Aktiv
schwingende mikromechanische Sensoren, wie z.B. Drehratensensoren,
verwenden in der Regel kammartige Strukturen, um den Sensor in Schwingung
zu versetzen. Diese Anregung findet größtenteils in Resonanz statt,
um die hohen Güten des
Systems auszunutzen.
Die
kammartigen Strukturen bestehen aus einem feststehenden Teil und
einem beweglichen Teil, der an der zu bewegenden seismischen Masse befestigt
ist. Zur Anregung der Schwingung wird zwischen den beiden Kammteilen
eine Spannung angelegt, so dass durch die dadurch entstehende elektrostatische
Kraft eine Anziehung erfolgt und die beiden Kämme ineinander gezogen werden.
Durch Umschalten auf ein zweites Kammpaar wird eine Bewegung in
die Gegenrichtung ausgelöst.
Da
die Empfindlichkeit der Sensoren direkt proportional zur Amplitude
der so erzeugten Schwingung ist, muss diese möglichst konstant gehalten werden,
um damit auch eine konstante Empfindlichkeit zu gewährleisten.
Hierfür
werden im allgemeinen weitere Kammstrukturen bzw. Kammpaare verwendet.
Diese messen über
die Veränderung
ihrer Kapazität,
die durch die Eintauchtiefe beeinflusst wird, die Amplitude der
Schwingung. Mit diese Information kann über eine Regelschleife eine
konstante Amplitude der Schwingung sichergestellt werden.
Vorteile der
Erfindung
Die
Erfindung geht aus von einem Sensor mit wenigstens einem Antriebs-/Detektionsmittel
einer Antriebseinheit und einer Auswerteeinheit. Der Kern der Erfindung
besteht darin, dass in einem ersten Betriebszustand das Antriebs-/Detektionsmittel
mit der Antriebseinheit verbunden ist, und in einem zweiten Betriebszustand
das Antriebs-/Detektionsmittel mit der Auswerteeinheit verbunden
ist.
Vorteilhaft
ist hierbei, dass das kombinierte Antriebs-/Detektionsmittel durch
wahlweise Verbindung mit der Antriebseinheit oder der Auswerteeinheit
eine Doppelfunktion ausführen
kann und somit nur halb so häufig
an dem Sensor vorgesehen sein muss, wie im Fall der bisher im Stand
der Technik realisierten Einzelfunktion von wenigstens einem Antriebs-/Detektionsmittel
für den
Antrieb und wenigstens einem Antriebs-/Detektionsmittel für die Auswertung.
Vorteilhaft
ist, dass der Sensor eine aktiv zur Schwingung anregbare seismische
Masse aufweist. An einer solchen Masse lassen sich Antrieb und Detektion
vorteilhaft kombinieren, weil Sie sich derselben Wechselwirkung
bedienen. Ein Antrieb übt
mittels des Antriebs-/Detektionsmittels eine Kraft aus, welche zu
einer Beschleunigung und Auslenkung der Masse führt. Eine äußere Kraftwirkung auf die seismische
Masse führt
ebenfalls zu einer Beschleunigung und Auslenkung dieser Masse die
von der Auswerteeinheit mittels des Antriebs-/Detektionsmittels gemessen
und ausgewertet werden kann.
Das
Antriebs-/Detektionsmittel ist dabei vorteilhaft mit der seismischen
Masse verbunden.
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
es sich bei dem Sensor um einen mikromechanisch ausgestalteten Messfühler, insbesondere
einen Drehratensensor handelt. Viele mikromechanische Sensoren besitzen
eine aktiv auslenkbare seismische Masse. Insbesondere mikromechanischen
Drehratensensoren besitzen eine aktiv auslenkbare seismische Schwingmasse,
deren Auslenkung infolge der Coriolisbeschleunigung detektiert wird.
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
das Antriebs-/Detektionsmittel
einen Kondensator, insbesondere mit kammartiger Struktur darstellt.
