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Die
Erfindung betrifft einen Drehratensensor, häufig auch bezeichnet als Winkelgeschwindigkeitssensor.
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Drehratensensoren
werden verwendet, um eine Winkelgeschwindigkeit eines Gegenstandes
um eine Achse zu ermitteln. Ist der Drehratensensor mikromechanisch
auf Siliziumsubstraten hergestellt, bietet er gegenüber einem
feinwerktechnischen Kreisel den Vorzug, dass er in kleinen Abmessungen
zu relativ niedrigen Kosten gefertigt werden kann. Vorteilhaft sind
ferner eine relativ geringe Messunsicherheit und ein geringer Energieverbrauch
während
des Betriebes. Ein Hauptanwendungsgebiet von Drehratensensoren liegt
in der Automobiltechnik, zum Beispiel bei Fahrdynamikregelungssystemen
wie dem elektronischen Stabilitätsprogramm
(ESP). Ein Antiblockiersystem, eine automatische Bremskraftverteilung,
eine Antriebsschlupfregelung und eine Giermomentregelung wirken
dabei so zusammen, dass eine Quer- und Längsstabilisierung des Fahrzeuges
durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder erreicht wird. Damit ist
es möglich,
ein Drehen des Fahrzeuges um seine Hochachse zu verhindern. Eine
weitere Anwendung für
Drehratensensoren liegt in der sogenannten Rollover-Detektion eines
Fahrzeuges im Zusammenhang mit Airbagsteuereinheiten und Rückhaltesystemen
für Fahrzeuginsassen.
Ferner werden Drehratensensoren für Navigationszwecke sowie für die Bestimmung
der Lage und des Bewegungszustandes von Fahrzeugen aller Art eingesetzt.
Andere Einsatzfelder sind zum Beispiel Bildstabilisatoren für Videokameras, Dynamikregelung
von Satelliten beim Aussetzen in die Erdumlaufbahn oder in der zivilen Luftfahrt
Back-up Lageregelungssysteme.
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Mikromechanisch
hergestellte Drehratensensoren weisen allgemein einen ersten Oszillator auf,
welcher in eine Schwingung versetzt wird. Bewegt sich der erste
Oszillator in einem rotierenden System radial nach innen oder außen, ändert sich seine
Bahngeschwindigkeit. Er erfährt
somit eine Tangentialbeschleunigung, welche durch die Corioliskraft
verursacht wird. Die Reaktion des ersten Oszillators auf die Rotation
wird mit einem zweiten Oszillator detektiert, welcher mit dem ersten
Oszillator gekoppelt ist.
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Im
Stand der Technik sind mikromechanisch hergestellte Drehratensensoren
mit einem derartigen Aufbau bekannt. So wird in
DE 195 28 961 C2 ein aus einem
Siliziumsubstrat gefertigter Sensor mit einem stimmgabelförmigen Oszillator
vorgeschlagen, der zwei Zinken aufweist, die an ihrem jeweiligen
Fußpunkt über eine
Basis gekoppelt sind. Die Zinken sind parallel zur Waferoberfläche ausgebildet,
wobei der stimmgabelförmig
aufgebaute Oszillator mit seiner Basis an einem Torsionsbalken aufgehängt ist.
Auf einem Zinken ist eine Aktorschicht aufgebracht, um eine Zinkenbewegung
senkrecht zur Substratoberfläche
anzuregen. Bei einer Rotation des Aufbaus um eine zur Längsachse
der Zinken parallele Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit ω wirkt durch
die Corioliskraft von den Zinken über die Basis auf den Torsionsbalken
ein Drehmoment. Gegenphasig schwingende Zinken verursachen somit
eine Drehschwingung des Torsionsbalkens. Die Bestimmung der Drehrate
des Sensors erfolgt durch eine Messung der im Torsionsbalken induzierten
mechanischen Schubspannung.
