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WO2018001875A1 - Inertialsensor zur messung einer drehrate und/oder beschleunigung - Google Patents

Inertialsensor zur messung einer drehrate und/oder beschleunigung Download PDF

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Publication number
WO2018001875A1
WO2018001875A1 PCT/EP2017/065473 EP2017065473W WO2018001875A1 WO 2018001875 A1 WO2018001875 A1 WO 2018001875A1 EP 2017065473 W EP2017065473 W EP 2017065473W WO 2018001875 A1 WO2018001875 A1 WO 2018001875A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coupling element
inertial sensor
main extension
coupling
masses
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/EP2017/065473
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Odd-Axel Pruetz
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US16/308,875 priority Critical patent/US11016112B2/en
Priority to CN201780040524.5A priority patent/CN109416253B/zh
Publication of WO2018001875A1 publication Critical patent/WO2018001875A1/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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details

Definitions

  • Inertial sensor for measuring a rate of rotation and / or acceleration prior art
  • the invention is based on an inertial sensor according to the preamble of claim 1.
  • Such inertial sensors are well known. They are used to measure an acceleration or rate of rotation with respect to one or more axes parallel or perpendicular to the main plane of extension of the substrate. Such inertial sensors usually consist of a plurality of movable masses which are mechanically coupled to one another. The type of coupling is crucial, because it determines the signal quality and interference signals are more or less well suppressed.
  • Main extension level is used.
  • the inertial sensor according to the invention according to the main claim has the advantage over the prior art that the inertial sensor can be used flexibly, in particular for the detection of a rotation rate and / or an acceleration both parallel and perpendicular to the main plane of extension, is simple and in particular is insensitive to interference signals caused by parallel spurious modes. Also, the inertial sensor according to the present invention advantageously has a low inertial mass compared to the prior art, which also has an advantageous effect on possible interference signals.
  • By at least one substrate attachment point is the
  • Inertialsensor also advantageously stress-insensitive, i. the inertial sensor is insensitive to bending of the substrate about an axis perpendicular to the main plane of extension.
  • the inertial sensor is designed as a microsystem, in particular as a microelectromechanical system (MEMS). More preferably, the inertial sensor is a single-axis inertial sensor, i. it is provided for detecting a rotation rate about exactly one axis or for detecting an acceleration along exactly one axis.
  • the substrate is made of a semiconductor material, in particular of a silicon material.
  • the main extension direction is provided in particular parallel to a surface of the substrate.
  • the coupling elements together form a coupling structure. Thus, if in the following a coupling structure is mentioned, it is preferably meant the entirety and / or arrangement of the coupling elements.
  • the coupling elements are mechanically coupled to the substrate via exactly one, in particular centrally arranged, substrate connection point.
  • the coupling is carried out particularly preferably via spring structures. This makes it advantageously possible according to the invention that the inertial sensor is particularly insensitive to substrate bending.
  • the inertial sensor has exactly two movable masses.
  • the inertial sensor comprises a low inertial mass and therefore to be less sensitive to interfering signals.
  • Coupling element, the second coupling element and the third coupling element are arranged such that at a deflection of the masses from the rest position, the first main extension direction parallel to the third
  • Main extension direction remains arranged.
  • the first coupling element to one of the two masses and to the second
  • the second coupling element between the first and the second coupling element is arranged.
  • Inertialsensor comprises a fourth coupling element, wherein the fourth
  • Coupling element has a fourth main extension direction, wherein the first coupling element, the second coupling element, the third coupling element and the fourth coupling element are arranged such that at a
  • Main extension direction remains arranged.
  • the coupling elements are arranged diamond-shaped, in particular, the masses are connected at two opposite corners of the rhombus.
  • the expert understands that hereby a diamond-shaped
  • the coupling structure formed by the coupling elements on the one hand, to be able to carry out torsional movements about a central axis, and also for parallel modes, i. Spurious modes are largely suppressed.
  • Coupling elements have different lengths, preferably at least one coupling element has twice as long a length as another coupling element, in particular these two
  • Coupling elements are connected. Particularly preferred are the
  • Coupling elements arranged in a cross shape and / or scissors joint shape and / or coupled.
  • Coupling elements are connected in their middle and / or at their ends with another of the coupling elements. It is particularly preferred provided that at least at a connection point a
  • Substrate connection point is provided.
  • Coupling elements are stored substantially by a few, centrally arranged substrate connection points and thus the inertial sensor is particularly insensitive to Substratverbiegonne.
  • Coupling elements are provided bar-shaped, in particular as
  • Coupling element are rigid, but are different rigid with respect to certain axes and / or deformations.
  • a coupling element may be rigid with respect to torsion but soft against bending along its main extension direction.
  • variable cross-section in particular a variable thickness comprises.
  • a coupling element has a greater thickness in its center than at least one end.
  • Bending behavior of the coupling element is specifically adjustable. For example, a bending of the coupling element can be prevented, while a sufficiently low bending stiffness of the
  • Inertialsensor at least one drive means for driving the masses to move along a second direction, wherein the first direction is different from the second direction.
  • Inertialsensor is a rotation rate sensor.
  • the masses are driven to move parallel to the second direction, the second direction, for example, parallel to the second direction
  • Main extension plane is arranged. Now occurs at a rate of rotation about an axis perpendicular to the main plane of extension, the masses are deflected by the Coriolis force along the first direction, which
  • first direction and the second direction are provided parallel to the main extension plane, or that the first direction is parallel and the second direction perpendicular to the main extension plane, or that the first direction is vertical and the second direction parallel are provided to the main extension level.
  • Show it 1 shows an inertial sensor according to an embodiment of the
  • FIG. 3 shows an inertial sensor according to an embodiment of the
  • FIG. 5 shows an inertial sensor according to an embodiment of the
  • FIG. 6 shows a coupling element according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • Embodiment of the present invention in a schematic view from below and in a schematic side view.