Solche Kammstrukturen lassen sich unter Ausnutzung der elektrostatischen Anziehung
unterschiedlich aufgeladener Kondensatorplatten vorteilhaft für einen
Antrieb nutzen. Die Auslenkung, insbesondere die Amplitude der Antriebsschwingung
kann wiederum vorteilhaft und einfach durch die resultierende Kapazitätsänderung
der Kammstruktur bestimmt werden.
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Bauelements sieht vor, dass
die Antriebseinheit und die Auswerteeinheit periodisch abwechselnd
mit dem Antriebs-/Detektionsmittel
verbunden sind. Dies kommt dem Prinzip der Angegung der seismischen Masse
zu periodischen Schwingungen entgegen und läßt sich vorteilhaft realisieren.
Vorteilhaft
ist auch, dass die Antriebseinheit und die Auswerteeinheit in wenigstens
einer elektrischen Schaltung dargestellt sind. Elektrische Schaltungen
lassen sich leicht mit mikromechanischen Funktionsteilen in einem
Sensor integrieren. Bei elektrostatischem Antrieb sind elektrische
Schaltungen für
die Antriebseinheit und die Auswerteeinheit besonders vorteilhaft.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die
Erfindung nutzt ein und dieselben Kämme sowohl für die Anregung
der Schwingung als auch für
die Detektion derselben. Dies geschieht dadurch, dass während einer
Halbperiode der Schwingung die eine Hälfte der Kämme als Antrieb verwendet wird,
während
die andere Hälfte
zur Detektion diese Schwingung verwendet wird. In der zweiten Halbperiode
kehrt sich die Aufgabenverteilung um, so dass die zuvor zur Detektion
verwendeten Kämme als
Antriebskämme
eingesetzt werden und umgekehrt. Die Erfindung ist sowohl bei rotatorischen
als auch bei translatorischen Schwingern einsetzbar.
Zum
Antrieb eines resonanten Schwingers werden nicht mehr separate Paare
von Antriebs- und Detektionskämmen
benötigt,
sondern beide Kammpaare übernehmen
gleichzeitig beide Aufgaben. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile.
Es werden nur noch halb so viele Kammstrukturen benötigt, da
je Kammstruktur beide Antriebsaufgaben gleichermaßen wahrgenommen
werden. Dabei können
auch zwei Kontaktierungsflächen
(Bondpads) zur Kontaktierung des Sensors entfallen. Im Ergebnis
wird eine sparsamere Verwendung der Chipfläche für Kämme und Bondpads erreicht.
Alternativ steht, wenn die Anzahl der Kämme beibehalten wird, bei einem
erfindungsgemäßen Sensor
die doppelte Anzahl an Antriebskämmen
zur Verfügung.
Dies ermöglicht,
alternativ oder auch kombiniert, zwei vorteilhafte Ausgestaltungen
des Sensors. Erstens kann der im Sensor eingeschlossene Innendruck
(üblicherweise
wenige mbar) erhöht
werden, weil ein kraftvollerer Antrieb die Schwingmasse auch gegen
den Widerstand eines höheren
atmosphärischen
Drucks antreiben kann. Daraus ergibt sich wiederum eine einfachere
Prozessführung
beim Verkappen der Sensoren, weil die Anforderungen an den möglichst
niedrig zu haltenden atmosphärischen
Druck beim Verkappen und an die Dichtigkeit der Kappe im späteren Betrieb
geringer wären.
Zweitens kann die notwendige Antriebsspannung, die der Auswertechip
liefern muss, reduziert werden, wenn mehr Antriebe zur Verfügung stehen.
Dadurch kann die Schaltung auf dem Auswertechip vereinfacht und
verkleinert werden. Hierdurch ergibt sich wiederum eine Flächeneinsparung
auf dem Chip, der die Auswerteschaltung umfasst.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
1 zeigt das Arbeitsprinzip
eines mikromechanischen Drehratensensors.
