y-Richtung, während sie eine Bewegung in der Richtung, in der die Coriolis-Kraft wirkt, d.h. in der z-Richtung, verhindern, wenn ihre Querschnittsgeometrie entsprechend gestaltet ist, wie es bei den letzten Ausführungsbeispielen erläutert wurde. Die Federbalken 312b der Sekundärschwingeraufhängung 312 sind so gestaltet, daß sie die gewünschten Federeigenschaften in der lateralen Richtung, d.h. in der x-Richtung, erfüllen, wo hingegen sie in der z-Richtung sehr starr sind. Die Torsionsfedern 312a verhindern ein Verkippen der Elektrodengruppen 308 des Primärschwingers gegenüber den feststehenden Elektrodengruppen 310 und damit eine Rückwirkung der Meßgröße auf die Anregung, bzw. den Comb-Drive. Die Torsionsfedern 312a erlauben somit die Drehschwingung des Sekundärschwingers 314a und 314b, ohne die Sekundärschwingung auf die Primärschwinger 306a und 3 06b zurück zu übertragen.The spring beams 304b and the anchors 304a of the primary oscillator suspensions 304 allow a movement of each primary oscillator in the y-direction, while preventing a movement in the direction in which the Coriolis force acts, i.e. in the z-direction, if their cross-sectional geometry is designed accordingly, as explained in the last embodiments. The spring beams 312b of the secondary oscillator suspension 312 are designed in such a way that they fulfill the desired spring properties in the lateral direction, i.e. in the x-direction, whereas they are very rigid in the z-direction. The torsion springs 312a prevent the electrode groups 308 of the primary oscillator from tilting relative to the fixed electrode groups 310 and thus a reaction of the measured variable on the excitation or the comb drive. The torsion springs 312a thus allow the torsional vibration of the secondary oscillators 314a and 314b without transmitting the secondary vibration back to the primary oscillators 306a and 306b.
Wie bei den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung läßt sich feststellen, daß die Hauptoberflächen, d.h. die in Fig. 3 gezeichneten Oberflächen, sowohl des Primär- als auch des Sekundärschwingers in der x-y-Ebene angeordnet sind, wobei die Primärschwingung ebenfalls in dieser Ebene erzeugt wird. Damit wird durch eine Rotation des Sensors eine Coriolis-Kraft senkrecht zur x-y-Ebene erzeugt, weshalb auch hier keine vorstehenden Elemente notwendig sind.As with the two previous embodiments of the present invention, it can be seen that the main surfaces, i.e. the surfaces shown in Fig. 3, of both the primary and secondary oscillators are arranged in the x-y plane, with the primary oscillation also being generated in this plane. Thus, a Coriolis force perpendicular to the x-y plane is generated by rotating the sensor, which is why no protruding elements are necessary here either.
Fig. 4A zeigt eine Draufsicht eines Drehratensensors 400 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, während Fig. 4B einen Querschnitt desselben entlang der Linie A-B darstellt. Der Drehratensensor 400 umfaßt einen Primärschwinger 406, der mittels einer Primärschwingeraufhängung 404, die aus vier Einheiten besteht, mit einem Grundkörper 402 verbunden ist. Eine Einheit der Primärschwingeraufhängung 404 umfaßt eine Verankerung 404a und einen Federbalken 404b. Die Verankerung ist mit dem Grundkörper 402 und mit dem Federbalken 404b verbunden, während der Federbalken die Verankerung und den Primärschwinger 406 verbindet. Der Primärschwinger 406 weist ferner vier Elektrodengruppen 108 auf, die in feststehende, d.h. mit dem Grundkörper 402 verbunden, Elektrodengruppen 410 eingreifen, um jeweils einen Comb-Drive zu bilden.Fig. 4A shows a top view of a rotation rate sensor 400 according to a fourth embodiment of the present invention, while Fig. 4B shows a cross section of the same along the line A-B. The rotation rate sensor 400 comprises a primary oscillator 406, which is connected to a base body 402 by means of a primary oscillator suspension 404, which consists of four units. One unit of the primary oscillator suspension 404 comprises an anchor 404a and a spring beam 404b. The anchor is connected to the base body 402 and to the spring beam 404b, while the spring beam connects the anchor and the primary oscillator 406. The primary oscillator 406 also has four electrode groups 108, which engage in fixed electrode groups 410, i.e. connected to the base body 402, in order to form a comb drive each.