  • FIG. 9 shows a coupling element with a substrate connection according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • FIG. 10 shows a coupling element with a substrate connection according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • FIG. 11 shows the coupling element with the substrate connection from FIG. 10 in a side view
  • FIGS. 12a and 12b show a schematic detail view of two coupling elements according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 13 shows an inertial sensor according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • FIG. 14 shows a schematic view of part of an inertial sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows an inertial sensor according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • FIG. 16 shows an inertial sensor according to an embodiment of the present invention in a schematic view
  • FIG. 17 shows an exemplary course of a spring stiffness of FIG
  • FIG. 18 shows an exemplary course of a spring stiffness of FIG.
  • the inertial sensor 1 shows an inertial sensor 1 according to an embodiment of the present invention in a schematic view.
  • the inertial sensor 1 may be a yaw rate sensor and / or an acceleration sensor.
  • the inertial sensor 1 comprises a substrate (not illustrated here) with a main extension plane which is arranged parallel to the plane of the drawing. On this substrate, two masses 2, 2 'suspended by means of springs 5 movable.
  • the springs are suitably designed, ie in particular soft parallel to the direction of movement of the masses 2, 2 'and rigid with respect to movements perpendicular to this direction of movement.
  • the masses 2, 2 ' are mechanically coupled via a coupling structure, wherein the coupling structure by several, here four,
  • Coupling elements 8, 8 ', 8 ", 8"' is formed, which are designed as a push-pull bending beam.
  • the first coupling element 8 has a first
  • the second coupling element 8 ' has a second main extension direction
  • the fourth coupling element 8"' has a fourth main extension direction.
  • These coupling elements 8, 8 ', 8 ", 8"' are arranged diamond-shaped according to the illustrated embodiment.
  • the first coupling element 8 and the second coupling element 8 ' are coupled to the mass 2 via a connection 4, for example a suitable spring structure
  • the third coupling element 8 "and the fourth coupling element 8"' are connected to the other mass 2 via a connection 4 'coupled.
  • Main plane of extension i. a rotation about an axis parallel to the main plane of extension.
  • the torsion springs 6 are in turn coupled to further springs 7, which are designed here as double U-springs, which in turn ensure the direct connection to the substrate at the Substratanitatisstellen 3, 3 '.
  • inertial sensors 1 are produced in layer processes.
  • a single-layer process can only produce a certain constant cross section.
  • Main extension direction and the third main extension direction arranged parallel to each other.
  • FIG. 11 shows the coupling element 8 'with the substrate connection 3 from FIG. 10 in a side view.
  • the intermediate layer 9 is easy to see and the layer structure of
  • Connecting layer acts. This allows a defined hinge-like joint movement.
  • Substrate connection points 3, 3 takes place as described above via torsion springs 6 and double U-springs 7.
  • the middle substrate connection point 3 ' also connected via further coupling elements 8 "", 8 "" 'with the deflection structure 11
  • FIG. 16 shows a schematic view of an inertial sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated embodiment substantially corresponds to the embodiment shown in Figure 16, which is why reference is made in principle to the relevant embodiments.
  • the types of movement possible with an inertial sensor 1 according to the illustrated embodiment are shown.
  • here is the operation as Rotation rate sensor shown, with forced by non-illustrated drive means movements parallel to the main extension plane and resulting detected by also not shown detection means movements perpendicular to the main extension plane.
  • the illustrated embodiment is particularly advantageous because in addition a parallel interference mode is suppressed, in which the left upper mass 2 and the lower left mass 2 "in a different direction than the other two masses 2 ', 2"' move.
  • Figure 17 is an exemplary course of a spring stiffness of
  • Coupling elements 8, 8 ', 8 ", 8"' according to an embodiment of the present invention.
  • the coupling elements 8, 8 ', 8 ", 8"' according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 shows an example of a spring stiffness of FIG.
  • Coupling elements 8, 8 ', 8 ", 8"' according to an embodiment of the present invention.
  • the illustrated curve corresponds to the superimposition of the curves from FIG. 17.
  • a compensation effect with respect to the nonlinearity is shown. Again, the units are chosen arbitrarily.
  • the gradient of the total spring stiffness of the coupling structure is smaller by about a factor of 4 than the pitch of the spring stiffnesses of the individual diamond-shaped coupling structures.

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Abstract

Es wird ein Inertialsensor zur Messung einer Drehrate und/oder Beschleunigung vorgeschlagen, insbesondere ein mikroelektromechanischer Inertialsensor, wobei der Inertialsensor ein Substrat aufweist, wobei das Substrat eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Inertialsensor wenigstens zwei aus einer Ruhelage auslenkbare Massen aufweist, wobei die Massen mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind, wobei der Inertialsensor wenigstens ein Detektionsmittel zur Detektion von Bewegungen der Massen entlang einer ersten Richtung aufweist, wobei die Massen durch wenigstens ein erstes Koppelelement, ein zweites Koppelelement und ein drittes Koppelelement miteinander mechanisch gekoppelt sind, wobei das erste Koppelelement eine erste Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das zweite Koppelelement eine zweite Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das dritte Koppelelement eine dritte Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsrichtung, die zweite Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung in der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet sind, wobei die Koppelelemente im Wesentlichen starr ausgebildet sind, wobei jedes Koppelelement mit wenigstens einem anderen der Koppelelemente verbunden ist, wobei die Koppelelemente derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen aus der Ruhelage eine Verschwenkung der ersten Haupterstreckungsrichtung gegenüber der zweiten Haupterstreckungsrichtung und eine Verschwenkung der zweiten gegenüber der dritten Haupterstreckungsrichtung erfolgt, wobei die Koppelemente über wenigstens eine Substratanbindungsstelle mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind.