2 zeigt den mikromechanischen
Funktionsteil eines Drehratensensors.
3 zeigt schematisch die
elektrische Beschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik.
4 zeigt schematisch die
elektrische Beschaltung eines erfindungsgemäßen Drehratensensors.
5 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Drehratensensors.
Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
Anhand
der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
1 zeigt den mikromechanischen
Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik. Der
Drehratensensor ist in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt.
Dargestellt ist ein Träger 10,
eine Nabe 20 mit Schwingfedern 30 und eine Schwingmasse 40.
Die Nabe 20 ist mit dem Träger 10 verbunden. Über die
Schwingfedern 30 ist die Nabe auch mit der Schwingmasse 40 verbunden.
Der Drehratensensor weist Kammstrukturen CA1,
CA2 auf, die zum Antrieb der Schwingung
V dienen. Der Antrieb der zur Schwingung anregbaren seismischen Masse,
der Schwingmasse 40, erfolgt dadurch, dass die beiden Kämme einer
Antriebsstruktur, wie beispielsweise CA1,
zwei Elektroden darstellen, die auf unterschiedliche elektrische
Potentiale aufgeladen werden. Die komplementären Kämme werden infolge der elektrostatischen
Anziehungskraft ineinander gezogen, und die Schwingmasse 40 wird
dadurch ausgelenkt. Weiterhin weist der Drehratensensor Kammstrukturen
CD1, CD2 auf, die
geeignet sind, die Amplitude der Antriebsschwingung zu detektieren
und deren Signal im Allgemeinen zu einer Regelung dieser Amplitude
herangezogen wird. Schließlich
weist der Drehratensensor Kondensatorstrukturen CS1,
CS2 auf, die dazu dienen, die Auslenkung
der Schwingmasse infolge einer einwirkenden Corioliskraft FC zu messen.
Während des
Betriebes des Drehratensensors schwingt die Schwingmasse 40 auf
einer sphärischen
Bahn V um die Nabe 20. Der Drehratensensor detektiert bestimmungsgemäß Drehungen
um die Drehachse Ω.
Bei einer solchen Drehung des Sensors um Ω treten gesetzmäßig Corioliskräfte FC auf, die zu einer Auslenkung der Schwingmasse 40 in der
durch Pfeile bezeichneten Richtung senkrecht zur Schwingungsebene
führen.
Der Richtungssinn der Corioliskräfte
FC ändert
sich jeweils mit dem Richtungssinn der Drehschwingung V der Schwingmasse 40.
2 zeigt die schematische
Darstellung des mikromechanischen Funktionsteils eines Drehratensensors
nach 1 in der Draufsicht.
Dargestellt sind die Antriebskämme
CA11, CA12, CA21, CA22 und die Detektionskämme CD11, CD12, CD21, CD22. Die Antriebskämme CA11, CA12, dienen
zum Antrieb der Schwingmasse 40 in Richtung +V. Die Antriebskämme CA21, CA22 dienen
zum Antrieb der Schwingmasse 40 in Richtung –V. Die
Detektionskämme
CD11 CD12, CD21, CD22, dienen
zum Messen der Amplitude der Antriebsauslenkung in den beiden Richtungen
+V und –V.
Die Kapazität
dieser kondensatorartigen Kammstrukturen CD11,
CD12, CD21, CD22 hängt
von der Eintauchtiefe der Kämme
ineinander und damit von der Überdeckungsfläche der
Kondensatorplatten zueinander ab. Die Elektroden CT1 und CT2 stellen
Testelektroden dar. Durch Anlegen einer Spannung an die Testelektroden
CT1 und CT2 kann eine Auslenkung der Schwingmasse 40 in
Richtung der Corioliskräfte FC erzielt werden. Somit kann die Wirkung
der Corioliskräfte
FC simuliert und die Auslenkbarkeit der Schwingmasse 40 des
getestet werden. Damit kann die Funktionalität des Sensors geprüft werden.
