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WO2007104289A1 - Mikromechanischer drehratensensor - Google Patents

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Publication number
WO2007104289A1
WO2007104289A1 PCT/DE2007/000445 DE2007000445W WO2007104289A1 WO 2007104289 A1 WO2007104289 A1 WO 2007104289A1 DE 2007000445 W DE2007000445 W DE 2007000445W WO 2007104289 A1 WO2007104289 A1 WO 2007104289A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotation rate
spring
axis
rate sensor
base element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2007/000445
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Hartmann
Stefan GÜNTHNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority to DE112007000303T priority Critical patent/DE112007000303A5/de
Priority to JP2009503398A priority patent/JP2009529697A/ja
Priority to US12/225,009 priority patent/US8342022B2/en
Priority to EP07722020A priority patent/EP1994363A1/de
Publication of WO2007104289A1 publication Critical patent/WO2007104289A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
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    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G01C19/5762—Structural details or topology the devices having a single sensing mass the sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
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    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • Yaw rate sensors are commonly used to determine an angular rate of rotation of an object about an axis. If the rotation rate sensor is micromechanically manufactured on the basis of silicon substrate, it offers, for example, the advantage over a precision industrial spinning top that it can be manufactured in very small dimensions at a relatively low cost. Furthermore, a relatively low measurement uncertainty and low energy consumption during operation are advantageous.
  • An important field of application of rotation rate sensors is in automotive engineering, for example in vehicle dynamics control systems such as the Electronic Stability Program (ESP).
  • ESP Electronic Stability Program
  • An anti-lock braking system, an automatic braking force distribution, a traction control system and a yaw moment control act in such a way that lateral and longitudinal stabilization of the vehicle is achieved by targeted braking of individual wheels.
  • yaw rate sensors Another application for yaw rate sensors is the so-called rollover detection of a vehicle in connection with airbag control units and restraint systems for vehicle occupants. Furthermore, gyroscopes are used for navigation purposes as well as for the determination of the position and the state of motion of vehicles of all kinds. Other Fields of application include image stabilizers for video cameras, dynamics control of satellites when exposed to the Earth orbit, and in civil aviation in back-up attitude control systems.
  • Micromechanically produced rotation rate sensors generally have a seismic mass, which is set in vibration via an excitation means. If the seismic mass moves radially inwards or outwards in a rotating system, then your orbit velocity will change. It thus experiences a tangential acceleration, which is caused by the Coriolis force. The reaction of the seismic mass to the rotation can be detected, for example, by means of a read-out device.
  • German Patent DE 196 41 284 Cl discloses a micromechanical rotation rate sensor with a substrate, a base element suspended on the substrate by a plurality of spring elements and comprising a seismic mass, an excitation means and a read-out device, in which the spring element is designed as a linear spring.
  • Such micromechanically produced rotation rate sensors are preferably etched out of a silicon block. Even very small deviations in the manufacturing accuracy lead to flank angles of the respective structures. The flank angles cause an ner deflection of the spring elements, a movement of the base member perpendicular to the excitation, ie in the measuring direction of the rotation rate sensor. This leads to very high demands on the manufacturing accuracy or to a high rejection of, for example, etched from a silicon wafer structures. In addition, complex electronic evaluation circuits are required to compensate for the measurement inaccuracies caused by the flank angle.
  • the object of the present invention is to provide a micromechanical rotation rate sensor with a high measuring accuracy, which can be produced cost-effectively with a small scrap.
  • a micromechanical rotation rate sensor with a substrate, at least one substrate element suspended by at least one spring element comprising at least one seismic mass, an excitation means and a read-out, the at least one spring element perpendicular to the direction of movement of the base member movable is.
  • the spring element has at least two spring sections.
  • the spring element is in particular U-shaped (three spring sections), V-shaped (two spring sections) or S-shaped (several spring sections).
  • a base member is suspended from four spring members.
  • the spring elements are arranged in particular mirror-symmetrical siselement on Ba ⁇ .
  • the spring elements benachbar ⁇ ter base elements advantageously by means of a coupling spring can be coupled.
  • a base element has a frame, a seismic mass and at least one suspension of the seismic mass on the frame.
  • the seismic masses are then formed, for example, as a paddle.