Description

Beschreibung
Titel
Inertialsensor zur Messung einer Drehrate und/oder Beschleunigung Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Inertialsensoren sind allgemein bekannt. Sie werden verwendet, um eine Beschleunigung oder eine Drehrate bezüglich einer oder mehrerer Achsen parallel oder senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats zu messen. Derartige Inertialsensoren bestehen üblicherweise aus mehreren beweglichen Massen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Art der Kopplung ist entscheidend, da durch sie die Signalqualität bestimmt wird und Störsignale mehr oder weniger gut unterdrückt werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inertialsensor vorzuschlagen, welcher im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Inertialsensoren einfach aufgebaut ist, Störsignale,
insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsebene, weitgehend unterdrückt und sowohl zur Detektion einer Drehrate und/oder
Beschleunigung parallel als auch senkrecht zu der
Haupterstreckungsebene einsetzbar ist.
Der erfindungsgemäße Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Inertialsensor flexibel einsetzbar ist, insbesondere zur Detektion von einer Drehrate und/oder einer Beschleunigung sowohl parallel als auch senkrecht zu der Haupterstreckungsebene, einfach aufgebaut ist und insbesondere gegenüber durch parallele Störmoden hervorgerufene Störsignale unempfindlich ist. Auch weist der Inertialsensor gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise im Vergleich zum Stand der Technik wenig träge Masse auf, was sich ebenfalls vorteilhaft auf mögliche Störsignale auswirkt. Durch wenigstens eine Substratanbindungsstelle ist der
Inertialsensor zudem vorteilhafterweise stressunempfindlich, d.h. der Inertialsensor ist unempfindlich gegenüber Verbiegungen des Substrats um eine Achse senkrecht zu der Haupterstreckungsebene.
Bevorzugt ist der Inertialsensor als Mikrosystem, insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Inertialsensor ein einachsiger Inertialsensor, d.h. er ist zur Detektion einer Drehrate um genau eine Achse bzw. zur Detektion einer Beschleunigung entlang genau einer Achse vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt ist das Substrat aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Siliziummaterial, gefertigt. Die Haupterstreckungsrichtung ist insbesondere parallel zu einer Oberfläche des Substrats vorgesehen. Vorzugsweise bilden die Koppelelemente zusammen eine Koppelstruktur. Wenn also im Folgenden von einer Koppelstruktur die Rede ist, ist damit vorzugsweise die Gesamtheit und/oder Anordnung der Koppelemente gemeint.
Unter einer Verschwenkung im Sinne dieser Anmeldung soll insbesondere eine relative Drehung verstanden werden. Zwei zueinander verschwenkte Elemente sollen dabei vorzugsweise einen tatsächlichen oder virtuellen Winkel einschließen, wobei sich die Größe des Winkels im Laufe der Bewegung, d.h. der Verschwenkung, ändert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Koppelelemente über genau eine, insbesondere zentral angeordnete, Substratanbindungsstelle mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind. Die Kopplung erfolgt dabei besonders bevorzugt über Federstrukturen. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der Inertialsensor besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Inertialsensor genau zwei bewegliche Massen aufweist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der Inertialsensor wenig träge Masse umfasst und daher unempfindlicher gegenüber Störsignalen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen entnehmbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste
Koppelelement, das zweite Koppelelement und das dritte Koppelelement derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen aus der Ruhelage die erste Haupterstreckungsrichtung parallel zu der dritten
Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt. Besonders bevorzugt ist das erste Koppelelement an eine der beiden Massen und an das zweite
Koppelelement angebunden, wobei das dritte Koppelelement an eine der beiden Massen und an das zweite oder das erste Koppelelement
angebunden ist. Ganz besonders bevorzugt ist das zweite Koppelelement zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelelement angeordnet.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine z-förmige Gelenkstruktur realisiert wird, wodurch Störmoden effektiv unterdrückt werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der
Inertialsensor ein viertes Koppelelement umfasst, wobei das vierte
Koppelelement eine vierte Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das erste Koppelelement, das zweite Koppelelement, das dritte Koppelelement und das vierte Koppelelement derart angeordnet sind, dass bei einer
Auslenkung der Massen aus der Ruhelage eine Verschwenkung der dritten Haupterstreckungsrichtung gegenüber der vierten
Haupterstreckungsrichtung erfolgt, wobei insbesondere die erste
Haupterstreckungsrichtung parallel zu der dritten
Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt und die zweite
Haupterstreckungsrichtung parallel zu der vierten
Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt. Besonders bevorzugt sind die Koppelelemente rautenförmig angeordnet, wobei insbesondere die Massen an zwei gegenüberliegenden Ecken der Raute angebunden sind. Der Fachmann versteht dabei, dass hiermit eine rautenförmige
Koppelstruktur vorgeschlagen wird.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die durch die Koppelelemente gebildete Koppelstruktur einerseits Torsionsbewegungen um eine Mittelachse durchführen kann und zudem Parallelmoden, d.h. Störmoden weitgehend unterdrückt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Koppelelemente unterschiedliche Längen aufweisen, wobei vorzugsweise wenigstens ein Koppelelement eine doppelt so große Länge wie ein anderes Koppelement aufweist, wobei insbesondere diese beiden
Koppelelemente verbunden sind. Besonders bevorzugt sind die
Koppelelemente kreuzförmig und/oder scherengelenksförmig angeordnet und/oder gekoppelt.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass keine unerwünschten Störmoden quer zu der Bewegungsrichtung der beiden Massen auftreten. Besonders bevorzugt sind mehrere hintereinander angeordnete und entsprechend verbundene kreuzförmige Koppelstrukturen vorgesehen, so dass vorteilhaft auch größere Abstände zwischen den zu koppelnden Massen überbrückt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Koppelelemente in ihrer Mitte und/oder an ihren Enden mit einem anderen der Koppelelemente verbunden sind. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens an einem Verbindungspunkt eine
