DE102005008352B4

DE102005008352B4 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE102005008352B4
Application number: DE200510008352
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof. Seidel; Ulrich Dr. Schmid; Alexander Kulygin; Karin Dr. Bauer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Universitaet des Saarlandes
Current assignee: SEIDEL, HELMUT, PROF. DR., DE
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: DE102005008352A1

Abstract

Drehratensensor umfassend
– einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator (11a, 11b, 12) mit einem ersten Zinken (11a) und einem zweiten Zinken (11b), die über eine gemeinsame Basis (12) miteinander verbunden sind,
– einen Ausleseoszillator (21a, 21b, 22),
– eine die Basis (12) des Anregungsoszillators (11a, 11b, 12) mit dem Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) verbindende Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) zur Übertragung einer Torsionsbewegung vom Anregungsoszillator zum Ausleseoszillator, und
– eine Fixierung (4), über die die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) an einer oder mehreren Stellen zwischen dem Anregungsoszillator (11a, 11b, 12) und dem Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) mit einem Substrat (1) verbunden ist, wobei die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) einen Torsionsbalken (23) umfasst, der zentral an der Basis (12) des Anregungsoszillators ansetzt und über die Fixierung (4) mit dem Substrat (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) und die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) zwischen dem ersten Zinken...

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor, häufig auch bezeichnet als Winkelgeschwindigkeitssensor.
Drehratensensoren werden in unterschiedlichen Systemen eingesetzt, um zu ermitteln, mit welcher Winkelgeschwindigkeit sich ein Gegenstand um eine spezielle Achse dreht. Während die Winkelgeschwindigkeit früher mittels feinwerktechnisch hergestellter Kreisel gemessen wurde, werden heutzutage zunehmend mikromechanisch hergestellte, vibratorische Drehratensensoren auf Siliziumsubstraten eingesetzt, die mit geringster Energieversorgung arbeiten können und deutlich geringer in Preis, Gewicht und Dimensionierung sind. Relativ komplexe oberflächen-mikromechanisch hergestellte Drehratensensoren werden beispielsweise in WO 97/02467 A1, US 6 134 961 A , US 6 125 701 A , und US 6 122 961 A beschrieben. Um die Winkelgeschwindigkeit zu einer beliebigen Achse im Raum ermitteln zu können, wird der Gegenstand mit drei solchen orthogonal zueinander ausgerichteten Drehratensensoren ausgestattet. In Verbindung mit drei Beschleunigungssensoren lassen sich komplexe Dynamikmessungen durchführen. Drehratensensoren werden daher beispielsweise in Fahrdynamikregelsystemen sowie zur Bildstabilisierung von Videokameras, zur Dynamikregelung von Satelliten beim Aussetzen in die Umlaufbahn oder in der zivilen Luftfahrt als Back-up-Lageregelungssystem eingesetzt.
Vibratorische Drehratensensoren nutzen den Effekt der Corioliskraft und bestehen im allgemeinen aus zwei gekoppelten mechanischen Oszillatoren, von denen einer zur Schwingung angeregt wird, während der andere bedingt durch die Corioliskraft ein Messsignal abgibt. In diesem Zusammenhang wurden bereits zahlreiche verschiedene Varianten von Drehratensensoren vorgeschlagen, die bisweilen sehr komplex aufgebaut und entsprechend aufwendig zu fertigen sind. Für die Massenfertigung und auch für die Fertigung von kleinen Stückzahlen werden kostengünstige, aber dennoch exakt arbeitende Drehratensensoren benötigt.