  • Micromechanical rotation rate sensors according to the invention can be designed as x-axis sensor, z-axis sensor or as xz-axis sensor, which can sense rotational movements about the x-axis, the z-axis or both axes.
  • 1 is a schematic view of three examples of various base elements with paddle abandonedbil ⁇ Deten seismic masses
  • 2 is a schematic view of a rigid base member
  • FIG. 3 is a schematic view of another form of a base element
  • FIG. 5 shows a schematic view of a read-out device via the movement in the substrate plane
  • FIG. 6 is a schematic view of a capacitive reading device
  • FIG. 7 shows a schematic view of a micromechanical rotation rate sensor with linear spring elements according to the prior art
  • FIG. 8 is a schematic view of the deflection caused by flank angle of the base member of Fig. 7,
  • FIG. 9 is a schematic view of an embodiment of the present invention with spring elements according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of the right part of FIG. 9 with reaction forces
  • Fig. 11 in the upper part of a section along the line AA of Fig. 10 and in the lower part a section along the line BB and 12 is a schematic view of another embodiment of the present invention with coupled Federenseen-
  • a base element 1 preferably comprises one or more seismic masses 3.
  • the seismic masses are suspended in a frame 2.
  • the suspension can be realized for example via bending beam 4 or torsion beam 5.
  • Bending beam 4 have a linear spring characteristic, but the seismic masses 3 of the rotation rate sensors according to the invention can also be attached to the frame 2 via torsion beams 5.
  • one or more seismic masses 3 may be formed, for example, as a paddle with an opposite suspension 5.
  • the suspension 4, 5 allows a movement of the center of gravity of the seismic mass 3 only in the z-direction perpendicular to the plane of the frame 2.
  • the plane of the frame 2 is parallel to the substrate or to the plane defined by the substrate (x / y plane).
  • a rigid base member 1 is shown, are rigidly connected in the frame 2 and seismic mass 3 as a unit.
  • one or more seismic masses 3 can also be suspended on a rigid frame 2.
  • This suspension for example via torsion spring or spiral spring, allows a movement of the center of gravity SP of the seismic mass 3 only in a direction perpendicular to the frame plane (z-direction), the center of gravity SP of the seismic mass 3 outside the Frame level is.
  • the frame plane (x / y plane) is parallel to the substrate.
  • the excitation of the base element 1 can take place via a comb structure 6 against which a voltage Ü is present.
  • An excitation means 6 is a device which can excite the base element 1 to vibrate along the first axis (y-axis), which can be done, for example, electrically, thermally, magnetically or piezoelectrically.
  • Fig. 5 and 6 two different readout devices 15 are shown schematically.
  • a deflection of the seismic mass or the base element 1 can be measured perpendicular or parallel to the frame plane, which can be capacitive, piezoresistive, magnetic, piezoelectric or optical.
  • the read-out device according to FIG. 5 a movement in the substrate plane and with the read-out device 15 according to FIG. 6 a movement perpendicular to the substrate plane can be measured.
  • Fig. 7 shows a known from the prior art, conventional concept for suspending base elements 1 in a substrate 9.
  • the known suspension via linear spring elements 8.
  • suspension means an arrangement of spring elements which are fastened on the one hand to the base element 1, on the other hand to the substrate 9 or other elements.
  • the spring elements allow a movement of the base element 1 in the direction of a first axis (y-direction) parallel to the substrate 9. If the flanks of the spring elements 8, 8 'are tilted as shown in FIG.
  • FIGS. 9 and 10 show a micromechanical rotation rate sensor according to the invention.
  • the spring elements 11 are in their neutral position, in the right side, the spring elements 11 'are shown deflected.
  • 10 shows the reaction forces F R acting on the base element 1.
  • FIG. 11 the upper half of Fig. 11 is a sectional view taken along the line AA of Fig. 10 and the lower half is a sectional view taken along the line BB.
  • y-axis the 1st axis
  • substantially only the vertices of the spring elements 11, 11' are raised or lowered.
  • FIG. 10 there is a preferred spring arrangement of four folded spring elements 11, 11 ', the at the respective corners of the base element 1 engage each other mirror-symmetrically.
  • the spring element 11, 11 ' according to the invention has at least two spring sections.