Substratanbindungsstelle vorgesehen ist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die oben beschriebenen scheren- und/oder kreuzförmige Koppelstrukturen ermöglicht werden, die besonders robust gegenüber parallelen Störmoden quer zur Bewegungsrichtung der Massen sind. Durch die zentrale
Substratanbindungsstelle ist es vorteilhaft möglich, dass die
Koppelelemente im Wesentlichen durch wenige, zentral angeordnete Substratanbindungsstellen gelagert werden und somit der Inertialsensor besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die
Koppelelemente balkenförmig vorgesehen sind, insbesondere als
Biegebalken, Torsionsbalken und/oder Schub-Zug-Balken.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die
Koppelelement starr ausgebildet sind, aber hinsichtlich bestimmter Achsen und/oder Verformungen unterschiedlich starr sind. Beispielsweise kann ein Koppelelement starr gegenüber einer Torsion sein, aber weich gegenüber einer Biegung entlang seiner Haupterstreckungsrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein
Koppelelement entlang seiner Haupterstreckungsrichtung einen
veränderlichen Querschnitt, insbesondere eine veränderliche Dicke, aufweist. Besonders bevorzugt weist ein Koppelelement in seiner Mitte eine höhere Dicke als an wenigstens einem Ende auf.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das
Biegeverhalten des Koppelelements gezielt einstellbar ist. So kann beispielsweise ein Durchbiegen des Koppelements verhindert werden, während eine ausreichende geringe Biegesteifigkeit an den
Anbindungsstellen, d.h. den Enden, für die erfindungsgemäßen
Verschwenkungen gewährleistet wird. Insbesondere können somit vorteilhafterweise definierte Verformungsstellen bereitgestellt werden, wodurch das Nichtlinearitätsverhalten des Inertialsensors verbessert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der
Inertialsensor wenigstens ein Antriebsmittel zum Antreiben der Massen zu einer Bewegung entlang einer zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der
Inertialsensor ein Drehratensensor ist. Dabei werden insbesondere die Massen zu einer Bewegung parallel zu der zweiten Richtung angetrieben, wobei die zweite Richtung beispielsweise parallel zu der
Haupterstreckungseben angeordnet ist. Tritt nun eine Drehrate um eine Achse senkrecht zu der Haupterstreckungsebene auf, werden die Massen durch die Corioliskraft entlang der ersten Richtung abgelenkt, was
wiederum durch das Detektionsmittel detektiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Richtung und die zweite Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass die erste Richtung parallel und die zweite Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass die erste Richtung senkrecht und die zweite Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, einen vielseitigen Inertialsensor bereitzustellen, der in verschiedenen Konfigurationen Drehraten sowohl in der Haupterstreckungsebene als auch senkrecht dazu detektieren kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen Figur 1 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 2 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 3 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 4 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 5 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 6 ein Koppelelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figuren 7a und 7b eine Torsionsfeder zur Anbindung eines
Koppelelementes an eine Substratanbindungsstelle gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht von unten und in einer schematischen Seitenansicht.
Figur 8 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 9 ein Koppelelement mit einer Substratanbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht, Figur 10 ein Koppelelement mit einer Substratanbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht, Figur 11 das Koppelelement mit der Substratanbindung aus Figur 10 in einer Seitenansicht,
Figuren 12a und 12b zwei Koppelelemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Detailansicht,
Figur 13 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 14 einen Teil eines Inertialsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 15 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
Figur 16 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht, Figur 17 einen beispielhaften Verlauf einer Federsteifigkeit von
Koppelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung,
Figur 18 einen beispielhaften Verlauf einer Federsteifigkeit von
Koppelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Bei dem Inertialsensor 1 kann es sich dabei um einen Drehratensensor und/oder einen Beschleunigungssensor handeln. Der Inertialsensor 1 umfasst ein hier nicht dargestelltes Substrat mit einer Haupterstreckungsebene, die parallel zu der Zeichenebene angeordnet ist. An diesem Substrat sind zwei Massen 2, 2' über Federn 5 beweglich aufgehängt. Die Federn 5
ermöglichen dabei zum Beispiel eine Antriebsbewegung der Massen 2, 2', wie sie durch ein Antriebsmittel in einem Drehratensensor den Massen 2, 2' aufgeprägt wird. Die Federn sind entsprechend geeignet ausgebildet, also insbesondere weich parallel zu der Bewegungsrichtung der Massen 2, 2' und steif gegenüber Bewegungen senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung. Die Massen 2, 2' sind dabei über eine Koppel struktur mechanisch gekoppelt, wobei die Koppelstruktur durch mehrere, hier vier,
Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' gebildet wird, die als Schub-Zug-Biegebalken ausgebildet sind.
Das erste Koppelelement 8 weist dabei eine erste
Haupterstreckungsrichtung auf, das zweite Koppelelement 8' weist eine zweite Haupterstreckungsrichtung auf, das dritte Koppelelement 8" weist eine dritte Haupterstreckungsrichtung auf und das vierte Koppelelement 8"' weist eine vierte Haupterstreckungsrichtung auf. Diese Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' sind gemäß der dargestellten Ausführungsform rautenförmig angeordnet. Das erste Koppelelement 8 und das zweite Koppelelement 8' sind über eine Anbindung 4, zum Beispiel eine geeignete Federstruktur, an die Masse 2 gekoppelt und das dritte Koppelelement 8" sowie das vierte Koppelelement 8"' sind über eine Anbindung 4 an die andere Masse 2' gekoppelt. An den beiden Ecken der Raute die nicht mit den Massen 2, 2' verbunden sind, also den Verbindungsstellen des ersten und vierten Koppelelements 8, 8"' bzw. des zweiten und dritten Koppelelements 8', 8", sind die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' über Substratanbindungsstellen 3, 3' mechanisch an das Substrat gekoppelt. Diese Kopplung erfolgt hier über an den Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' angeordnete Torsionsfedern 6, die eine Torsionsbeweglichkeit der Koppelstruktur aus der
Haupterstreckungsebene heraus ermöglicht, d.h. eine Drehung um eine Achse parallel zu der Haupterstreckungsebene.