3 zeigt schematisch die
elektrische Beschaltung eines Drehratensensors nach Stand der Technik.
Es ist ein kapazitiver Drehratensensor mit einem mikromechanischen
Funktionsteil 100 mit den Antriebskämmen CA1 und
CA2 für
den Antrieb einer Drehschwingung, sowie den Detektionskämmen CD1 und CD2 für die Detektion
der Amplitude der Antriebsauslenkung dargestellt. Der Drehratensensor weist
eine Auswerteeinheit 300 mit zwei Kapazitäts-Spannungs-Wandlern
(C/U-Wandler) 310 und 320 sowie einem Differenzverstärker 330 auf.
Weiterhin umfasst der Drehratensensor auch einen Antrieb 200 mit
einer Phasen- und Amplitudenregelung 210 und einer Antriebseinheit 220.
Im
Betrieb eines resonanten Sensors nach dem in den 1 und 2 beschriebenen Beispiel werden
im allgemeinen getrennte Kämme
oder Kammpaare für
Antrieb (CA1, CA2)
und Antriebsdetektion (CD1, CD2)
eingesetzt. Während
einer ersten Halbperiode der Schwingung wird z.B. durch die Antriebseinheit 220 am
Ausgang 221 eine Antriebsspannung UA bereitgestellt.
Die Antriebsspannung UA wird zwischen der
Schwingmasse 40 und dem in 3 dargestellten
Kamm CA1 angelegt und somit die Schwingmasse 40 aufgrund
der elektrostatischen Anziehung in Richtung +V ausgelenkt. Die Kammstrukturen
tauchen dabei ineinander ein. Hierdurch ändert sich auch die Eintauchtiefe
der Detektionskämme
CD1 und CD2. Während der
ortsfeste Teil der Kammstruktur CD2 und
das entsprechende Gegenstück
des Schwingers 40 ineinander eintauchen und damit eine
größere Kapazität bilden,
wird die Kammstruktur CD1 auseinander gezogen
und bilden damit eine kleinere Kapazität. Diese Kapazitätsänderungen werden
detektiert und als im Wesentlichen kapazitiätsproportionale Signale 311 und 321 der
Auswerteeinheit 300 zugeleitet. Das Signal 311 wird
dem Kapazitäts-Spannungs-Wandlern
(C/U-Wandler) 310 und das Signal 321 wird dem
Kapazitäts-Spannungs-Wandlern
(C/U-Wandler) 320 zugeführt.
In diesen C/U-Wandlern wird jeweils das kapazitiätsproportionale Signal in ein
Spannungssignal umgewandelt. Das Spannungssignal 331 aus
dem C/U-Wandler 310 und das Spannungssignal 332 aus
dein C/U-Wandler 320 werden dein Differenzverstärker 330 zugeführt, welcher
daraus ein Regelsignal 333 für den Antrieb 200 generiert.
Das Regelsignal 333 wird der Phasen- und Amplitudenregelung 210 zugeleitet.
Die Phasen- und
Amplitudenregelung 210 erzeugt ein Antriebsregelsignal 211 mit
Phasen- und Amplitudeninformationen, welches der Antriebseinheit 220 zugeleitet
wird. Aufgrund des Antriebsregelsignals 211 stellt die
Antriebseinheit 220 an einem Ausgang eine geeignete Antriebsspannung 221 bereit.
In dieser Zeit hat der Kamm CA2 keine Funktion.
Während einer
zweiten Halbperiode der Schwingung wird durch die Antriebseinheit
220 am Ausgang 222 eine Antriebsspannung UA bereitgestellt.
