DE102004017480B4

DE102004017480B4 - Rotations-Drehratensensor mit mechanisch entkoppelten Schwingungsmoden

Info

Publication number: DE102004017480B4
Application number: DE102004017480A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schwarzelbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: WO2005098358A3; DE102004017480A1; EP1735589A2; US20070194857A1; WO2005098358A2; US7520169B2

Abstract

Drehratensensor zur Detektion einer Drehung, um die der Sensor gedreht wird, umfassend folgende Bestandteile:
(a) ein Substrat,
(b) ein Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung ν₁ versetzt werden kann,
(c) eine Ankerstruktur, über die das Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist,
(d) ein oder mehrere Detektionselement(e),
(e) ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden,
(f) eine Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingungselements, und
(g) eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s)
dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement (i) im Wesentlichen steif gegenüber der Rotationsschwingung ν₁ ist, derart, dass die Rotationsschwingung auf das bzw. die Detektionselemente übertragen wird und (ii) eine radiale Schwingung ν₂ des Detektionselements gegenüber dem Schwingungselement zulässt, wobei jedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν₁ des Schwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondere einen mikromechanischen Drehratensensor zum Detektieren einer Drehbewegung unter Ausnutzung der durch diese Bewegung induzierten Coriolis-Kraft.
Mikromechanische rotatorische Drehratensensoren (Gyroskope) sind bekannt. Seit einiger Zeit lassen sie sich mit Hilfe klassischer Ätztechniken auf einem Siliziumwafer aufbauen. Sie können ein erstes, in einer x-y-Ebene angeordnetes Element (Primärschwinger, drive element), das zu einer oszillierenden Schwingung angeregt wird, und ein zweites, für die Detektion verwendetes Element (Sekundärschwinger, Outputelement) umfassen, das über Verbindungsglieder mit dem ersten Element verbunden ist. Tritt eine Drehbewegung v_r des Sensors um eine Achse senkrecht zur Schwingungsachse auf, wirkt die Corioliskraft mit 2m v_rxu auf die Massenpunkte des in Rotationsschwingung befindlichen Körpers ein; durch geeignete Maßnahmen wird diese Kraft auf das Detektionselement übertragen, derart, dass dieses aus der x-y-Ebene heraus ausgelenkt wird. Diese Drehbewegung wird sodann mit geeigneten Mitteln, z. B. kapazitiven Elektroden, erfasst.
Das oben beschriebene System ist bisher in zwei unterschiedlichen Gestaltungsformen realisiert worden. In der EP 0906557 B1 wird ein Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen beschrieben. Der Primärschwinger ist über eine Primärschwingeraufhängung mittig am Substrat befestigt und hält über Torsionsfedern einen in derselben Ebene befindlichen, als Detektionselement vorgesehenen Sekundärschwinger, wobei die Torsionsfedern die induzierte Schwingung des Primärschwingers starr auf den Sekundärschwinger übertragen. Bei einer Drehung des Sensors um eine Ebene, die senkrecht auf der Ebene steht, in der sich die beiden Schwingungselemente befinden, wirkt die Corioliskraft auf beide Elemente ein. Während der Sekundärschwinger hierdurch aus seiner Ebene verkippt wird, bleibt der Primärschwinger in dieser Ebene, da er zum einen so am Substrat verankert ist, dass ein Verkippen aus dieser Ebene heraus nicht gut möglich ist und zum anderen die Torsionsfedern eine Rückübertragung der auf den Sekundärschwinger einwirkenden Corioliskraft auf den Primärschwinger verhindern.
Den umgekehrten Weg geht der Vorschlag gemäß US 5,955,66 A : Hier ist das Schwingungselement, das zu einer Radialschwingung angeregt wird, kreisförmig um ein verkippbares Sensorelement angeordnet, das über zwei Anker am Substrat befestigt ist. Torsionsfedern verbinden das Schwingungselement mit dem Sensorelement, und diese sind so ausgestaltet, dass sie weder die Schwingung des Schwingungselements auf das Sensorelement übertragen noch die durch Corioliskraft verursachte Kippbewegung des Sensorelements auf das Schwingungselement rückübertragen.