  • the spring element 11, 11 ' is in particular U-shaped (three spring sections, as shown in FIGS. 9 and 10), V-shaped (two spring sections) or S-shaped (a plurality of spring sections).
  • the principle of the rotation rate sensor according to the invention as a two-mass oscillator will be explained in more detail in connection with FIG. 12.
  • the coupling sets a common resonance frequency of the two oscillators.
  • the advantage of the two-mass oscillator as a rotation rate sensor k lies in the fact that linear accelerations cause a movement of both seismic masses or basic elements in the same direction. Coriolis forces acting on the elements depend on their direction of motion and thus force out-of-phase deflections. Thus, disturbing linear accelerations can be eliminated from the outside by signal subtraction and signals due to rotational movements are added.
  • the base element is excited to periodic oscillations along the 1st axis (y-axis).
  • a Coriolis force occurs perpendicular to the 1st and 2nd axis (z-axis).
  • the suspension of the frame is so basic element 2 so specifies that a movement in z-direction is possible.
  • the suspension of the frame is mainly rigid for movement in the Z direction, only the seismic mass is deflected in the direction of this axis. The deflection of the base element configurations in the z-direction is detected with the read-out device, as shown in FIG. 6, and is a measure of the rotational speed which has occurred.
  • the base element is excited to periodic oscillations along the 1st axis (y-axis).
  • y-axis a rotational movement of the sensor about the 3rd axis (z-axis, perpendicular to the substrate plane and perpendicular to the first axis)
  • x-axis a Coriolis force perpendicular to the 1st and 3rd axis occurs (x-axis). This affects both the frame and the seismic mass suspended in it.
  • Variant 1 The suspension of the frame is designed so that movement in the x-direction is possible, so that the seismic mass is deflected along this axis. The deflection can be measured, such. B. shown in Fig. 5
  • Variant 2 For base element 3, a frame movement in the x direction is possible, but not necessary. About the outsourced center of gravity (SP) is the Coriolis force acting in the x direction, decomposed into a force in the x and z direction. Thus, the seismic mass is moved in the z-direction and a measuring device, as in the case of the x-axis sensor, can be applied as shown in FIG. However, it is important that the torsion axis (suspension of the mass on the frame) is parallel to the first axis and perpendicular to the Coriolis force. This deflection, either in the z or x direction, is proportional to the rotational speed that occurs.
  • SP outsourced center of gravity
  • Variant 1 combination of the above sensor
  • Base element 3 contains 2 masses in a frame, which are oriented 180 ° to each other.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehratensensor mit einem Substrat (9), wenigstens einem am Substrat (9) durch zumindest ein Federelement (11, 11') aufgehängten Basiselement (1), das zumindest eine seismische Masse (3) umfasst, einem Anregungsmittel (8) und mit einer Ausleseeinrichtung (15). Erfindungsgemäß ist das Federelement (11, 11') senkrecht zur Bewegungsrichtung (x, y) des Basiselementes (1) bewegbar.

Description

Mikromechanischer Drehratensensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Drehratensensoren werden üblicherweise verwendet, um eine Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehrate eines Gegenstandes um eine Achse zu ermitteln. Ist der Drehratensensor mikromechanisch auf Basis von Siliziumsubstrat hergestellt, bietet er beispielsweise gegenüber einem feinwerktechnischen Kreisel den Vorzug, dass er in sehr kleinen Abmessungen zu relativ niedrigen Kosten gefertigt werden kann. Vorteilhaft sind ferner eine relativ geringe Messunsicherheit und ein geringer Energieverbrauch während des Betriebes. Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Drehratensensoren liegt in der Automobiltechnik, zum Beispiel bei Fahrdynamikregelungssystemen wie dem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) . Ein Antiblockiersystem, eine automatische Bremskraftverteilung, eine Antriebsschlupfregelung und eine Giermomentregelung wirken dabei so zusammen, dass eine Quer- und Längsstabilisierung des Fahrzeuges durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder erreicht wird. Damit ist es möglich, ein Drehen des Fahrzeuges um seine Hochachse zu verhindern. Eine weitere Anwendung für Drehratensensoren liegt in der so genannten Rollover-Detektion eines Fahrzeuges im Zusammenhang mit Airbagsteuereinheiten und Rückhaltesystemen für Fahrzeuginsassen. Ferner werden Drehratensensoren für Navigationszwecke sowie für die Bestimmung der Lage und des Bewegungszustandes von Fahrzeugen aller Art eingesetzt. Andere Einsatzfelder sind zum Beispiel Bildstabilisatoren für Videokameras, Dynamikregelung von Satelliten beim Aussetzen in die Erdumlaufbahn oder in der zivilen Luftfahrt bei Back-up Lageregelungssystemen.