Strukturell vergleichsweise einfach aufgebaut sind Drehratensensoren, deren Anregungsoszillator stimmgabelartig ausgebildet ist. Solche Drehratensensoren sind beispielsweise aus DE 199 02 339 A1 , US 6 134 962 A , US 6 125 701 A und US 5 635 642 A sowie mit einer relativ komplexen Aufhängung auch aus der EP 0 638 783 A1 bekannt und besitzen einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator mit zwei parallelen Zinken, die jeweils ein freies und ein über eine gemeinsame Basis miteinander verbundenes Ende besitzen. Die Zinken werden derart in Schwingung versetzt, dass sie sich gegenphasig aufeinander zu und voneinander wegbewegen. Tritt nun eine Drehrate um eine zu den Zinken parallele Achse auf, so bewirkt die Corioliskraft eine Auslenkung der Zinken senkrecht zur Ebene, in der die Zinken liegen. Aufgrund der gegensinnigen Anregungsschwingung der beiden Zinken, bewirkt die Corioliskraft eine Auslenkung der einen Zinke „in die Zinkenebene hinein", während sich die andere Zinke im selben Maße „aus der Zinkenebene heraus" bewegt. Die Zinken schwingen dabei mit einer der Anregungsschwingung entsprechenden Frequenz senkrecht zur Zinkenebene. Mittig zwischen den Zinken stellt sich in der die Zinken verbindenden Basis ein entsprechendes Torsionsmoment ein. Dieses Torsionsmoment wechselt mit jeder Schwingung seine Drehrichtung.
Drehrate berechnen. Die Amplitude der Torsionsbewegung aufgrund der Corioliskraft ist jedoch im Vergleich zur Amplitude der Anregungsbewegung um mehrere Größenordnungen kleiner, so dass eine Torsionsmessung am Stimmgabeloszillator zu großen Fehlern führen würde.
In DE 199 02 339 A1 und US 5 635 642 A wird vorgeschlagen, dieses Torsionsmoment in einen zentral an der Basis der Stimmgabel ansetzenden Torsionsbalken zu leiten, der seinerseits mit einem Ausleseoszillator gekoppelt ist. Im Falle der DE 199 02 339 A1 ist der Ausleseoszillator ebenfalls stimmgabelförmig ausgebildet. Der Torsionsbalken verbindet jeweils die Basis der beiden in einer gemeinsamen Ebene mit parallel zueinander angeordneten Zinken liegenden Stimmgabeln. Aufgrund dieser Konstruktion wird von der Anregungsstimmgabel im wesentlichen nur die Auslenkungsschwingung senkrecht zur Zinkenebene auf die Auslesestimmgabel übertragen, so dass die Zinken der Auslesestimmgabel ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene auslenken. Durch geeignete Dimensionierung der Zinken und des Torsionsbalkens wird erreicht, dass die Ausleseschwingungsamplitude der Auslesestimmgabel senkrecht zur Zinkenebene wesentlich höher ist als die durch die Corioliskraft bedingte Auslenkungsschwingung der Anregungsstimmgabel. Im Falle der US 5 635 642 A besteht der Ausleseoszillator aus zu beiden Seiten des Torsionsbalkens in einem gewissen Abstand aufgehängten Massen, die die Torsionsauslenkung des Torsionsbalkens verstärken.
Die Anordnung bestehend aus dem stimmgabelförmigen Anregungsoszillator, Ausleseoszillator und Torsionsübertragungselement wird in dem vorbeschriebenen Stand der Technik örtlich fixiert, indem der Torsionsbalken einseitig oder beidseitig verlängert und mit seinem bzw. seinen Verlängerungsenden an einem Substrat befestigt ist. Eine beidseitige Einspannung ist jedoch sehr empfindlich gegenüber Verspannungen des Substrats, z.B. aufgrund von Gehäuseverspannungen, und sollte daher besser vermieden werden.
In der EP 0 638 783 A1 wird vorgeschlagen, die Zinkenenden der Anregungs- und Auslesestimmgabeln an gegenüberliegenden Querträgern eines rechteckigen Rahmens zu befestigen. Der Rahmen ist auf einer Aufhängung gelagert, die mit dem Rahmen wiederum über Quer- und Längsträger gekoppelt ist und die nur an einer einzigen zentral gelegenen Stelle mit einem die Anordnung tragenden Substrat verbunden ist. Diese Aufhängung ist sehr komplex und aufwendig herzustellen.