Die Torsionsfedern 6 sind wiederum an weitere Federn 7, die hier als Doppel-U-Federn ausgeführt sind, gekoppelt, die wiederum die direkte Anbindung an das Substrat an den Substratanbindungsstellen 3, 3' gewährleisten.
Die Bewegungen der Massen 2, 2' werden durch Detektionsmittel erfasst, die hier und im Folgenden aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt sind. Die Abbildungen konzentrieren sich auf die neuartige Anordnung der Koppelelemente 8, 8', 8", 8"'.
In Figur 1 sind ferner Pfeile eingezeichnet, die Bewegungsrichtungen symbolisieren. So ermöglichen die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' eine gegenläufige Bewegung der Massen 2, 2' aufeinander zu bzw. voneinander weg. Für den dargestellten Fall, dass sich die Massen 2, 2' parallel zu der Haupterstreckungsebene aufeinander zu bewegen, ergibt sich eine
Bewegung der Koppelelemente bzw. der Koppelstruktur senkrecht zu der Bewegung der Massen 2, 2' und ebenfalls parallel zu der
Haupterstreckungsebene. Durch die federnde Anbindung der
Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' ist eine solche Bewegung möglich. Dabei werden die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' derart bewegt, dass die erste Haupterstreckungsrichtung gegenüber der zweiten
Haupterstreckungsrichtung und der vierten Haupterstreckungsrichtung, sowie die zweite Haupterstreckungsrichtung gegenüber der dritten
Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung gegenüber der vierten Haupterstreckungsrichtung verschwenkt wird. D.h. die zwischen den genannten Haupterstreckungsrichtungen
eingeschlossenen Winkel verändern sich. Hingegen bleiben die erste Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung, sowie die zweite Haupterstreckungsrichtung und die dritte
Haupterstreckungsrichtung parallel zueinander.
In Figur 2 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die
diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Auf Grund der
Torsionsfedern 6 können die Massen 2, 2' und die Koppelstruktur, d.h. die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"', auch Torsionsbewegungen um die gestrichelt dargestellte Achse ausführen, die parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet ist. Die Torsionsbewegung erfolgt dabei hier derart, dass die rechte Masse 2' aus der Zeichenebene heraus bewegt wird, während die linke Masse 2 in die Zeichenebene hinein bewegt wird.
In Figur 3 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, weswegen
grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist beispielhaft dargestellt, wie bei Anliegen einer Querbeschleunigung durch die Anordnung der Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' eine parallele Störmode unterdrückt wird.
In Figur 4 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen, weswegen
grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Sind die anliegenden Querbeschleunigungen sehr groß, so kann dies zu einer Verkippung der Doppel-U-Federn 7 wie dargestellt führen, wodurch die parallele Störmode nicht mehr so effektiv unterdrückt wird.
In Figur 5 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen, weswegen
grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Um die Unterdrückung von (parallelen) Störmoden zu verbessern, umfasst der Inertialsensor 1 gemäß der hier dargestellten Ausführungsform vier Substratanbindungsstellen 3, 3', 3", 3"' für die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"'. Diese sind im Wesentlichen symmetrisch angeordnet und wie zuvor beschrieben aufgebaut, d.h. die Substratanbindung erfolgt jeweils über eine Doppel-U-Feder 7, die wiederum über eine Torsionsfeder 6 an die
Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' angebunden ist. Hierdurch wird die Steifigkeit der Koppelstruktur erhöht und eine Verkippung der Federn 7 wie in Figur 4 vermieden.
In Figur 6 ist ein Koppelelement 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Wie bereits in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist das Koppelelement 8 als Schub-Zug-Biegebalken ausgeführt. Um jedoch eine Verbiegung des Koppelelements 8 zu vermeiden, ist das Koppelelement 8 derart vorgesehen, dass es bezüglich der Haupterstreckungsrichtung in der Mitte eine größere Dicke, also einen breiteren Querschnitt, aufweist. Eine Verbiegung bei Schubbelastung wird somit vermieden. Dadurch, dass zugleich die Enden des Koppelelements 8, an denen das Koppelelement 8 mit anderen Koppelelementen 8', 8"' verbunden ist, relativ zu der Mitte dünn ausgebildet sind, wird vermieden, dass die Koppel struktur zu steif wird. Dies ist wichtig, um das Nichtlinearitätsverhalten des Inertialsensors 1 kontrolliert zu beeinflussen. Eine rautenförmige Koppelstruktur aus Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' wie dargestellt weist damit insgesamt ein stärker nicht-lineares Verhalten auf als eine bekannte U-förmige Feder.
Somit kann der Querschnitt der Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' in
Abhängigkeit der im konkreten Anwendungsfall gewünschten
Nutzmodenfrequenzen bzw. nicht gewünschten Störmodenfrequenzen angepasst werden. Auch ist es möglich, die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' relativ weich vorzusehen und die bezüglich der gewünschten
Nutzmodenfrequenz notwendige Steifigkeit durch die übrigen Federn 6, 7 des Inertialsensors 1 bereitzustellen.
In den Figuren 7a und 7b sind eine Torsionsfeder 6 zur Anbindung eines Koppelelementes 8, 8', 8", 8"' an eine Substratanbindungsstelle 3, 3' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht von unten und in einer schematischen
Seitenansicht dargestellt. Dabei zeigt Figur 7a die schematische Ansicht von unten. Wie bezüglich Figur 6 ausgeführt, ist es von entscheidender Bedeutung die Steifigkeit der verschiedenen Elemente des Inertialsensors 1 passend einzustellen. Die Torsionssteifigkeit der Torsionsfedern 6 kann dabei ähnlich zu der zuvor erläuterten Biegesteifigkeit der Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' durch die Wahl ihrer Querschnitte gesteuert werden.