Mikromechanisch hergestellte Drehratensensoren weisen allgemein eine seismische Masse auf, welche über ein Anregungsmittel in eine Schwingung versetzt wird. Bewegt sich die seismische Masse in einem rotierenden System radial nach innen oder außen, so ändert sich Ihre Bahngeschwindigkeit. Sie erfährt somit eine Tangentialbeschleunigung, welche durch die Corio- lis-Kraft verursacht wird. Die Reaktion der seismischen Masse auf die Rotation kann beispielsweise mittels einer Ausleseeinrichtung detektiert werden.
Die internationale Veröffentlichungsschrift WO 03/104823 Al offenbart einen mehrachsigen monolithischen Beschleunigungssensor mit bis zu vier seismischen Massen, die in Form von Paddeln ausgebildet und über Torsionsfedern an einem Rahmen aufgehängt sind. Mit diesem Sensor können Beschleunigungen in Richtung der jeweiligen Hauptempfindlichkeitsachsen, jedoch keine Drehraten gemessen werden.
Aus der deutschen Patentschrift DE 196 41 284 Cl ist ein mikromechanischer Drehratensensor mit einem Substrat, einem am Substrat durch mehrere Federelemente aufgehängten Basiselement, das eine seismische Masse umfasst, einem Anregungsmittel und einer Ausleseeinrichtung bekannt, bei dem das Federelement als Linearfeder ausgebildet ist. Derartige mikromechanisch hergestellte Drehratensensoren werden vorzugsweise aus einem Siliziumblock herausgeätzt. Dabei führen bereits sehr geringe Abweichungen in der Fertigungsgenauigkeit zu Flankenwinkeln der jeweiligen Strukturen. Die Flankenwinkel bewirken bei ei- ner Auslenkung der Federelemente eine Bewegung des Basiselementes senkrecht zu dessen Anregung, also in Messrichtung des Drehratensensors. Dies führt zu sehr hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit bzw. zu einem hohen Ausschuss der beispielsweise aus einem Siliziumwafer geätzten Strukturen. Außerdem sind aufwendige elektronische Auswerteschaltungen erforderlich, um die durch die Flankenwinkel verursachten Mes- sungenauigkeiten zu kompensieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstig mit geringem Ausschuss herzustellenden mikrome- chanischen Drehratensensor mit einer hohen Messgenauigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem mikromechanischen Drehratensensor mit einem Substrat, wenigstens einem am Substrat durch zumindest ein Federelement aufgehängten Basiselement, das zumindest eine seismische Masse umfasst, einem Anregungsmittel und einer Ausleseeinrichtung, das zumindest eine Federelement senkrecht zur Bewegungsrichtung des Basiselementes bewegbar ist. Dadurch heben oder senken sich beim erfindungsgemäßen Drehratensensor bei einer angeregten Bewegung des Basiselementes im Wesentlichen nur Scheitelpunkte der Federelemente, d.h. an Stelle einer Auslenkung des Basiselementes senkrecht zur Anregungsrichtung erfolgt eine Bewegung der Federelemente.
Vorzugsweise weist das Federelement mindestens zwei Federabschnitte auf. Das Federelement ist insbesondere u-förmig (drei Federabschnitte), v-förmig (zwei Federabschnitte) oder s- förmig (mehrere Federabschnitte) ausgebildet. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Basiselement an vier Federelementen aufgehängt. Dabei sind die Federelemente insbesondere spiegelsymmetrisch am Ba¬ siselement angeordnet.
Bei mehreren Basiselementen sind die Federelemente benachbar¬ ter Basiselemente mit Vorteil mittels einer Koppelfeder koppelbar.