In dem einen wie dem anderen Falle wird die verstärkte, Corioliskraft bedingte Auslenkung des Ausleseoszillators erfasst und daraus die zugrunde liegende Drehrate berechnet. Konkret wird jeweils vorgeschlagen, die gesamte Struktur aus einem Piezokristall zu fertigen und sowohl die Anregungsschwingungen mittels auf den Zinken applizierten Elektroden zu erzeugen als auch die Ausleseschwingungen mit demselben physikalischen Prinzip zu erfassen.
Ein allgemeines Problem bei allen Drehratensensoren besteht darin, ein mechanisches Übersprechen zwischen Anregungsoszillator und Ausleseoszillator möglichst vollständig zu vermeiden. Dies ist dringend erforderlich, wenn man berücksichtigt, dass die Amplitude des corioliskraft-bedingten Nutzsignals der Ausleseschwingung im Regelfall um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Amplitude der Anregungsschwingung. Bereits ein geringfügiges Übersprechen des Anregungssignals auf den Ausleseoszillator, z.B. bedingt durch Fertigungstoleranzen, kann daher die Messung der Drehrate erheblich beeinträchtigen. Ein mechanisches Übersprechen tritt in der Praxis insbesondere dann ein, wenn mechanische Unwuchten auftreten, wenn die Zinken nicht symmetrisch angeregt werden oder wenn die Anregungsfrequenz und die Auslesefrequenz identisch sind oder sehr nahe zusammenliegen.
Aus der DE 102 54 163 A1 ist ein Drehratensensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der Torsionsbalken zentral an der Basis des Anregungsoszillators ansetzt und über eine Fixierung mit einem Substrat verbunden ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach aufgebauten Drehratensensor mit stimmgabelförmigem Anregungsoszillator vorzuschlagen, bei dem das mechanische Übersprechen zwischen Anregungs- und Ausleseoszillator aufgrund der mechanischen Konstruktion so weit wie möglich vermindert ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Drehratensensor gelöst, der die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist.
Der Ausleseoszillator ist erfindungsgemäß als kapazitiv auslesender Oszillator ausgebildet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Anregungsoszillator, wie nachfolgend beschrieben, ein elektrostatisch angeregter Oszillator ist. Denn dann ist die Anordnung ohnehin positiv oder negativ elektrisch geladen, so dass im Zusammenwirken mit einer oder mehreren fest auf dem Substrat angeordneten Gegenelektroden ein Kondensator ausgebildet werden kann, dessen Kapazität abhängig von der Schwingung des Ausleseoszillators zu- und abnimmt. Es ist keine besondere Verdrahtung erforderlich. Der Anregungsoszillator kann in diesem Fall strukturell ähnlich der US 5 635 642 A ausgebildet sein und dementsprechend seitlich zur Torsionsübertragungseinrichtung beabstandete und mit dieser über einen Steg verbundene Platten aufweisen, die hier aber nicht nur als Gewichte zur Torsionsverstärkung sondern gleichzeitig als Elektrode des Kondensators ausgebildet sind. Der Ausleseoszillator ist so dimensioniert, dass seine Eigenresonanz in einer Richtung senkrecht zur Zinkenebene nahe benachbart zur Anregeresonanz des Anregungsoszillators liegt. Auf diese Weise wird mit der geringsten notwendigen Energie zur Anregung der Stimmgabelstruktur des Anregeoszillators ein maximales Auslesesignal im Ausleseoszillator erzielt.
Darüber hinaus ist der Ausleseoszillator mit der Torsionsübertragungseinheit erfindungsgemäß zwischen den ersten und zweiten Zinken des Anregungsoszillators angeordnet sind. Diese Anordnung ist besonders platzsparend.