Die Antriebsspannung UA wird zwischen der Schwingmasse 40 und
dem in 3 dargestellten Kamm
CA2 angelegt und somit die Schwingmasse 40 aufgrund
der elektrostatischen Anziehung in Richtung –V ausgelenkt. Die Kammstrukturen
tauchen dabei ineinander ein. Hierdurch ändert sich auch die Eintauchtiefe
der Detektionskämme
CD1 und CD2. Während der
ortsfeste Teil der Kammstruktur CD1 und das
entsprechende Gegenstück
des Schwingers 40 ineinander eintauchen und damit eine
größere Kapazität bilden,
wird die Kammstruktur CD2 auseinander gezogen
und bilden damit eine kleinere Kapazität. Die Kapazitätsänderungen
werden detektiert und als im Wesentlichen kapazitiätsproportionale
Signale 311 und 321 der Auswerteeinheit 300 zugeleitet.
Die Auswertung erfolgt wieder wie bereits oben beschrieben. In dieser
Zeit hat der Kamm CA1 keine Funktion.
4 zeigt schematisch die
elektrische Beschaltung eines erfindungsgemäßen Sensors am Beispiel eines
Drehratensensors. Es ist ein kapazitiver Drehratensensor mit einem
mikromechanischen Funktionsteil 100 mit Antriebs-/Detektionsmitteln
in Form von Kondensatorkammstrukturen Cn dargestellt,
wobei in diesem Beispiel n=1, 2, 3, oder 4 ist. Die Kondensatorstrukturen
C1 und C2 einerseits, sowie C3 und C4 andererseits sind parallel
geschaltet und können
erfindungsgemäß jeweils
auch in einer einzigen gemeinsamen Struktur realisiert sein. Der Drehratensensor
weist daneben eine Auswerteeinheit 300 mit zwei Kapazitäts-Spannungs-Wandlern (C/U-Wandler) 310 und 320 sowie
einem Differenzverstärker 330 auf.
Weiterhin umfasst der Drehratensensor auch einen Antrieb 200 mit
einer modifizierten Antriebsregelung 215 und einer Antriebseinheit 220. Die
modifizierte Antriebsregelung 215 umfasst eine Phasen-
und Amplitudenregelung und eine Ansteuerung für zwei Schaltelemente 410 und 420.
In
einem ersten Betriebszustand, der in diesem Beispiel einer ersten
Halbperiode entspricht, sind die Kondensatorstrukturen C1 und C2
mittels des Schaltelements 410 und der das Spannungssignal 221 führenden
Signalleitung mit der Antriebseinheit 220 verbunden und
treiben die Schwingmasse 40 in Richtung +V an. Die Kammstrukturen
C1 und C2 verschränken
sich dabei, werden also durch die elektrostatische Anziehung ineinander
gezogen. Gleichzeitig werden die Kammstrukturen C3 und C4 auseinander
gezogen. Die dabei auftretende Kapazitätsänderung wird gemessen. Die
Kammstrukturen C3 und C4 sind mittels des Schaltelements 420 mit dem
C/U-Wandler 320 verbunden, dem das Signal 321 zugeleitet
wird. Ein der Kapazität
proportionales Signal 311 liegt nicht an, weil die betreffende
Signalleitung am Schaltelement 410 offen ist. Der C/U-Wandler 310 liefert
aus diesem Grund keinen Beitrag. Das Spannungssignal 331 (welches
keine Information enthält)
aus dem C/U-Wandler 310 und das Spannungssignal 332 aus
dem C/U-Wandler 320 werden dem Differenzverstärker 330 zugeführt, welcher
daraus ein Regelsignal 333 für den Antrieb 200 generiert,
Das Regelsignal 333 wird der modifizierten Phasen- und
Amplitudenregelung 215 zugeleitet. Die modifizierte Phasen- und Amplitudenregelung 215 erzeugt
ein Antriebsregelsignal 211 mit Phasen- und Amplitudeninformationen,
welches der Antriebseinheit 220 zugeleitet wird. Weiterhin
wird ein phasenabhängiges
Signal 430 zur Steuerung der Schaltelemente 410 und 420 erzeugt.