Als Basiselemente können starre Basiselemente verwendet werden, bei denen Rahmen und seismische Masse starr verbunden sind. Es ist aber erfindungsgemäß auch möglich, dass ein Basiselement einen Rahmen, eine seismische Masse und zumindest eine Aufhängung der seismischen Masse am Rahmen aufweist. Die seismischen Massen sind dann beispielsweise als Paddel ausgebildet.
Erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensoren können als x-Achsensensor, z-Achsensensor oder als xz-Achsensensor ausgebildet sein, der Drehbewegungen um die x-Achse, die z-Achse bzw. um beide Achsen sensieren kann.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die Merkmale und Einzelheiten der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind in einzelnen Varianten beschriebene Merkmale und Zusammenhänge grundsätzlich auf alle Ausführungsbeispiele übertragbar. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 in schematischer Ansicht drei Beispiele von verschiedenen Basiselementen mit als Paddel ausgebil¬ deten seismischen Massen, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines starren Basiselementes,
Fig. 3 in schematischer Ansicht einer weiteren Form eines Basiselementes,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Anregungsmittels mit Kammstruktur,
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ausleseeinrichtung über die Bewegung in der Substratebene,
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer kapazitiv wirkenden Ausleseeinrichtung,
Fig. 7 in schematischer Ansicht einen mikromechanischen Drehratensensor mit linearen Federelementen gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 8 in schematischer Ansicht die durch Flankenwinkel verursachte Auslenkung des Basiselementes aus Fig. 7,
Fig. 9 in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit erfindungsgemäßen Federelementen,
Fig. 10 eine schematische Ansicht des rechten Teiles von Fig. 9 mit Reaktionskräften,
Fig. 11 im oberen Teil einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 10 und im unteren Teil einen Schnitt entlang der Linie B-B und Fig. 12 in schematischer Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit gekoppelten Federelementen-
In Fig. 1 werden verschiedene Ausführungsformen von Basiselementen 1 gezeigt, die in der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können. Ein Basiselement 1 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere seismische Massen 3. Die seismischen Massen sind in einem Rahmen 2 aufgehängt. Die Aufhängung kann beispielsweise über Biegebalken 4 oder Torsionsbalken 5 realisiert werden. Biegebalken 4 haben eine lineare Federkennlinie, die seismischen Massen 3 der erfindungsgemäßen Drehratensensoren können aber auch über Torsionsbalken 5 am Rahmen 2 befestigt sein. Gemäß Fig. 1 können eine oder mehrere seismische Massen 3 beispielsweise als Paddel mit gegenüberliegender Aufhängung 5 ausgebildet sein.
Die Aufhängung 4, 5 lässt eine Bewegung des Schwerpunktes der seismischen Masse 3 nur in z-Richtung senkrecht zur Ebene des Rahmens 2 zu. Die Ebene des Rahmens 2 ist parallel zum Substrat bzw. zur durch das Substrat aufgespannten Ebene (x/y- Ebene) .
In Fig. 2 ist ein starres Basiselement 1 gezeigt, bei dem Rahmen 2 und seismische Masse 3 als Einheit starr verbunden sind.
Gemäß Fig. 3 können auch eine oder mehrere seismische Massen 3 an einem steifen Rahmen 2 aufgehängt sein. Diese Aufhängung, beispielsweise über Torsionsfeder oder Biegefeder, lässt eine Bewegung des Schwerpunkts SP der seismischen Masse 3 nur in einer Richtung senkrecht zur Rahmenebene (z-Richtung) zu, wobei der Schwerpunkt SP der seismischen Masse 3 außerhalb der Rahmenebene liegt. Die Rahmenebene (x/y-Ebene) ist parallel zum Substrat.
Gemäß Fig. 4 kann die Anregung des Basiselementes 1 über eine Kammstruktur 6 erfolgen, an der eine Spannung Ü anliegt. Ein Anregungsmittel 6 ist eine Einrichtung, die das Basiselement 1 entlang der 1. Achse (y-Achse) zu Schwingungen anregen kann, was beispielsweise elektrisch, thermisch, magnetisch oder piezoelektrisch erfolgen kann.