Der Anregungsoszillator und der Ausleseoszillator sind bei der erfindungsgemäßen Lösung, entsprechend der DE 102 54 163 A1 , durch einen zentral angreifenden Torsionsbalken miteinander verbunden, der zwischen dem Anregungsoszillator und dem Ausleseoszillator eine Verbindung zum Substrat herstellt. Der Torsionsbalken der Torsionsübertragungseinrichtung nimmt aufgrund seiner Fixierung zum Substrat im Wesentlichen alle Kräfte auf, die keine Torsionskräfte sind, wodurch ein mechanisches Übersprechen zwischen Anregungs- und Ausleseeinheit minimiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Torsionsübertragungseinrichtung benachbart zu dem Torsionsbalken, auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionsbalkens angeordnete Übertragungselemente, die ebenfalls an der Basis des Anregungsoszillators ansetzen. Nur der Torsionsbalken ist über die Fixierung mit dem Substrat fest verbunden, während die Übertragungselemente demgegenüber frei sind und mit ihren Enden die Basis des Anregungsoszillators mit dem Ausleseoszillator verbinden. Da die Übertragungselemente im Gegensatz zum Torsionsbalken nicht zentral an der Basis ansetzen sondern benachbart zum Torsionsbalken liegen, bewegen sie sich mit einer Auslenkung der Zinken des Anregungsoszillators senkrecht zur Zinkenebene auf und ab, allerdings mit einer entsprechend geringeren Amplitude, und übertragen diese Auf- und Abbewegung unmittelbar auf den Ausleseoszillator. Dabei ist es grundsätzlich von untergeordneter Bedeutung, wie der Ausleseoszillator konkret ausgebildet ist. Es kann sich beispielsweise um eine zweite Stimmgabel im Sinne der DE 199 02 339 A1 und EP 0 638 783 A1 oder um torsionsverstärkende Elemente im Sinne der US 5 635 642 A handeln.
Vorzugsweise ist der Torsionsbalken in einem zentralen Bereich zwischen dem Anregungsoszillator und dem Ausleseoszillator zum Substrat fixiert. Die zentrale Fixierung bietet den Vorteil, dass die Torsionsübertragungseinrichtung torsionsweich ist und so die Übertragung der mittels der Übertragungsstangen auf den Ausleseoszillator übertragenen Auslenkungen des Anregungsoszillators nicht blockiert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die piezoelektrische Anregung und Auslesung nicht favorisiert, wenngleich dies eine technisch realisierbare erfindungsgemäße Variante darstellt. Problematisch bei der piezoelektrischen Variante ist einerseits die Beschränkung des Materials auf ein Piezokristall und andererseits die Schwierigkeit, die zum Anregen und Auslesen erforderlichen Elektroden in exakter Lage am Anregungsoszillator bzw. Ausleseoszillator anzubringen. Auch die Verdrahtung dieser Elektroden kann sich auf die Schwingungseigenschaften der Oszillatoren negativ und schwer kalkulierbar auswirken.