Ein Querschnitt eines Comb-Drives ist in Fig. 4B dargestellt. Die Besonderheit des in Fig. 4B im Querschnitt dargestellten Comb-Drives besteht darin, daß derselbe ein vertikaler Comb- Drive ist, durch den bei Vorhandensein einer geeigneten Wechselspannung der Primärschwinger in eine translatorische Schwingung in &zgr;-Richtung versetzt werden kann.A cross-section of a comb drive is shown in Fig. 4B. The special feature of the comb drive shown in cross-section in Fig. 4B is that it is a vertical comb drive, by which the primary oscillator can be set into a translational oscillation in the z-direction if a suitable alternating voltage is present.
Die Federbalken 404b der Primärschwingeraufhängung 404 sind derart dimensioniert, daß sie eine Ablenkung in der z-Richtung zulassen, während sie gegenüber Kräften in der x-y-Ebene im wesentlichen steif sind.The spring beams 404b of the primary oscillator suspension 404 are dimensioned such that they allow deflection in the z-direction, while they are essentially stiff against forces in the x-y plane.
• &bgr;•&bgr;
Ein erster Sekundärschwinger 43 0, der aus einem ersten Teil 430a und aus einem zweiten Teil 430b besteht, ist mittels einer ersten Sekundärschwingeraufhängung 434 mit dem Primärschwinger 406 verbunden. Analog dazu ist ein zweiter Sekundärschwinger 432, der aus einem ersten Teil 432a und aus einem zweiten Teil 432b besteht, über eine zweite Sekundärschwingeraufhängung mit dem Primärschwinger 406 verbunden. Die erste Sekundärschwingeraufhängung 434 und die zweite Sekundärschwingeraufhängung 43 6 sind jeweils als Federbalken ausgeführt, die in der z-Richtung im wesentlichen steif sind, während sie in x- bzw. y-Richtung auslenkbar sind. Die ersten und zweiten Teile des ersten Sekundärschwingers und des zweiten Sekundärschwingers weisen ferner an ihren den Sekundärschwingeraufhängungen gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Sekundärschwingerelektrodengruppe 450 auf, wobei jeder Sekundärschwingerelektrodengruppe 450 eine feststehende Erfassungselektrodengruppe 452 in der Art eines Comb-Drives gegenüberliegt. Das kammartige Ineinandergreifen der Sekundärschwingerelektrodengruppe 450 und der feststehenden Erfassungselektrodengruppe 452 ist derart ausgeführt, daß eine Verschiebung der Sekundärschwingerelektrodengruppe 450 parallel zur x-Achse durch eine Kapazitätsänderung der Kammanordnung erfaßbar ist.A first secondary oscillator 43 0 , which consists of a first part 430a and a second part 430b, is connected to the primary oscillator 406 by means of a first secondary oscillator suspension 434. Similarly, a second secondary oscillator 432 , which consists of a first part 432a and a second part 432b, is connected to the primary oscillator 406 via a second secondary oscillator suspension. The first secondary oscillator suspension 434 and the second secondary oscillator suspension 43 6 are each designed as spring beams that are essentially stiff in the z-direction, while they can be deflected in the x- and y-direction. The first and second parts of the first secondary oscillator and the second secondary oscillator further each have a secondary oscillator electrode group 450 on their sides opposite the secondary oscillator suspensions, with each secondary oscillator electrode group 450 being opposite a fixed detection electrode group 452 in the manner of a comb drive. The comb-like interlocking of the secondary oscillator electrode group 450 and the fixed detection electrode group 452 is designed in such a way that a displacement of the secondary oscillator electrode group 450 parallel to the x-axis can be detected by a change in the capacitance of the comb arrangement.