In Fig. 5 und 6 sind zwei verschiedene Ausleseeinrichtungen 15 schematisch dargestellt. Mittels der Ausleseeinrichtung 15 kann eine Auslenkung der seismischen Masse bzw. des Basiselementes 1 senkrecht oder parallel zur Rahmenebene gemessen werden, was kapazitiv, piezoresistiv, magnetisch, piezoelektrisch oder auch optisch erfolgen kann. Mit der Ausleseeinrichtung gemäß Fig. 5 kann eine Bewegung in der Substratebene und mit der Ausleseeinrichtung 15 gemäß Fig. 6 eine Bewegung senkrecht zur Substratebene gemessen werden.
Fig. 7 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes, konventionelles Konzept zur Aufhängung von Basiselementen 1 in einem Substrat 9. Die bekannte Aufhängung erfolgt über lineare Federelemente 8. In der linken Seite von Fig. 7 ist das Federelement 8 in seiner Neutrallage und in der rechten Hälfte ist das Federelement 8' ausgelenkt dargestellt. Generell versteht man unter Aufhängung eine Anordnung von Federelementen, die zum einen am Basiselement 1, zum anderen am Substrat 9 oder anderen Elementen befestigt sind. Die Federelemente erlauben eine Bewegung des Basiselements 1 in Richtung einer 1. Achse (y-Richtung) parallel zum Substrat 9. Sind die Flanken der Federelemente 8, 8' gemäß Fig. 8 gekippt, so ergibt sich nicht nur eine Bewegung der Federelemente 8' in der Substratebene entlang der 1. Achse (y-Richtung) , sondern auch aus dieser heraus (z-Richtung) . Dies hat bei dem in Fig. 7 dargestellten, konventionellen Konzept zur Folge, dass das Basiselement 1 aus der Substratebene mehr oder weniger parallel herausgehoben wird. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Messprinzip, bei dem die Bewegung aus der Ebene zur Detektion der Inertialkräfte verwendet wird, bedeutet dieser Effekt die Erzeugung eines Signals beziehungsweise eine Kapazitätsänderung Δc auch ohne entsprechende Krafteinwirkung von außen. Dies führt zu einer hohen Messungenauigkeit, so dass zu große Flankenwinkel 11 den Drehratensensor unbrauchbar machen.
In Fig. 9 und 10 ist ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Drehratensensor dargestellt. In der linken Seite von Fig. 9 befinden sich die Federelemente 11 in ihrer Neutrallage, in der rechten Seite sind die Federelemente 11' ausgelenkt gezeigt. Die Federelemente 11, 11' sind am Punkt 12 am Substrat 9 und über den Punkt 13 am Basiselement 1 aufgehängt. Fig. 10 zeigt die auf das Basiselement 1 wirkenden Reaktionskräfte FR.
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung wird in Zusammenhang mit Fig. 11 näher erläutert. Dabei zeigt die obere Hälfte von Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 10 und die untere Hälfte eine Schnittansicht entlang der Linie B-B. Zunächst bei Verkippung um die 1. Achse (y- Achse) . Die Bewegungen der Federelemente 11, 11' verlaufen in der Substratebene senkrecht zur Bewegung der seismischen Masse bzw. des Basiselementes 1. In dieser Konfiguration heben oder senken sich im Wesentlichen nur die Scheitelpunkte der Federelemente 11, 11' . Gemäß Fig. 10 hinaus besteht eine bevorzugte Federanordnung aus vier gefalteten Federelementen 11, 11', die an den jeweiligen Ecken des Basiselements 1 zueinander spie- gelsymmterisch angreifen. Damit bewegen sich die Scheitelpunkte der Federelemente 11, 11' an jeder Kante gegenläufig, wenn sich das Basiselement 1 in eine Richtung bewegt. Die resultierenden Reaktionskräfte FR auf den Schwerpunkt des Basiselements 1 heben sich bei idealer symmetrischer Anordnung auf, wenn das Basiselement 1 ausreichend starr ist. Somit erfolgt erfindungsgemäß keine Bewegung des Basiselementes 1 und der seismischen Massen, da das Federelement 11, 11' im Gegensatz zum in Fig. 7 und 8 gezeigten Stand der Technik senkrecht zur Bewegungsrichtung (x, y) des Basiselementes 1 bewegbar ist. Dabei ist die Geometrie der Federelemente 11, 11' so ausgelegt, dass fertigungsbedingte Formschwankungen sich nicht oder nur geringfügig störend auf das Sensorverhalten auswirkten.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Federelement 11, 11' mindestens zwei Federabschnitte auf. Das Federelement 11, 11' ist insbesondere u-förmig (drei Federabschnitte, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt), v-förmig (zwei Federabschnitte) oder s-förmig (mehrere Federabschnitte) ausgebildet.