Bevorzugt wird daher der Anregungsoszillator als elektrostatisch angeregter Oszillator ausgebildet. Zu diesem Zweck wird über die Fixierung des Torsionsbalkens eine Gleichspannung an die Gesamtstruktur angelegt, so dass die Stimmgabel positiv oder negativ geladen ist. Durch ein in geeigneter Weise von außen angelegtes elektrostatisches Wechselfeld werden die Zinken des stimmgabelförmigen Anregungsoszillators gegensinnig in Schwingung versetzt, wobei diese Schwingung an oder nahe bei der Eigenresonanz der Stimmgabelstruktur liegt. Besonders bevorzugt wird dabei eine Stimmgabelstruktur, bei der die Zinken eine erste Kammstruktur aufweisen, in die eine fest mit dem Substrat verbundene zweite Kammstruktur eingreift.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor lässt sich besonders vorteilhaft in Oberflächenmikromechanik herstellen, so dass er besonders leicht und mit geringen geometrischen Abmessungen realisierbar ist. Aber auch eine Realisierung in Bulktechnologie kann vorteilhaft sein, da damit größere seismische Massen realisierbar sind. Der typische Flächenbedarf eines erfindungsgemäßen Drehratensensors, bei dem der Ausleseoszillator zwischen den Zinken des Anregungsoszillators angeordnet ist, gegenüber einem Drehratensensor, bei dem Anregungsoszillator und Ausleseoszillator längs zueinander angeordnet sind, um ca. 30–40% reduziert. Die Abmessungen eines in Oberflächenmikromechanik hergestellten Drehratensensors, bei dem der Ausleseoszillator zwischen den Zinken des Anregungsoszillators angeordnet ist, können beispielsweise 680 × 600 μm oder darunter betragen, während ein Drehratensen sor, bei dem Anregungsoszillator und Ausleseoszillator längs zueinander angeordnet sind, entsprechend schmaler baut und eine Breite von 600 μm oder weniger bei einer Länge von 1100 μm oder weniger aufweisen kann.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:
1 schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors mit längs zueinander angeordneten Anregungs- und Ausleseoszillatoren und
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors, bei dem der Ausleseoszillator zwischen den Zinken des Anregungsoszillators angeordnet ist.
1 zeigt eine Ausführungsform eines nicht-erfindungsgemäßen Drehratensensors umfassend ein Substrat 1, auf dem eine Anregungseinheit 10 und eine Ausleseeinheit 20 angeordnet sind. Die Anregungseinheit 10 besteht aus zwei mit dem Substrat 1 verbundenen, ortsfesten Elektroden 2a und 2b und einem damit zusammenwirkenden, stimmgabelförmigen Anregungsoszillator, dessen über eine gemeinsame Basis 12 miteinander verbundene Zinken 11a, 11b Gegenelektroden zu den Elektroden 2a, 2b bilden. Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt und unterscheidet sich von dem nachfolgend in Bezug auf 1 beschriebenen Drehratensensor nur dadurch, dass die Ausleseeinheit 20 zwischen den Zinken 11a, 11b des stimmgabelförmigen Anregungsoszillators liegt. Die Elektroden 2a, 2b und Gegenelektroden 11a, 11b der Anregungseinheit sind als ineinandergreifende Kammstrukturen ausgebildet. Die Basis 12 mit den Zinken 11a, 11b ist nicht unmittelbar mit dem Substrat 1 verbunden, so dass sie relativ zu den Elektro den 2a, 2b beweglich sind. Die Fixierung der beweglichen Zinken 11a, 11b relativ zum Substrat 1 erfolgt indirekt über eine Aufhängung 4 eines zentral an der Basis 12 angreifenden Torsionsbalkens 23. An dem Torsionsbalken können auch mehrere stimmgabelförmige Anregungsoszillatoren ansetzen, beispielsweise wie in US 5 635 642 A (23, 24) vorgeschlagen.
Die Ausleseeinheit 20 umfasst einen Ausleseoszillator 21a, 21b, 22, eine Torsionsübertragungseinrichtung 23, 25a, 25b und zwei auf dem Substrat 1 ortsfest angeordnete Elektrodenflächen 3a, 3b. Der Ausleseoszillator besteht aus zwei symmetrisch zum Torsionsbalken 23 angeordneten, plattenförmigen Gegenelektroden 21a, 21b, die über einen Steg 22 miteinander und mit dem Torsionsbalken 23 verbunden sind. Die Gegenelektroden 21a, 21b sind auf diese Weise relativ zum Substrat 1 über die Aufhängung 4 des Torsionsbalkens 23 beweglich aufgehängt und liegen in einem definierten Abstand über den Elektrodenflächen 3a, 3b. Für die Gegenelektroden 21a, 21b, die hier quadratisch ausgeführt sind, kann jede beliebige Form gewählt werden. Insbesondere kann der sie verbindende Steg 22 entfallen, so dass sie eine zusammenhängende Elektrodenfläche bilden, an der der Torsionsbalken 23 ansetzt.