Wie es in Fig. 4A zu sehen ist, ist die Symmetrieachse des ersten Sekundärschwingers 430 parallel zur y-Achse, während die Symmetrieachse des zweiten Sekundärschwingers 4 32 parallel zur x-Achse verläuft. Ferner weist der zweite Sekundärschwinger 432 analog zum ersten Sekundärschwinger 430 Sekundärschwingerelektrodengruppen und kammartig in dieselben eingreifende Erfassungselektrodengruppen auf, welche eine Verschiebung des Sekundärschwingers 432, d.h. des ersten und des zweiten Teils 432a und 432b des Sekundärschwingers 432, parallel zur y-Achse erfassen können. Optional ist unter dem Primärschwinger eine Primärschwingungserfassungselektrode 454 angeordnet, um die Primärschwingung kapazitiv zu erfassen bzw. dieselbe, wie es bereits beschrieben worden ist,As can be seen in Fig. 4A, the axis of symmetry of the first secondary oscillator 430 is parallel to the y-axis, while the axis of symmetry of the second secondary oscillator 432 is parallel to the x-axis. Furthermore, the second secondary oscillator 432 has, analogously to the first secondary oscillator 430, secondary oscillator electrode groups and detection electrode groups engaging in the same in a comb-like manner, which can detect a displacement of the secondary oscillator 432, i.e. the first and second parts 432a and 432b of the secondary oscillator 432, parallel to the y-axis. Optionally, a primary oscillation detection electrode 454 is arranged under the primary oscillator in order to capacitively detect the primary oscillation or, as has already been described, to detect the same.
abzugleichen. Die Bewegung in &zgr;-Richtung des Primärschwingers könnte als Alternative analog zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen mit weiteren zusätzlichen vertikalen Comb-Drives zum Erfassen gemessen werden, die den Comb-Drives zum Treiben ähnlich sind. Dafür könnten einer oder zwei vertikale Comb-Drives eine kapazitive Erfassung ermöglichen. Optional könnte auch die Bewegung des Sekundärschwingers mittels vertikaler Comb-Drives erfaßt werden.to be adjusted. The movement in the ζ-direction of the primary oscillator could alternatively be measured analogously to the first two embodiments with additional vertical comb drives for detection, which are similar to the comb drives for driving. For this purpose, one or two vertical comb drives could enable capacitive detection. Optionally, the movement of the secondary oscillator could also be detected using vertical comb drives.
Wird der Drehratensensor 400 mit einer Winkelgeschwindigkeit &OHgr;&ggr; um eine Achse parallel zur Symmetrieachse des ersten Sekundärschwingers 430, die parallel zur y-Achse ist, gedreht, so wird aufgrund der translatorischen Primärbewegung des ersten Sekundärschwingers 430 in &zgr;-Richtung, die über die Sekundärschwingeraufhängung 434 von dem Primärschwinger 406 übertragen wird, eine Coriolis-Kraft bewirkt, die eine Bewegung des Sekundärschwingers 43 0 in x-Richtung veranlaßt, welche mittels der festen Erfassungselektrodengruppe 452 und der Primärschwingungserfassungselektrodengruppe 454 kapazitiv erfaßt werden kann. Analog dazu führt eine Drehung des Drehratensensors 400 um eine Achse parallel zur Symmetrieachse des zweiten Sekundärschwingers 432, die parallel zur x-Achse ist, zu einer Coriolis-Kraft auf den Sekundärschwinger 432, wodurch eine Bewegung des Sekundärschwingers 432 in y-Richtung hervorgerufen wird, die ebenfalls kapazitiv erfaßt wird. An dieser Stelle sei angemerkt, daß der erste Teil 43 0a des ersten Sekundärschwingers sowie der zweite Teil 430b des ersten Sekundärschwingers eine gleichphasige translatorische Bewegung ausführen, wie es auch für den ersten und den zweiten Teil 432a und 432b des zweiten Sekundärschwingers 432 der Fall ist. Ein Frequenzabgleich sowie eine Rückkopplung können, wie es im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, gegebenenfalls mit Hilfe zusätzlicher kammartiger Elektroden parallel zu den eingezeichneten auf dem Sekundärschwinger mit entsprechenden feststehenden Gegenelektroden (in Fig. 4A nicht eingezeichnet) realisiert werden.If the rotation rate sensor 400 is rotated at an angular velocity Ωγ about an axis parallel to the axis of symmetry of the first secondary oscillator 430, which is parallel to the y-axis, a Coriolis force is caused due to the translational primary movement of the first secondary oscillator 430 in the ζ-direction, which is transmitted from the primary oscillator 406 via the secondary oscillator suspension 434, which causes a movement of the secondary oscillator 430 in the x-direction, which can be capacitively detected by means of the fixed detection electrode group 452 and the primary vibration detection electrode group 454. Analogously, a rotation of the rotation rate sensor 400 about an axis parallel to the axis of symmetry of the second secondary oscillator 432, which is parallel to the x-axis, leads to a Coriolis force on the secondary oscillator 432, causing a movement of the secondary oscillator 432 in the y-direction, which is also detected capacitively. At this point, it should be noted that the first part 430a of the first secondary oscillator and the second part 430b of the first secondary oscillator carry out an in-phase translational movement, as is also the case for the first and second parts 432a and 432b of the second secondary oscillator 432. A frequency adjustment as well as a feedback can, as has been described in connection with the first embodiment of the present invention, be realized, if necessary, with the help of additional comb-like electrodes parallel to those shown on the secondary oscillator with corresponding fixed counter electrodes (not shown in Fig. 4A).