Die Torsionsfeder 6 ist hier als Torsionsbalken ausgebildet. Durch eine geeignete Wahl der Abmessungen des Torsionsbalkens wird die
Torsionssteifigkeit beeinflusst. Üblicherweise werden Inertialsensoren 1 in Schichtprozessen hergestellt. Ein Einschichtprozess kann dabei lediglich einen bestimmten konstanten Querschnitt erzeugen. Im Falle eines Mehrschichtprozesses ist es jedoch möglich, wie dargestellt und insbesondere in Figur 7b gut zu erkennen, eine Aussparung in der Mitte des Torsionsbalkens vorzusehen, wodurch die Torsionssteifigkeit verringert wird.
In Figur 8 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen, weswegen
grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier sind jedoch nur drei Koppelelemente 8, 8', 8" vorgesehen, wobei das erste Koppelelement 8 an einem Ende mit der Masse 2 direkt oder über Umlenkungsstrukturen 11 und an dem anderen Ende mit dem zweiten Koppelelement 8' verbunden ist. Dieses weist in seiner Mitte eine
Substratanbindungsstelle 3 auf und ist an dem Ende, welches dem zur Verbindung mit dem ersten Koppelelement 8 vorgesehenen Ende gegenüberliegt, mit dem dritten Koppelelement 8" verbunden. Das dritte Koppelelement 8" ist wiederum an dem anderen Ende direkt oder indirekt mit der anderen Masse 2' verbunden.
Die Koppelstruktur ist damit im Wesentlichen Z-förmig ausgebildet. Die Verbindung zwischen den Koppelelementen 8, 8', 8" ist dabei in Form eines Gelenkes ausgebildet. Dies erfordert insbesondere einen
Mehrschichtprozess bei der Herstellung des Inertialsensors 1. Bei einer Auslenkung der Massen 2, 2' aus einer Ruhelage heraus wird dabei die erste Haupterstreckungsrichtung des ersten Koppelelements 8 gegenüber der zweiten Haupterstreckungsrichtung des zweiten Koppelelements 8' verschwenkt. Ebenso wird die zweite Haupterstreckungsrichtung gegenüber der dritten Haupterstreckungsrichtung des dritten
Koppelelements 8" verschwenkt. Erneut bleiben die erste
Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung dabei parallel zueinander angeordnet.
Dadurch, dass lediglich eine mittig angeordnete Substratanbindungsstelle vorgesehen ist, ist der Inertialsensor 1 gemäß der dargestellten
Ausführungsform besonders unempfindlich gegenüber
Substratverbiegungen.
In Figur 9 ist ein Koppelelement 8' mit einer Substratanbindung 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist das zweite Koppelelement 8' dargestellt, wobei abweichend zu der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform jedoch zwei
Substratanbindungsstellen 3, 3' vorgesehen sind. Dadurch, dass sie symmetrisch und mittig bezüglich der Gesamtstruktur vorgesehen sind, ist der Inertialsensor 1 vorteilhafterweise immer noch weitgehend
unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen, dafür ist jedoch die Koppelstruktur stabiler angebunden.
In Figur 10 ist ein Koppelelement 8' mit einer Substratanbindung 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist nur eine Substratanbindungsstelle 3 vorgesehen, wobei jedoch auf Grund des Herstellungsprozesses als (Mehr-)Schichtprozess eine
Zwischenschicht 9 erforderlich ist, die als Anbindung zwischen der spiralförmigen Feder, die die Anbindung an das Substrat vermittelt, und dem zweiten Koppelelement 8' fungiert.
In Figur 11 ist das Koppelelement 8' mit der Substratanbindung 3 aus Figur 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Hier ist insbesondere die Zwischenschicht 9 gut zu erkennen sowie der Schichtaufbau der
Substratanbindungsstelle 3 und dem zweiten Koppelelement 8'.
In den Figuren 12a und 12b sind zwei Koppelelemente 8, 8' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer
Detailansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Gezeigt sind dabei die in Figur 8 dargestellte Verbindung zwischen dem ersten Koppelelement 8 und dem zweiten Koppelelement 8' im Detail. In Figur 12a sind das erste Koppelelement 8 und das zweite Koppelelement 8' dabei der Übersichtlichkeit halber beabstandet dargestellt. Deutlich sind die sichelförmig gekrümmten Gelenkabschnitte 10, 10' zu erkennen. Auf Grund des zugrundeliegenden Schichtprozesses werden diese Gelenkabschnitte 10, 10' wie in Figur 12b dargestellt durch eine
Zwischenschicht 9 fest verbunden, die dementsprechend als
Verbindungsschicht fungiert. Dadurch wird eine definierte scharnierartige Gelenksbewegung ermöglicht.
In Figur 13 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Hierbei sind sechs Koppelelemente 8. 8', 8", 8"', 8"", 8""' kreuzartig angeordnet, so dass ein Teleskopgelenk realisiert wird. Im Wesentlichen entspricht diese Ausführungsform damit der Ausführungsform aus Figur 1 mit einer rautenförmigen Koppelstruktur. Hier ist jedoch im Kreuzungspunkt des dritten Koppelelements 8" mit dem vierten Koppelelement 8"' zentral eine Substratanbindungsstelle 3 vorgesehen. Das dritte Koppelelement 8" und das vierte Koppelelement 8"' sind dabei doppelt so lang wie das erste Koppelelement 8, das zweite Koppelelement 8', das fünfte Koppelelement 8"" und das sechste Koppelelement 8""' ausgebildet. Die Koppelstruktur und damit auch der Inertialsensor 1 ist im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut. Durch die dargestellte Ausführungsform werden insbesondere unerwünschte Kräfte senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Massen 2, 2' effektiv unterdrückt.