Die Torsionsübertragungseinrichtung umfasst den bereits genannten Torsionsbalken 23, der parallel zu den einander gegenüberliegenden, parallelen Zinken des Anregungsoszillators ausgerichtet ist. Benachbart zum Torsionsbalken 23 und symmetrisch dazu auf beiden Seiten verlaufen parallel angeordnete Übertragungselemente 25a, 25b, die genau wie der Torsionsbalken 23 jeweils mit einem Ende am Ausleseoszillator, im dargestellten Ausführungsbeispiel am Steg 22, und mit dem jeweils anderen Ende an der Basis 12 des Anregungsoszillators angreifen. Im Gegensatz zum Torsionsbalken 23 sind die stangenförmigen Übertragungselemente 25a, 25b nicht unmittelbar mit dem Substrat 1 verbunden und können sich daher relativ zum Substrat 1 bewegen.
Die mit dem Substrat 1 lediglich über die Aufhängung 4 verbundenen Elemente des Drehratensensors bestehen vorzugsweise aus einem integralen Bauteil, welches in einem oberflächenmikromechanischen Verfahren, wie zum Beispiel im sogenannten „Bosch-Prozeß", hergestellt werden. Eine typische Abmessung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels beträgt in der Gesamtlänge etwa 1100 μm und in der Gesamtbreite etwa 600 μm, wobei die Kantenlänge der quadratischen Gegenelektroden 21a, 21b bei etwa 200 μm, die Breite der Aufhängung 4 bei etwa 70 μm und die Breite der Übertragungselemente 25a, 25b bei etwa 6 μm liegen. Noch kleinere Abmessungen sind denkbar und durch weitere Verbesserung der zur Verfügung stehenden oberflächenmikromechanischen Verfahren möglich.
Der Drehratensensor nutzt zur Bestimmung der Drehrate den Corioliseffekt aus, der in rotierenden Bezugssystemen auf einen Körper einwirkt, der sich radial auf oder vom Mittelpunkt der Drehbewegung weg bewegt. Dazu werden zunächst die beiden beweglichen Zinken 11a, 11b des Anregungsoszillators zu gegensinnigen Schwingungen derart angeregt, dass sie sich während einer einen Schwingungsphase auf einander zu und während der nächsten Schwingungsphase voneinander weg bewegen. Diese Oszillation wird mittels der ineinandergreifenden Kammstrukturen über elektrostatische Kräfte erzielt, indem an die beweglichen Zinken 11a, 11b eine Gleichspannung und an die ortsfesten Elektroden 2a, 2b des Substrats 1 eine Wechselspannung angelegt werden. Die Frequenz der Wechselspannung wird an oder nahe der Biegeresonanzfrequenz in Zinkenebene der durch die Basis 12 und die Zinken 11a, 11b gebildeten Stimmgabel gewählt, um eine möglichst hohe Schwingungsamplitude in der Zinkenebene zu erzielen.
Tritt nun eine Drehrate auf, die zumindest mit einer Komponente um eine zu den Zinken 11a, 11b parallele Achse dreht, so führt die Corioliskraft zu einer Auslenkung der Zinken 11a, 11b senkrecht zu der Ebene, in der die Zinken 11a, 11b liegen. Aufgrund der gegensinnigen Anregungsoszillation der Zinken 11a, 11b bewirkt die Corioliskraft, dass sich eine der beiden Zinken aus der Zinkenebene herausbewegt, während sich die andere der beiden Zinken im selben Moment in die Zinkenebene hineinbewegt. Da die Zinken 11a, 11b über die Basis 12 miteinander verbunden sind, führt die Auslenkung der Zinken in dem zentral an der Basis 12 angreifenden Torsionsbalken 23, welcher über die Aufhängung 4 relativ zum Substrat 1 fixiert ist, zu einem Torsionsmoment, welches proportional zu der durch die Corioliskraft verursachten Auslenkung der Zinken 11a, 11b ist.