Die beiden vorgenannten Drehratensensoren sind wie erwähnt so ausgelegt, dass sie in der Lage sind, eine Drehbewegung zu detektieren, die senkrecht zur Achse der angeregten Drehschwingung erfolgt. Die Detektion der Drehbewegung erfolgt daher zwangsläufig immer über eine Auslenkung des Detektionselements aus der Ebene der Anregungsschwingung heraus; dabei neigt sich das Detektionselement auf seiner einen Seite in Richtung des Substrates, auf dem die Struktur aus Schwingungs- und Detektionselement verankert ist. Befinden sich Gasmoleküle zwischen dem Substrat und dem Detektionselement, können diese eine dämpfende oder das Ergebnis verzerrende Wirkung besitzen. Deshalb ist es notwendig, dass derartige Drehratensensoren in einem gut evakuierten Gehäuse verschlossen sind.
In der Schwingungsebene des Schwingungselements sind die Schwingungsmoden von Schwingungselement und Detektionselement der vorgenannten Drehratensensoren nicht entkoppelt. Sie sind daher nicht in der Lage, eine Drehbewegung zu detektieren, die um dieselbe Achse erfolgt, in der auch das Anregungselement schwingt.
Aus US 6,308,567 B1 ist ein Drehratensensor bekannt, bei dem die Detektionselemente in der gleichen Ebene eine Radialschwingung ausführen können, in der die Rotationsschwingung eines Antriebs-Schwingungselements erfolgt. Die Detektionselemente bewegen sich dementsprechend nicht aus ihrer Schwingungsebene heraus, wenn sie eine von außen aufgeprägte Bewegung detektieren. Um die notwendigerweise durch die Rotationsschwingung auftretende Zentrifugalkraft von der zu detektierenden Radialschwingung zu trennen, wurden zwei Paare von einander gegenüberliegenden Massen zu einer Drehschwingung in Gegenrichtung zueinander angeregt. Dadurch wirkt der Vektor der durch eine von außen aufgeprägte Bewegung resultierenden Corioliskraft bei dem einen Massenpaar nach außen, bei dem anderen nach innen. Durch eine Rechenoperation wird dann die faktisch gemessene Kraft des einen Massenpaares von der des anderen Massenpaares abgezogen, wodurch sich die Zentrifugalkraft aus der Gesamtgleichung herauskürzt, während sich die Absolutwerte der Corioliskraft positiv addieren. Eine Maßnahme, die bewirken könnte, die durch die Zentrifugalkraft der Anregungsschwingung ausgelöste Radialschwingung mechanisch zu unterdrücken, wird dagegen nicht offenbart.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehratensensor bereitszustellen, der diesen Nachteil überwindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine spezifische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
In 2 sind die Kräfte eingezeichnet, die bei einer Drehung der Vorrichtung auftreten.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehratensensors im Schnitt durch eine x-z- oder y-z-Ebene sowie eine mögliche Herstellungstechnik für solche Sensoren.
In 4 ist eine spezifische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehratensensors in Ruheposition gezeigt.
In 5 sieht man denselben Sensor wie in 4 in ausgelenkter Stellung bezüglich der aufgebrachten Rotationsschwingung und unter Einwirkung einer zu detektierenden Drehbewegung.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor unterscheidet sich dadurch von den bisher bekannten Drehratensensoren, dass er ein oder mehrere Detektionselement(e) aufweist, dessen/deren Schwingungsmodus vom Schwingungsmodus des Schwingungselements mechanisch entkoppelt ist/sind, obwohl sowohl Schwingungselement als auch Detektionselement in derselben Ebene schwingen. Diese Entkopplung gelingt durch die Bereitstellung von Verbindungselementen zwischen Schwingungselement und Detektionselement, die einerseits die rotatorische Anregungsschwingung ν₁ des Schwingungselements steif auf das Detektionselement übertragen, auf der anderen Seite aber so ausgelegt sind, dass sie eine Radialschwingung des Detektionselementes zulassen. Diese Verbindungselemente können als radial schwingungsfähige Federn ausgestaltet sein, deren Resonanzfrequenz f₂ die gleiche ist wie die Resonanzfrequenz f₁ der Anregungsschwingung ν₁. Der Schwingungsmode des Schwingungselements wirkt durch die immer radial vom Ankerpunkt nach außen gerichtete Zentrifugalkraft mit doppelter Frequenz auf das Detektionselement.
Die Entkopplung zwischen beiden Schwingungsmoden ergibt sich entweder