Bei einer Verkippung um die 2. Achse bzw. x-Achse bleibt der Querschnitt der Federn der Federelemente 11, 11' unverändert, so dass keine Bewegung aus der Substratebene heraus auftritt. Bei der in Fig. 12 gezeigten Konfiguration als zwei- Massenschwinger wird zwar der Querschnitt der Koppelfeder 14 verkippt, der Einfluss der Verkippung insgesamt ist allerdings durch das erfindungsgemäße Federkonzept im Vergleich zum Stand der Technik drastisch verringert.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Drehratensensors als zwei- Massenschwinger wird in Zusammenhang mit Fig. 12 näher erläutert. Die Bewegung der Basiselemente 1, welche über die oben und unten angeordneten Federelemente 11' gekoppelt sind, erfolgt 180° phasenverschoben zueinander, entlang der 1. Achse. Über die Kopplung stellt sich eine gemeinsame Resonanzfrequenz der beiden Schwinger ein.
Der Vorteil des zwei-Massenschwingers als Drehratensensor kliegt darin, dass Linearbeschleunigungen eine Bewegung beider seismischen Massen bzw. Basiselemente in dieselbe Richtung bewirken. Auf die Elemente wirkende Coriolis-Kräfte hängen von deren Bewegungsrichtung ab und erzwingen somit gegenphasige Auslenkungen. Damit können störende Linearbeschleunigungen von Außen durch Signalsubtraktion eliminiert werden und Signale aufgrund von Drehbewegungen werden addiert .
Des Weiteren bleibt der Schwerpunkt der gesamten Anordnung immer in Ruhe. Somit heben sich die inneren Antriebskräfte, welche die Basiselemente 1 zur gegenphasigen Schwingung anregen, gegeneinander auf und das Substrat bleibt in Ruhe. Im Idealfall werden deshalb Einflüsse der Sensormontage, z. B. harte oder weiche Klebung, nicht auf die bewegten Massen einkoppeln.
Nachfolgend wird das Funktionsprinzip als Drehratensensor erläutert. Definition: X- und Y-Richtung liegen in der Substratebene, Z-Richtung steht senkrecht auf der Substratebene.
x-Achsen Sensor:
Das Basiselement wird zu periodischen Schwingungen entlang der 1. Achse (y-Achse) angeregt. Bei einer Drehbewegung des Sensors um die 2. Achse (x-Achse, in der Substratebene und senkrecht zur ersten Achse) tritt eine Coriolis Kraft senkrecht zur 1. und 2. Achse auf (z-Achse) . Diese wirkt sowohl auf den Rahmen als auch auf die in ihm aufgehängte seismische Masse. Die Aufhängung des Rahmens ist bei Basiselement 2 so ausge- legt, dass eine Bewegung in z-Richtung möglich ist. Bei Basiselement 1 und 3 ist die Aufhängung des Rahmens vorwiegend starr für Bewegung in Z-Richtung, nur die seismische Masse wird in Richtung dieser Achse ausgelenkt. Die Auslenkung der Basiselementkonfigurationen in z-Richtung wird mit der Ausleseeinrichtung detektiert, wie in Fig. 6 dargestellt und ist ein Maß für die aufgetretene Drehgeschwindigkeit.
Als z-Achsen Sensor:
Das Basiselement wird zu periodischen Schwingungen entlang der 1. Achse (y-Achse) angeregt. Bei einer Drehbewegung des Sensors um die 3. Achse (z-Achse, senkrecht zur Substratebene und senkrecht zur ersten Achse) tritt eine Coriolis Kraft senkrecht zur 1. und 3. Achse auf (x-Achse) . Diese wirkt sowohl auf den Rahmen als auch auf die in ihm aufgehängte seismische Masse.