Aufgrund des Antriebsregelsignals 211 stellt die Antriebseinheit 220 an
einem Ausgang eine geeignete Antriebsspannung 221 bereit.
In
einem zweiten Betriebszustand, der in diesem Beispiel einer zweiten
Halbperiode entspricht, sind die Kondensatorstrukturen C3 und C4
mittels des Schaltelements 420 und der das Spannungssignal 222 führenden
Signalleitung mit der Antriebseinheit 220 verbinden und
treiben die Schwingmasse 40 in Richtung –V an. Die
Kammstrukturen C3 und C4 verschränken
sich dabei, werden also durch die elektrostatische Anziehung ineinander
gezogen. Gleichzeitig werden die Kammstrukturen C1 und C2 auseinander
gezogen. Die dabei auftretende Kapazitätsänderung wird gemessen. Die
Kammstrukturen C1 und C2 sind mittels des Schaltelements 410 mit
dem C/U-Wandler 310 verbinden, dem das Signal 311 zugeleitet
wird. Ein der Kapazität
proportionales Signal 321 liegt nicht an, weil die betreffende
Signalleitung am Schaltelement 420 offen ist. Der C/U-Wandler 320 liefert
aus diesem Grund keinen Beitrag. Das Spannungssignal 331 aus
dem C/U-Wandler 310 und das Spannungssignal 332 (welches
keine Information enthält)
aus dein C/U-Wandler 320 werden dem Differenzverstärker 330 zugeführt, welcher
daraus ein Regelsignal 333 für den Antrieb 200 generiert. Das
Regelsignal 333 wird der modifizierten Phasen- und Amplitudenregelung 215 zugeleitet.
Die modifizierte Phasen- und
Amplitudenregelung 215 erzeugt ein Antriebsregelsignal 211 mit
Phasen- und Amplitudeninformationen, welches der Antriebseinheit 220 zugeleitet
wird. Weiterhin wird ein phasenabhängiges Signal 430 zur
Steuerung der Schaltelemente 410 und 420 erzeugt.
Aufgrund des Antriebsregelsignals 211 stellt die Antriebseinheit 220 an
einem Ausgang eine geeignete Antriebsspannung 222 bereit.
Durch
dieses Vorgehen steht in diesem Ausführungsbeispiel die doppelte
Menge an Antriebskämmen
zur Verfügung.
Wie oben erwähnt
sind die Kondensatorstrukturen C1 und C2 einerseits, sowie C3 und
C4 andererseits parallel geschaltet. Sie können aber erfindungsgemäß jeweils
auch in einer einzigen gemeinsamen Struktur realisiert sein. Dies
ermöglicht
eine Zusammenlegung und damit Reduzierung der Anzahl von Kammstrukturen.
5 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Drehratensensors.
Es ist ein kapazitiver Drehratensensor mit einem mikromechanischen
Funktionsteil 100, und einer Auswerteeinheit 300 dargestellt.
Weiterhin umfasst der Drehratensensor auch einen Antrieb 200 mit
einer modifizierten Antriebsregelung 215 und einer Antriebseinheit 220. Wie
unter 4 beschrieben,
liegt je nach Betriebszustand eines der Kapazitätssignale 321 oder 311 nicht
an und einer der C/U-Wandler 320 oder 310 ist jeweils
ohne Funktion und also überflüssig. Im
Unterschied zur 4 sind
daher die Kammstrukturen Cn gesteuert über die
Schaltelemente 410 und 420 wechselseitig nunmehr über nur
eine gemeinsame Signalleitung mit der Auswerteeinheit 300 verbunden.
Die Auswerteeinheit 300 enthält auch nur einen C/U-Wandler
anstelle der zwei C/U-Wandler in dem vorherigen Ausführungsbeispiel.
Die
Erfindung ist ausdrücklich
nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar. Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Antriebs-/Detektionsmittel
auch bei Linearschwingern, also Schwingern mit translatorischer
statt rotatorischer Bewegung Verwendung finden.