a) dadurch, dass die Drehrate auf das Detektionselement derart wirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung f₁ gleichfrequente radiale Schwingung versetzt wird; (das Störsignal mit der Frequenz 2·f₁, das durch die Zentrifugalkraft erwirkt wird, kann vom Nutzsignal mit der Frequenz f₁, das von der Drehratenabhängigen Corioliskraft erzeugt wird, durch einen geeignete Filterelektronik getrennt werden) oder
b) dadurch, dass die Anordnung derart betrieben wird (z. B. unter Vakuum), dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung, wie z. B. das Störsignal mit der Frequenz 2·f₁, stark gedämpft werden; oder
c) durch eine Kombination von a) und b)

Die vorliegende Erfindung soll anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend näher erläutert werden.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor in den dargestellten Ausgestaltungen umfasst ein Schwingungselement 1, das physikalisch eine frei bewegliche Masse darstellt. Die Gestalt dieses Elements kann in Abhängigkeit von den sonstigen räumlichen Gegebenheiten der Sensorstruktur frei gewählt werden. Das Schwingungselement ist über eine zentrale Ankerstruktur 2 mit dem Untergrund oder Substrat verbunden, die in den dargestellten Ausgestaltungen mit Federn versehen ist. Die Anzahl der Federn ist in allen Beispielen vier; es sollte aber klar sein, dass auch eine davon abweichende Anzahl von Federn verwendet werden kann.
Am Schwingungselement 1 sind über als Federn ausgestaltete Verbindungselemente 4 Massen 5 befestigt, die als Detektionselemente fungieren. Auch hier sollte wiederum klar sein, dass die Ausgestaltung der Verbindungselemente als Federn beispielhaft ist, desgleichen die Zahl der Federn und der damit verbundenen Detektionselemente.
In der Ausgestaltung der 1 sind z. B. vier symmetrisch angeordnete Massen vorgesehen, die sich radial gesehen außerhalb des Schwingungselements befinden. Anders in 4, die eine spiegelsymmetrische Ausführungsvariante mit zwei Detektionselementen zeigt, von denen jedes über zwei Federn in einer Aussparung des Schwingungselements angeordnet ist.
Nur in den 4 und 5 sind Erfassungseinrichtungen für die Anregungsschwingung und für die zu messende Radialschwingung gezeigt: Kapazitive Elektroden o. ä. (Bezugsziffern 6 und 7), die z. B. als Interdigitalstrukturen ausgelegt sind, messen die Stellung der Schwingungselemente, und die radiale Stellung des Detektionselements wird von Elektrodenstrukturen 8 und 9 erfasst, bei denen es sich ebenfalls z. B. um Interdigitalelektroden handeln kann.
In 3 ist schematisch dargestellt, wie die erfindungsgemäßen Drehratensensoren im Schnitt durch eine x-z-oder y-z-Achse aufgebaut sein können und wie sie sich herstellen lassen. Der gezeigte Aufbau ist besonders günstig, da er aus nur wenigen Bestandteilen gebildet wird und einen integralen Aufbau von Anker, Schwingungselement, Verbindungselementen (Federn) und Detektionselementen ermöglicht: Ein Substrat, z. B. ein Silizium-Wafer, wird mit einer strukturierten Opferschicht bedeckt, z. B. einem mit einem geeigneten Lösungsmittel wieder auflösbaren Oxid. Darüber wird eine strukturierbare Schicht aus einem Material, z. B. aus Polysilizium, aufgebracht, aus dem