Da der Torsionsbalken 23 etwa in seiner Mitte fest mit dem Substrat 1 verbunden ist, werden durch ihn in erster Näherung nur Torsionsmomente aber keine linearen Kräfte zum Ausleseoszillator übertragen. Der Torsionsbalken 23 übernimmt vor allem die Funktion, die Gesamtanordnung relativ zum Substrat 1 aufzuhängen und zu stabilisieren, wobei eine Torsion der Elemente um den Torsionsbalken 23 herum gewährleistet bleibt.
Die Übertragung der durch die Corioliskraft bedingten Oszillation der Zinken 11a, 11b senkrecht zur Zinkenebene auf den Steg 22 und auf die damit starr verbundenen Gegenelektroden 21a, 21b wird erheblich unterstützt durch die stangenförmigen Übertragungselemente 25a, 25b, welche aufgrund der wirkenden Kräfte abwechselnd in die eine und die andere Richtung verdrillen. Dadurch schwingen die Gegenelektroden 21a, 21b um den Torsionsbalken 23 herum auf und nieder. Die Elemente der Ausleseeinheit 20 sind so dimensioniert, dass die an oder nahe bei der Eigenresonanz der Zinken 11a, 11b ge wählte Anregungsschwingung (in Zinkenebene) im Ausleseoszillator zu einer Schwingung (senkrecht zur Zinkenebene) führt, die ihrerseits an oder nahe der Eigenresonanz des Ausleseoszillators liegt, d.h. dass die Torsionsresonanz nahe der Anregungsresonanz des Anregungsoszillators liegt. Mit anderen Worten werden die Komponenten so dimensioniert, dass die Gegenelektroden 21a, 21b bei geeignet gewählter Anregungsschwingung mit einer maximalen Schwingungsamplitude oszillieren.
Die Gegenelektroden 21a, 21b des Ausleseoszillators, an denen dieselbe Gleichspannung wie an den Zinken 11a, 11b des Anregungsoszillators anliegt, bilden jeweils zusammen mit den auf dem Substrat 1 vorgesehenen Elektroden 3a, 3b einen Kondensator mit einem definierten Kondensatorspalt, dessen Spaltweite entsprechend der Oszillation der Gegenelektroden 21a, 21b periodisch variiert. Die damit einhergehende Kapazitätsänderung des jeweiligen Kondensators dient als Meßgröße zur Berechnung der auf den Drehratensensor wirkenden Drehrate.
Die Art und Weise, wie die einzelnen Komponenten optimal dimensioniert werden können, damit sie bei einer gegebenen Anregungsschwingung nahe ihrer Eigenresonanz schwingen, sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere sind die Massen der bewegten Elemente geeignet zu wählen und zu verteilen. Dies kann auch im nachhinein optimiert werden, indem überschüssige Massen nachträglich entfernt werden oder, wie es in der US 5 635 642 A vorgeschlagen wird, indem am Steg 22 befestigte, bewegliche Massenelemente in geeigneter Weise verschoben werden.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich im wesentlichen von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 nur dadurch unterscheidet, dass die Ausleseeinheit 20 zwischen den Zinken 11a, 11b des stimmgabelförmigen Anregungsoszillators liegt. Insgesamt ergibt sich so eine kompaktere Bauweise. Der Drehratensensor gemäß 2 kann beispielsweise eine Gesamtbreite von 660 μm oder darunter und eine Gesamtlänge von nur 600 μm oder darunter besitzen.