In Figur 14 ist ein Teil eines Inertialsensors 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im
Wesentlichen der in Figur 13 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier wird die Koppelstruktur durch Hinzufügen weiterer Koppelelemente 8"", 8""' verlängert. Durch eine solche Aneinanderreihung von kreuzförmigen Koppelstrukturen, bzw. kreuzförmig angeordneten Koppelelementen 8, 8', 8", 8"', 8"", 8""' können vorteilhafterweise größere Abstände zwischen den zu koppelnden Massen 2, 2' überbrückt werden. Hier ist nur eine
Substratanbindungsstelle 3 dargestellt, selbstverständlich können jedoch bei größeren Strukturen auch mehrere Substratanbindungsstellen 3, 3' vorgesehen sein. In Figur 15 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Der
Inertialsensor 1 umfasst hier vier Massen 2, 2', 2", 2"'. Um die
erfindungsgemäße Koppelstruktur bzw. die erfindungsgemäße Anordnung von Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' beibehalten zu können, sind die Massen indirekt über eine möglichst steife Umlenkstruktur 11 und U-förmige Federn 12 mit den Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' gekoppelt. Da der Aufbau des Inertialsensors 1 im Wesentlichen symmetrisch ist, wird der Einfachheit halber im Folgenden lediglich die linke Seite der Struktur erläutert.
Die linke Hälfte der Struktur entspricht im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Kopplung der Massen 2, 2', 2", 2"' indirekt über die Umlenkstruktur 11 erfolgt.
Ansonsten entspricht die Anordnung der Koppelelement 8, 8', 8", 8"' im Wesentlichen der in Figur 1 dargestellten Anordnung, ist jedoch im
Vergleich dazu in der vorliegenden Darstellung um 90° gedreht. Erneut sind die Koppelelemente 8, 8', 8", 8"' über zwei Substratanbindungsstellen 3, 3' an das Substrat angebunden. Die Anbindung an die
Substratanbindungsstellen 3, 3' erfolgt dabei wie zuvor beschrieben über Torsionsfedern 6 und Doppel-U-Federn 7.
Zur zusätzlichen Stabilisierung und zur Unterdrückung von parallelen Störmoden für den Fall, dass die beiden oberen Massen 2, 2' und die beiden unteren Massen 2", 2"' sich jeweils in entgegengesetzte Richtungen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene bewegen, ist die mittlere Substratanbindungsstelle 3' zudem über weitere Kopplungselemente 8"", 8""' mit der Umlenkstruktur 11 verbunden
In Figur 16 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in Figur 16 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier sind die mit einem Inertialsensor 1 gemäß der dargestellten Ausführungsform möglichen Bewegungsarten dargestellt. Insbesondere ist hier der Betrieb als Drehratensensor dargestellt, mit durch nicht dargestellte Antriebsmittel erzwungene Bewegungen parallel zu der Haupterstreckungsebene und resultierenden durch ebenfalls nicht dargestellte Detektionsmittel detektierte Bewegungen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Die dargestellte Ausführungsform ist dabei besonders vorteilhaft, da zusätzlich eine parallele Störmode unterdrückt wird, bei der sich die linke, obere Masse 2 und die linke untere Masse 2" in eine andere Richtung als die übrigen beiden Massen 2', 2"' bewegen.
In Figur 17 ist ein beispielhafter Verlauf einer Federsteifigkeit von
Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist insbesondere die
Federsteifigkeit zweier rautenförmiger Koppelstrukturen wie in den Figuren 15 und 16 dargestellt gezeigt. Jede Kurve stellt die Federsteifigkeit einer rautenförmigen Anordnung von Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' dar. Es ist sofort ersichtlich, dass die Federsteifigkeiten einen nicht-linearen Verlauf aufweisen. Die unteren Bereiche der Kurve entsprechen einer
Schubbelastung und die oberen Bereiche einer Zugbelastung. Bei einer Zugbelastung wird eine derartige rautenförmige Koppelstruktur steifer, während sie bei einer Kompression, also einer Schubbelastung weicher wird. Die Einheiten sind dabei willkürlich gewählt.
In Figur 18 ist ein beispielhafter Verlauf einer Federsteifigkeit von
Koppelelementen 8, 8', 8", 8"' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Kurve der Überlagerung der Kurven aus Figur 17. Gerade im Vergleich zu den Kurven aus Figur 17 zeigt sich ein Kompensationseffekt bezüglich der Nichtlinearität. Erneut sind die Einheiten willkürlich gewählt. Im Vergleich zu den einzelnen Kurven aus Figur 17 zeigt sich, dass die Steigung der Gesamtfedersteifigkeit der Koppelstruktur etwa um den Faktor 4 kleiner ist als die Steigung der Federsteifigkeiten der einzelnen rautenförmigen Koppelstrukturen.