das Schwingungselement, die Ankerstruktur, die Verbindungselemente und die Detektionselemente gebildet werden sollen (3a). Die strukturierbare Schicht ist am Ort des späteren Ankers direkt mit dem Substrat verbunden. Sie kann ausschließlich zweidimensional, z. B. durch geeignete Maßnahmen wie Belichten durch eine Lochmaske und anschließendes Herauslösen der unbelichteten, unvernetzten Flächen, strukturiert werden (3b). Anschließend wird die Opferschicht aufgelöst und entfernt.
Im Betrieb wird das Schwingungselement 1 in eine Rotationsschwingung, d. h. Anregungsschwingung ν₁ mit konstanter Frequenz (f₁) und Amplitude um den Ankerpunkt (die z-Achse) und parallel zur Substratebene (x-y Ebene) versetzt. Die Anregung der Rotationsschwingung kann nach bekannten Methoden und unter Einsatz bekannter Elemente erfolgen, beispielsweise durch Anbringen von Interdigalstrukturen, an die eine Wechselspannung mit der Frequenz f₁ gelegt wird. Solche Strukturen werden prinzipiell bereits bei anderen Mikro-Drehratensensoren eingesetzt, siehe hierzu z. B. die beiden oben genannten Druckschriften. Auch die Erfassung der Rotationsschwingung zu Überwachungsszwecken kann über solche Strukturen erfolgen.
Da die Federn 4 gegenüber der Rotationsschwingung steif sind, folgen die mit ihnen verbundenen Detektionselemente 5 dieser Schwingung mit derselben Frequenz. Drehbeschleunigungen führen zu keiner Biegeschwingung in Rotationsrichtung. Aufgrund der oszillierenden Rotation werden die Detektionselemente 5 einer Zentrifugalbeschleunigung a_z ausgesetzt, die bei jeder Halbwelle der Rotationsschwingung radial nach außen gerichtet ist. Somit werden die Massen mit einer Zentrifugalkraft F_z angeregt (siehe 2), deren Frequenz f_z doppelt so groß ist wie die Resonanzfrequenz der Rotationsschwingung. f_z ist damit gleich 2 × f₁ (angedeutet mit dem doppelten Pfeil).
Die Federn 4 zwischen dem Schwingungselement und den Detektionselementen sind derart ausgelegt, dass eine gegenüber dem Ankerelement 3 durch die Detektionselemente 5 erfolgende radiale Schwingung die gleiche Resonanzfrequenz f₂ besitzt wie die Rotationsschwingung des Schwingungselements 1 (d. h. f₁ = f₂). Radialschwingungen jenseits der Resonanzfrequenz sind stark gedämpft. Daraus ergibt sich, dass die Zentrifugalkraft F_z zu keiner radial gerichteten Bewegung führt.
Jenseits der Resonanzfrequenz ist die Dämpfung so stark, dass eine Schwingung durch die Zentrifugalkraft F_z stark reduziert ist und damit beide Schwingungssysteme als entkoppelt anzusehen sind.
Wird das Gesamtsystem einer Drehrate Ω ausgesetzt, die um dieselbe Achse z dreht wie die Schwingung des Schwingungselements, regt die auf die Detektionselemente 5 wirkende Corioliskraft F_c diese zu einer nach radial gerichteten Schwingung an. In der Amplitude dieser Schwingung ist die Höhe der Drehrate moduliert.
Die Erfassung der Radialschwingung(en) des bzw. der Detektionselemente kann nach bekannten Methoden, beispielsweise kapazitiv über Interdigitalstrukturen erfolgen.
Selbsverständlich können die Verbindungselement auch durch andere Strukturen als die hier beschriebenen Federn realisiert werden, sofern sie die voranstehend beschriebenen Funktionsmerkmale aufweisen.