Alternativ zu dem vertikalen Comb-Drive-Antrieb, der durch die Primärschwingerelektrodengruppen 408 und durch entsprechende feststehende Elektrodengruppen 110 realisiert ist, kann der Primärschwinger 406 auch durch die Primärschwingungserfassungselektrode 454 kapazitiv angetrieben werden.As an alternative to the vertical comb drive, which is realized by the primary oscillator electrode groups 408 and by corresponding fixed electrode groups 110, the primary oscillator 406 can also be capacitively driven by the primary vibration detection electrode 454.
Wie bereits des öfteren angemerkt wurde, sind auch beim vierten Ausführungsbeispiel die Hauptoberflächen, d.h. die in Fig. 4A gezeichneten Oberflächen, sowohl des Primär- als auch der Sekundärschwingers in der x-y-Ebene angeordnet, wobei die Primärschwingung zwar senkrecht zu dieser Ebene erzeugt wird, die Sekundärschwingung jedoch in dieser Ebene stattfindet. Damit wird durch eine Rotation des Sensors eine Coriolis-Kraft senkrecht zur x-y-Ebene oder in der x-y-Ebene, d.h. der Hauptoberfläche der Schwinger, erzeugt, wobei auch hier keine vorstehenden Elemente zur Auslenkung des Sekundärschwingers notwendig sind.As has already been noted several times, in the fourth embodiment the main surfaces, i.e. the surfaces shown in Fig. 4A, of both the primary and secondary oscillators are arranged in the x-y plane, whereby the primary oscillation is generated perpendicular to this plane, but the secondary oscillation takes place in this plane. Thus, by rotating the sensor, a Coriolis force is generated perpendicular to the x-y plane or in the x-y plane, i.e. the main surface of the oscillators, whereby here too no protruding elements are necessary to deflect the secondary oscillator.