Der Drehratenoszillator bestehend aus den plattenförmigen Gegenelektroden 21a, 21b und der Stimmgabel 2a, 2b, 12 kann sowohl im gleichphasigen als auch im gegenphasigen Modus betrieben werden. Der gegenphasige Modus bietet den Vorteil, dass am Torsionsbalken 23 ein Punkt existiert, der in Ruhe bleibt. Dieser Punkt wird vorzugsweise zur Fixierung der Aufhängung 4 genutzt. Beim gleichphasigen Modus wird die Gesamtanordnung dagegen am Aufhängepunkt zwangsweise festgehalten. Der gleichphasige Modus besitzt aber eine geringere Frequenz als der gegenphasige Modus, was von Vorteil sein kann.
Mittels der Anregungselektroden 11a, 11b lässt sich durch Zeitmultiplexing auch die Anregungsamplitude messen, die zur Berechnung der zu messenden Kräfte benötigt wird. Alternativ können zusätzliche Ausleseelektroden vorgesehen sein, um die Amplitude unabhängig von den Anregungselektroden ohne Zeitmultiplexing messen zu können. Dies ist in den Figuren nicht dargestellt. Außerdem können am Ausleseoszillator die Ausleseelektroden 21a, 21b durch Stellelektroden ergänzt werden, um mittels der Stellelektroden eine Unwucht der Struktur auf elektronischem Wege zu kompensieren.

Claims

Drehratensensor umfassend – einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator (11a, 11b, 12) mit einem ersten Zinken (11a) und einem zweiten Zinken (11b), die über eine gemeinsame Basis (12) miteinander verbunden sind, – einen Ausleseoszillator (21a, 21b, 22), – eine die Basis (12) des Anregungsoszillators (11a, 11b, 12) mit dem Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) verbindende Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) zur Übertragung einer Torsionsbewegung vom Anregungsoszillator zum Ausleseoszillator, und – eine Fixierung (4), über die die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) an einer oder mehreren Stellen zwischen dem Anregungsoszillator (11a, 11b, 12) und dem Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) mit einem Substrat (1) verbunden ist, wobei die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) einen Torsionsbalken (23) umfasst, der zentral an der Basis (12) des Anregungsoszillators ansetzt und über die Fixierung (4) mit dem Substrat (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) und die Torsionsübertragungseinrichtung (23, 25a, 25b) zwischen dem ersten Zinken (11a) und dem zweiten Zinken (11b) des Anregungsoszillators angeordnet sind und dass der Ausleseoszillator (21a, 21b, 22) ein kapazitiv wirkender Oszillator ist.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu dem Torsionsbalken (23) auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionsbalkens (23) Übertragungselemente (25a, 25b) angeordnet sind, die ebenfalls an der Basis (12) des Anregungsoszillators ansetzen.
Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsoszillator ein elektrostatisch angeregter Oszillator ist.
Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (11a, 11b) eine erste Kammstruktur aufweisen, in die eine fest mit dem Substrat (1) verbundene zweite Kammstruktur (2a bzw. 2b) eingreift, wobei die Kammstrukturen (11a, 2a und 11b, 2b) für die elektrostatische Anregung des Anregungsoszillators ausgelegt sind.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleseoszillator eine oder mehrere erste Elektroden (21a, 21b) aufweist, die fest mit dem Substrat (1) verbundenen zweiten Elektroden (3a bzw. 3b) gegenüberliegen.
Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektroden (21a, 21b) über einen Steg (22) miteinander verbunden sind.
Drehratensensor nach Anspruch 6 mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionsbalken (23) und die Übertragungselemente (25a, 25b) an dem Steg (22) ansetzen.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektroden plattenförmig ausgebildet sind.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung (4) in einem zentralen Bereich zwischen dem Anregungsoszillator und dem Ausleseoszillator an dem Torsionsbalken (23) angreift.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er in Oberflächenmikromechanik hergestellt ist.
Drehratensensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Breite ≤ 660 μm, insbesondere ≤ 600 μm, und eine Länge ≤ 1100 μm, insbesondere ≤ 600 μm, besitzt.