Claims

Ansprüche
Inertialsensor (1) zur Messung einer Drehrate und/oder Beschleunigung, insbesondere mikroelektromechanischer Inertialsensor (1), wobei der
Inertialsensor (1) ein Substrat aufweist, wobei das Substrat eine
Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Inertialsensor (1) wenigstens zwei aus einer Ruhelage auslenkbare Massen (2, 2') aufweist, wobei die Massen (2, 2') mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind, wobei der Inertialsensor (1) wenigstens ein Detektionsmittel zur Detektion von Bewegungen der Massen (2, 2') entlang einer ersten Richtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Massen (2, 2') durch wenigstens ein erstes Koppelelement (8), ein zweites Koppelelement (8') und ein drittes Koppelelement (8") miteinander mechanisch gekoppelt sind,
- wobei das erste Koppelelement (8) eine erste Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das zweite Koppelelement (8') eine zweite
Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das dritte Koppelelement (8") eine dritte Haupterstreckungsrichtung aufweist,
- wobei die erste Haupterstreckungsrichtung, die zweite
Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung in der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet sind,
- wobei die Koppelelemente (8, 8', 8") im Wesentlichen starr ausgebildet sind,
- wobei jedes Koppelelement (8, 8', 8") mit wenigstens einem anderen der Koppelelemente (8, 8', 8") verbunden ist,
- wobei die Koppelelemente (8, 8', 8") derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen (2, 2') aus der Ruhelage eine Verschwenkung der ersten Haupterstreckungsrichtung gegenüber der zweiten Haupterstreckungsrichtung und eine Verschwenkung der zweiten gegenüber der dritten
Haupterstreckungsrichtung erfolgt,
- wobei die Koppelemente (8, 8', 8") über wenigstens eine
Substratanbindungsstelle (3) mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind. Inertialsensor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Koppelelement (8), das zweite Koppelelement (8') und das dritte Koppelelement (8") derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen (2, 2') aus der Ruhelage die erste Haupterstreckungsnchtung parallel zu der dritten Haupterstreckungsnchtung angeordnet bleibt.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor (1) ein viertes Koppelelement (8"') umfasst, wobei das vierte Koppelelement (8"') eine vierte
Haupterstreckungsnchtung aufweist, wobei das erste Koppelelement (8), das zweite Koppelelement (8'), das dritte Koppelelement (8") und das vierte
Koppelelement (8"') derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen (2, 2') aus der Ruhelage eine Verschwenkung der dritten
Haupterstreckungsnchtung gegenüber der vierten Haupterstreckungsnchtung erfolgt, wobei insbesondere die erste Haupterstreckungsnchtung parallel zu der dritten Haupterstreckungsnchtung angeordnet bleibt und die zweite
Haupterstreckungsnchtung parallel zu der vierten Haupterstreckungsnchtung angeordnet bleibt.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') unterschiedliche Längen aufweisen, wobei vorzugsweise ein Koppelelement (8", 8"') eine doppelt so große Länge wie ein anderes Koppelement (8, 8') aufweist, wobei insbesondere diese beiden Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') verbunden sind.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') in ihrer Mitte und/oder an ihren Enden mit einem anderen der Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') verbunden sind.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') balkenförmig vorgesehen sind, insbesondere als Biegebalken, Torsionsbalken und/oder Schub-Zug-Balken. Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelelement (8, 8', 8", 8"') entlang seiner
Haupterstreckungsrichtung einen veränderlichen Querschnitt, insbesondere eine veränderliche Dicke, aufweist.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelelemente (8, 8', 8", 8"') über genau eine Substratanbindungsstelle (3) mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind.
Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inertialsensor (1) wenigstens ein Antriebsmittel zum Antreiben der Massen (2, 2') zu einer Bewegung entlang einer zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist.
Inertialsensor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste Richtung und die zweite Richtung parallel zu der
Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass
- die erste Richtung parallel und die zweite Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass
- die erste Richtung senkrecht und die zweite Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111486871A (zh) * 2020-04-27 2020-08-04 新石器慧通（北京）科技有限公司 传感器检测方法、装置、检测设备及可读存储介质

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020215304A1 (de) 2020-12-03 2022-06-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Inertialmesseinheit
DE102021134351B3 (de) * 2021-12-22 2023-06-15 Northrop Grumman Litef Gmbh Kopplungsvorrichtung zum Koppeln zweier Schwingungssysteme
US20240271933A1 (en) * 2023-02-14 2024-08-15 AAC Kaitai Technologies (Wuhan) CO., LTD. Micro-mechanical gyroscope and electronic product
US12510358B2 (en) * 2023-02-14 2025-12-30 AAC Kaital Technologies (Wuhan) CO., LTD. Micro-mechanical gyroscope and electronic product
US20240271932A1 (en) * 2023-02-15 2024-08-15 AAC Kaitai Technologies (Wuhan) CO., LTD. Mems gyroscope and electronic product technical field

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19530007A1 (de) * 1995-08-16 1997-02-20 Bosch Gmbh Robert Drehratensensor
US20050072231A1 (en) * 2003-09-25 2005-04-07 Kionix, Inc. Z-axis angular rate sensor
US8453504B1 (en) * 2010-01-23 2013-06-04 Minyao Mao Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19641284C1 (de) * 1996-10-07 1998-05-20 Inst Mikro Und Informationstec Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen
US6966224B2 (en) * 2003-03-06 2005-11-22 Bei Technologies, Inc. Micromachined vibratory gyroscope with electrostatic coupling
JP2010014442A (ja) * 2008-07-01 2010-01-21 Mitsubishi Electric Corp 角速度センサ
IT1394007B1 (it) * 2009-05-11 2012-05-17 St Microelectronics Rousset Struttura microelettromeccanica con reiezione migliorata di disturbi di accelerazione
DE102009046110A1 (de) * 2009-10-28 2011-05-05 Robert Bosch Gmbh Koppelfeder für Drehratensensor
ITTO20091042A1 (it) * 2009-12-24 2011-06-25 St Microelectronics Srl Giroscopio integrato microelettromeccanico con migliorata struttura di azionamento
DE102012207937A1 (de) * 2012-05-11 2013-11-14 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19530007A1 (de) * 1995-08-16 1997-02-20 Bosch Gmbh Robert Drehratensensor
US20050072231A1 (en) * 2003-09-25 2005-04-07 Kionix, Inc. Z-axis angular rate sensor
US8453504B1 (en) * 2010-01-23 2013-06-04 Minyao Mao Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111486871A (zh) * 2020-04-27 2020-08-04 新石器慧通（北京）科技有限公司 传感器检测方法、装置、检测设备及可读存储介质

Also Published As

Publication number Publication date
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