Fig. 5 zeigt einen Drehratensensor 500 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ebenso wie die anderen im vorhergehenden beschriebenen Drehratensensoren weist der Drehratensensor 500 einen Primärschwinger 506 auf, der über eine Primär schwingerauf hängung 504, die aus vier Verankerungen 504a und vier Federbalken 504b besteht, an einem Grundkörper (nicht gezeigt) befestigt ist. Um den Primär schwinger zu erregen, d.h. in Schwingung zu versetzen, umfaßt derselbe auf zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Elektrodengruppe 508, die zu einer feststehenden Elektrodengruppe 510, d.h. zu einer mit dem Grundkörper verbundenen Elektrodengruppe 510, angeordnet ist, um einen Comb-Drive zu bilden, um den Primärschwinger 506 kapazitiv anzuregen. Die Primärschwingeraufhängung 504 ist derart ausgelegt, um eine Schwingung des Primärschwingers 506 in x-Richtung zuzulassen, während eine Bewegung des Primärschwingers 506 in den beiden anderen Richtungen wirksam vermieden wird. Die Federbalken 504b müssen daher einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die schmale SeiteFig. 5 shows a rotation rate sensor 500 according to a fifth embodiment of the present invention. Like the other rotation rate sensors described above, the rotation rate sensor 500 has a primary oscillator 506, which is attached to a base body (not shown) via a primary oscillator suspension 504, which consists of four anchors 504a and four spring beams 504b. In order to excite the primary oscillator, i.e. to set it into vibration, it comprises an electrode group 508 on two opposite sides, which is arranged to form a fixed electrode group 510, i.e. to an electrode group 510 connected to the base body, in order to form a comb drive in order to capacitively excite the primary oscillator 506. The primary oscillator suspension 504 is designed to allow oscillation of the primary oscillator 506 in the x-direction, while effectively preventing movement of the primary oscillator 506 in the other two directions. The spring beams 504b must therefore have a rectangular cross-section, with the narrow side
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des Querschnitts entlang der x-Richtung gewählt wird, während die lange Seite des Querschnitts entlang der z-Richtung verläuft. Auch hier sei angemerkt, daß zusätzlich zur Querschnittsgeometrie der Federbalken die anisotrope Steifigkeiten der Primär- und der Sekundärschwingeraufhängung auch durch die Anordnung mehrerer Federbalken mit gleichen Querschnittsgeometrien erreicht werden kann.of the cross-section is chosen along the x-direction, while the long side of the cross-section runs along the z-direction. Here too, it should be noted that in addition to the cross-sectional geometry of the cantilevers, the anisotropic stiffnesses of the primary and secondary oscillator suspension can also be achieved by arranging several cantilevers with the same cross-sectional geometries.
Ein Sekundärschwinger 514 ist über Sekundärschwingeraufhängungen 512 mit dem Primärschwinger 506 verbunden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der Sekundärschwinger 514 weist parallel zur x-Achse angeordnete Sekundärschwingerelektrodengruppen 550 auf, die in feststehende Sekundärschwingererfassungselektrodengruppen 552 kammartig ineinander eingreifend angeordnet sind, um eine kapazitive Erfassung der Bewegung des Sekundärschwingers 514 in x-Richtung zu ermöglichen.A secondary oscillator 514 is connected to the primary oscillator 506 via secondary oscillator suspensions 512, as shown in Fig. 5. The secondary oscillator 514 has secondary oscillator electrode groups 550 arranged parallel to the x-axis, which are arranged in a comb-like manner to engage with fixed secondary oscillator detection electrode groups 552 in order to enable capacitive detection of the movement of the secondary oscillator 514 in the x-direction.
Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindigkeit Hy um die Symmetrieachse des Sekundärschwingers 514, die parallel zur y-Achse ist, gedreht, so wirkt auf den Sekundärschwinger 514 eine Coriolis-Kraft, die zu einer im wesentlichen translatorischen Bewegung des Sekundärschwingers in z-Richtung führt. Die translatorische Bewegung des Sekundärschwingers 514 in der z-Richtung kann durch eine Erfassungselektrode 516, die unter dem Sekundärschwinger 514 angeordnet ist, analog zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen kapazitiv erfaßt werden.If the rotation rate sensor 500 is rotated at an angular velocity Hy around the symmetry axis of the secondary oscillator 514, which is parallel to the y-axis, a Coriolis force acts on the secondary oscillator 514, which leads to an essentially translational movement of the secondary oscillator in the z-direction. The translational movement of the secondary oscillator 514 in the z-direction can be capacitively detected by a detection electrode 516, which is arranged under the secondary oscillator 514, analogously to the previously described embodiments.