Claims

Drehratensensor zur Detektion einer Drehung, um die der Sensor gedreht wird, umfassend folgende Bestandteile: (a) ein Substrat, (b) ein Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung ν₁ versetzt werden kann, (c) eine Ankerstruktur, über die das Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, (d) ein oder mehrere Detektionselement(e), (e) ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, (f) eine Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingungselements, und (g) eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s) dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement (i) im Wesentlichen steif gegenüber der Rotationsschwingung ν₁ ist, derart, dass die Rotationsschwingung auf das bzw. die Detektionselemente übertragen wird und (ii) eine radiale Schwingung ν₂ des Detektionselements gegenüber dem Schwingungselement zulässt, wobei jedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν₁ des Schwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft F_z, die durch die Rotationsschwingung ν₁ auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt, im Wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Detektionselemente(s) auslösen kann.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement eine Federanordnung ist, über die ein Detektionselement mit dem Schwingungselement verbunden ist, wobei die Resonanzfrequenz f₂ der Schwingung ν₂ identisch ist mit der Resonanzfrequenz f₁ der Schwingung ν₁, und wobei die radiale Schwingung ν₂ des bzw. der Detektionselemente jenseits der Resonanzfrequenz gedämpft ist.
Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerstruktur eine Federanordnung umfasst, die sich in der Schwingungsebene des Schwingungselements auslenken lässt, aber im übrigen biegesteif ist.
Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er spiegelsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ist.
Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Detektionselemente radial weiter von der Ankerstruktur entfernt sind als das Schwingungselement.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das oder die Detektionselemente in Aussparungen des Schwingungselements befindet/befinden.
Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 2, 3, 4, 6 oder 8 Detektionselemente aufweist.
Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Detektionselement über ein Verbindungselement mit dem Schwingungselement verbunden ist.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Detektionselement von zwei oder mehr Verbindungselementen gehalten wird.
Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung um eine Drehachse z, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Drehratensensor mit den folgenden Bestandteilen vorsieht: (a) einem Substrat, (b) einem Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung ν₁ in der Ebene x-y versetzt werden kann, (c) einer Ankerstruktur, über die das Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, (d) einem oder mehreren Detektionselement(en), (e) einem oder mehreren Verbindungselement(en), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, (f) einer Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingungselements, und (g) einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s), wobei jedes Verbindungselement (i) im wesentlichen steif gegenüber der Rotationsschwingung ν₁ ist, derart, dass die Rotationsschwingung auf das bzw. die Detektionselemente übertragen wird und (ii) eine radiale Schwingung ν₂ des Detektionselements gegenüber dem Schwingungselement zulässt, und wobei jedes Verbindungselement jedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν₁ des Schwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft F_z, die durch die Rotationsschwingung ν₁ auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt, im wesentlichen keine Radialbewegung dieser Detektionselemente auslösen kann, dadurch gekennzeichnet, dass man das Schwingungselement zu einer Schwingung ν₁ in der x-y-Ebene anregt und die radiale Schwingung des Detektionselementes, die durch die Einwirkung von Corioliskraft infolge der Drehbewegung des Sensors in der x-y-Achse auftritt, detektiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Anregen der Rotationsschwingung als auch das Erfassen der Radialschwingung kapazitiv über Interdigitalstrukturen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplung zwischen dem Schwingungsmodus der Rotationsschwingung ν₁ und dem Schwingungsmodus der Radialschwingung dadurch erfolgt, dass (a) die Drehrate derart gewählt wird, dass sie auf das Detektionselement in einer Weise einwirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung f₁ gleichfrequente radiale Schwingung versetzt wird, und/oder (b) dass die Anordnung derart betrieben wird, dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung stark gedämpft werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Störsignal mit der Frequenz 2·f₁, das durch die Zentrifugalkraft erwirkt wird, durch filterelektronische Maßnahmen vom Nutzsignal der Radialschwingung mit der Frequenz f₁ getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der mechanischen, radialen Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz dadurch erfolgt, dass der Drehratensensor im Vakuum betrieben wird.