Variante 1: Die Aufhängung des Rahmens ist so ausgelegt, dass eine Bewegung in x-Richtung möglich ist, so dass die seismische Masse entlang dieser Achse ausgelenkt wird. Die Auslenkung kann gemessen werden, wie z. B. in Fig. 5 dargestellt
Variante 2: Bei Basiselement 3 ist eine Rahmenbewegung in x- Richtung möglich, aber nicht notwendig. Über den ausgelagerten Schwerpunkt (SP) wird die Coriolis Kraft, welche in x-Richtung wirkt, in eine Kraft in x- als auch in z-Richtung zerlegt. Damit wird die seismische Masse in z-Richtung bewegt und eine Messeinrichtung, wie im Fall des x-Achsen Sensors, kann angewendet werden, wie in Fig. 6 dargestellt. Dabei ist jedoch wichtig, dass die Torsionsachse (Aufhängung der Masse am Rahmen) parallel zur 1. Achse und senkrecht zur Coriolis Kraft verläuft . Diese Auslenkung, entweder in z- oder x-Richtung, ist proportional zur auftretenden Drehgeschwindigkeit .
Als xz-Achsen Sensor:
Variante 1 : Kombination aus obigen Sensore
Variante 2: Basiselement 3 enthält 2 Massen in einem Rahmen, die um 180° zueinander orientiert sind.
Im Fall einer Drehrate in x-Richtung tritt eine Corioliskraft in z-Richtung auf, welche zur Folge hat, dass beide Massen in die gleiche z-Richtung (+z oder -z) ausgelenkt werden. Die Addition beider Signale liefert das Gesamtsignal, die Subtraktion ergibt 0.
Im Fall einer Drehrate in z-Richtung tritt eine Corioliskraft in x-Richtung auf, welche zur Folge hat, dass eine Masse in +z-Richtung ausgelenkt und eine Masse in -z-Richtung ausgelenkt wird. Die Addition der einzelnen Signale ergibt 0, die Subtraktion liefert das Gesamtsignal.
Bezugszeichenliste
1 Basiselement
2 Rahmen
3 seismische Masse
4 Aufhängung der seismischen Masse bzw. Biegebalken
5 Aufhängung der seismischen Masse bzw. Torsionsbalken
6 Anregungsmittel bzw. Kammstruktur
7 Gegenelektrode
8 Federelement nach dem Stand der Technik
8' Federelement nach dem Stand der Technik, ausgelenkt
9 Substrat
10 Flankenwinkel
11 Federelement
11' Federelement, ausgelenkt
12 Aufhängepunkt des Federelementes am Substrat
13 Aufhängepunkt des Federelementes am Basiselement
14 Koppelfeder
15 Ausleseeinrichtung
A-A Schnitt
B-B Schnitt
Δc Kapazitätsänderung
FR Reaktionskraft
SP Schwerpunkt
Ü Spannung x Richtung (Substratebene) y Richtung (Substratebene) z Richtung (senkrecht zur Substratebene)

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanischer Drehratensensor mit einem Substrat
(9) , wenigstens einem am Substrat (9) durch zumindest ein Federelement (11, 11') aufgehängten Basiselement
(1) , das zumindest eine seismische Masse (3) umfasst, einem Anregungsmittel (8) und einer Ausleseeinrichtung
(15), dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement
(11, 11' ) senkrecht zur Bewegungsrichtung (x, y) des Basiselementes (1) bewegbar ist.
2. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11, 11' ) mindestens zwei Federabschnitte aufweist.
3. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (11, 11') u-förmig, v-förmig oder s-förmig ausgebildet ist.
4. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basiselement (1) an vier Federelementen (11, 11') aufgehängt ist.
5. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (11, 11') spiegelsymmetrisch am Basiselement (1) angeordnet sind.
6. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Federelemente (11, 11') benachbarter Basiselemente (1) mittels einer Koppelfeder (14) koppelbar sind.
7. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass ein Basiselement (1) einen Rahmen (2) , eine seismische Masse (3) und zumindest eine Aufhängung (4, 5) der seismischen Masse am Rahmen (2) aufweist.
8. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor als x-Achsensensor ausgebildet ist, der Drehbewegungen um die x-Achse sensieren kann.
9. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor als z-Achsensensor ausgebildet ist, der Drehbewegungen um die z-Achse sensieren kann.
10. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor als xz-Achsensensor ausgebildet ist, der sowohl Drehbewegungen um die x-Achse als auch Drehbewegungen um die z~Ach.se sensieren kann.
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