Wird der Drehratensensor 500 mit einer Winkelgeschwindigkeit &OHgr;&zgr; um eine Achse, die senkrecht durch den Mittelpunkt des Sekundärschwingers 514 verläuft und zu der &zgr;-Achse parallel ist, gedreht, so wirkt auf den Sekundärschwinger eine Coriolis-Kraft, die eine Bewegung desselben in der y-Richtung veranlaßt. Diese Bewegung in der y-Richtung des Sekundärschwingers 514 stellt eine translatorische Schwingung dar, da auch der Primärschwinger eine translatorische Schwingung ausführt. Die Erfassung der Bewegung des Sekundärschwingers 514 in der y-Richtung findet auf kapazitivem Wege durch dieIf the rotation rate sensor 500 is rotated with an angular velocity Ω ζ around an axis that runs perpendicularly through the center of the secondary oscillator 514 and is parallel to the ζ axis, a Coriolis force acts on the secondary oscillator, causing it to move in the y-direction. This movement in the y-direction of the secondary oscillator 514 represents a translational oscillation, since the primary oscillator also performs a translational oscillation. The detection of the movement of the secondary oscillator 514 in the y-direction takes place capacitively by the
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Sekundärschwingerelektrodengruppe 550 und durch die feststehenden Erfassungselektrodengruppen 552 statt. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß die Federbalken 512 eine im wesentlichen quadratische Querschnittskonfiguration aufweisen müssen, da sie eine Auslenkung sowohl in der z-Richtung als auch in der y-Richtung zulassen müssen. Eine Relativbewegung des Sekundärschwingers 514 und des Primärschwingers 506 wird durch die Anordnung der Federbalken 512 verhindert, die alle parallel zur x-Achse verlaufen. Dieses Ausführungsbeispiel kann jedoch auch als einachsiger Sensor mit einer Sekundärbewegung in y-Richtung mit dann rechteckigen Federbalkenquerschnitten ausgeführt werden.secondary oscillator electrode group 550 and by the fixed sensing electrode groups 552. It will be apparent to those skilled in the art that the cantilevers 512 must have a substantially square cross-sectional configuration since they must allow deflection in both the z-direction and the y-direction. Relative movement of the secondary oscillator 514 and the primary oscillator 506 is prevented by the arrangement of the cantilevers 512, which all run parallel to the x-axis. However, this embodiment can also be designed as a single-axis sensor with a secondary movement in the y-direction with rectangular cantilever cross-sections.
Wie es bereits erwähnt wurde, stellt die Primärschwingeraufhängung sicher, daß der Primärschwinger 504 nicht durch die Coriolis-Kraft in y- oder z-Richtung bewegbar ist, da eine Bewegung des Primärschwingers in z-Richtung durch die Querschnittskonfiguration der Federbalken 504b unmöglich gemacht wird, wobei zusätzlich die Anordnung der Federbalken 504b parallel zur y-Achse eine Bewegung in y-Richtung des Primärschwingers verhindert. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Verankerungen 504a ebenfalls eine solche Steifigkeit besitzen müssen, damit sie keine Auslenkung in der y-Richtung erlauben.As already mentioned, the primary oscillator suspension ensures that the primary oscillator 504 cannot be moved in the y or z direction by the Coriolis force, since movement of the primary oscillator in the z direction is made impossible by the cross-sectional configuration of the spring beams 504b, and in addition the arrangement of the spring beams 504b parallel to the y axis prevents movement of the primary oscillator in the y direction. It should be noted at this point that the anchors 504a must also have such rigidity that they do not allow deflection in the y direction.
Eine differentielle Messung der z-Bewegung des Sekundärschwingers ist mittels einer zweiten "Deckelelektrode" möglich, welche in Fig. 5 jedoch nicht eingezeichnet ist. Diese Deckelelektrode ist im wesentlichen parallel zur Erfassungselektrode 516 angeordnet, wobei zwischen denselben der Sekundärschwinger 514 positioniert ist.A differential measurement of the z-movement of the secondary oscillator is possible using a second "cover electrode", which is not shown in Fig. 5, however. This cover electrode is arranged essentially parallel to the detection electrode 516, with the secondary oscillator 514 positioned between them.
Schließlich sind auch beim fünften Ausführungsbeispiel die Hauptoberflächen, d.h. die in Fig. 5 gezeichneten Oberflächen, sowohl des Primär- als auch der Sekundärschwingers in der x-y-Ebene oder parallel zu derselben angeordnet, wobei die Primärschwingung in dieser Ebene erzeugt wird, und die Sekundärschwingung entweder ebenfalls in dieser EbeneFinally, in the fifth embodiment, the main surfaces, i.e. the surfaces shown in Fig. 5, of both the primary and secondary oscillators are arranged in the x-y plane or parallel to it, with the primary oscillation being generated in this plane and the secondary oscillation either also in this plane
oder senkrecht zu derselben stattfindet. Damit wird durch eine Rotation des Sensors eine Coriolis-Kraft senkrecht zur x-y-Ebene oder in der x-y-Ebene, d.h. der Hauptoberfläche der Schwinger, erzeugt, wobei auch hier keine vorstehenden Elemente zur Auslenkung des Sekundärschwingers notwendig sind.or perpendicular to it. This means that a rotation of the sensor generates a Coriolis force perpendicular to the x-y plane or in the x-y plane, i.e. the main surface of the oscillator, whereby here too no protruding elements are necessary to deflect the secondary oscillator.
In Abweichung von den vorher genannten Ausführungsbeispielen können insbesondere das zweite und das vierte Ausführungsbeispiel ein Vielzahl von Sekundärschwingern aufweisen, die unabhängig voneinander selektiv und digital auslesbar sind, wodurch durch Anzahl und Lage der gerade ausgelesenen Sekundärschwinger die Größe und Richtung auf digitale Art und Weise bestimmt werden können.In deviation from the previously mentioned embodiments, the second and fourth embodiments in particular can have a plurality of secondary oscillators that can be read out selectively and digitally independently of one another, whereby the size and direction can be determined in a digital manner by the number and position of the secondary oscillators that have just been read out.
Zur Herstellung der Drehratensensoren gemäß der vorliegenden Erfindung werden vor allem mikromechanische Technologien verwendet. Bei der Realisierung der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist teilweise die Herstellung von lateralen Kapazitäten erforderlich. Diese können mittels verschiedener Oberflächen-mikromechanischer Prozesse oder durch Bondverfahren hergestellt werden. Die beweglichen Strukturen der einzelnen Drehratensensoren können ferner durch andere mechanische Verfahren, wie z.B. Stanzen, Schneiden oder Sägen, oder auch durch Laser-Trennverfahren aus vorzugsweise elektrisch leitfähigem Material, wie z.B. Polysilizium, strukturiert werden. Die Verbindung der beweglichen Strukturen mit dem Grundkörper erfolgt dabei vorzugsweise vor der Strukturierung derselben.Micromechanical technologies are primarily used to manufacture the rotation rate sensors according to the present invention. When implementing the embodiments described above, the manufacture of lateral capacitances is sometimes necessary. These can be manufactured using various surface micromechanical processes or by bonding processes. The movable structures of the individual rotation rate sensors can also be structured using other mechanical processes, such as punching, cutting or sawing, or also using laser separation processes made of preferably electrically conductive material, such as polysilicon. The movable structures are preferably connected to the base body before they are structured.
Schließlich sei darauf hingewiesen, daß durch die Verwendung von zwei räumlich getrennten Gelenken und Baugruppen für die beiden Schwingungsmoden eine Rückwirkung der Sekundärbewegung auf die Primärbewegung weitgehend verhindert wird. Im Gegensatz zu anderen, bekannten elektrostatisch angetriebenen Coriolis-Kraft-Drehratensensoren wird ein Verkippen bzw. eine unerwünschte, überlagerte Bewegung der Comb-Drive-Struktur verhindert. Meßfehler aufgrund einer RückwirkungFinally, it should be noted that the use of two spatially separated joints and assemblies for the two vibration modes largely prevents a reaction of the secondary movement on the primary movement. In contrast to other known electrostatically driven Coriolis force angular rate sensors, tilting or an undesirable, superimposed movement of the comb drive structure is prevented. Measurement errors due to a reaction
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der Sekundärbewegung auf die Primärbewegung werden dadurch minimiert. Ferner ist, wie es beschrieben wurde, ein Abgleich der Eigenfrequenzen möglich. Auch für diesen Zweck ist die Entkopplung der beiden Schwingungsmoden wesentlich, wobei eine Verkippung des Comb-Drives verhindert werden muß, um eben diese wirksame Entkopplung zu ermöglichen.The effects of the secondary movement on the primary movement are thus minimized. Furthermore, as described, it is possible to adjust the natural frequencies. For this purpose too, the decoupling of the two vibration modes is essential, whereby tilting of the Comb-Drive must be prevented in order to enable this effective decoupling.
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