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Aus
WO 93/05401 ist ein Drehratensensor bekannt, der in einem rahmenförmigen Aufbau
zwei Balken aufweist, die parallel zueinander angeordnet und jeweils
an ihren beiden Enden im Rahmen gehalten sind. Die Balken werden
quer zu ihrer Längsachse
in der Ebene des Aufbaus gegenphasig zu einer lateralen Schwingung
angeregt. Bei einer Rotation des Sensors parallel zur Längsachse
eines Balkens werden aufgrund der Corioliskraft die Balken senkrecht
zu ihrer Schwingebene ausgelenkt. Über die Aufhängung der
Balken wirkt auf den Rahmen ein Drehmoment, welches eine Torsionsbewegung
um eine mittig zu den Balken verlaufende Drehachse des Rahmens bewirkt.
Diese Bewegung wird am äußeren Rand
des Rahmens von einer Elektrode kapazitiv erfasst, welche oberhalb
des Rahmens angeordnet ist. Die Abstandsänderung zwischen Rahmen und
Elektrode ist gemäß dem Prinzip
eines Differentialkondensators ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit
des Aufbaus.
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In
EP 0 574 143 B1 wird
ein Drehratensensor vorgeschlagen, der ähnlich wie in
DE 195 28 961 C2 zwei parallel
zueinander angeordnete Zinken aufweist, die über eine Basis miteinander
gekoppelt sind. Die Basis ist mittels eines Balkens mit dem umliegenden
Substrat so verbunden, dass ein stimmgabelförmiger Aufbau des Sensors vorliegt.
Die Zinken werden gegenphasig zu einer lateralen Schwingung angeregt,
wobei sie im Gegensatz zu
DE
195 28 961 C2 nicht senkrecht zur Substratebene, sondern
in der Substratebene schwingen. Erfährt dieser Aufbau eine Drehung
um eine Achse parallel zur Längsachse einer
Zinke, werden die Zinken durch die Corioliskraft senkrecht zur Substratebene
ausgelenkt. Über
die Zinke und die Basis wirkt auf den Balken ein Drehmoment, dessen
Höhe proportional
zur Drehgeschwindigkeit ist.
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Bei
einem in
DE 199 02
339 A1 vorgeschlagenen Drehratensensor werden zwei stimmgabelförmige Oszillatoren
verwendet, die in einer Ebene angeordnet sind. Der erste Oszillator,
welcher als Anregungsstimmgabel bezeichnet ist, weist zwei parallel zueinander
angeordnete Zinken auf, die an einem Ende über eine erste Basis miteinander
gekoppelt sind. Die erste Basis ist über einen sich zentral von der
Basis parallel zu den Zinken erstreckenden Balken mit einer zur
ersten Basis parallelen zweiten Basis verbunden, an deren Enden
zwei Zinken parallel zu den Zinken des ersten Oszillators vorgesehen sind,
so dass ein zweiter stimmgabelförmiger
Oszillator gebildet ist. Die Zinken des ersten Oszillators werden
in eine Schwingung parallel zur Substratoberfläche angeregt. Erfährt der
Aufbau eine Drehung um eine Achse, die parallel zu einer Längsachse
der Zinken des ersten Oszillators verläuft, so wirkt auf die schwingenden
Zinken des ersten Oszillators eine Corioliskraft. Die Zinken werden
somit in eine Schwingung senkrecht zur Substratoberfläche bewegt.
Auf den mit der ersten Basis gekoppelten Balken wird damit eine
Torsionsbeanspruchung ausgeübt,
die über die
zweite Basis an die daran gekoppelten Zinken des zweiten Oszillators
weitergeleitet wird. Die Zinken des zweiten Oszillators werden dadurch
zu Schwingungen senkrecht zur Substratebene angeregt, wobei die
Schwingung des zweiten Oszillators gegenphasig zur Schwingung des
ersten Oszillators ist. Diese Schwingung des zweiten Oszillators,
welcher als Auslesestimmgabel bezeichnet ist, dient als Messsignal
für die
Winkelgeschwindigkeit des Substrates.
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Diese
im Stand der Technik vorgeschlagenen Drehratensensoren werden derart
betrieben, dass Längsträger zu einer
antiparallelen Grundschwingung angeregt werden und beim Auftreten
einer Drehgeschwindigkeit eine durch die Corioliskraft induzierte
Torsionsmode ausgelesen wird. Dieser Betriebsmodus kann je nach
Konstruktion des Sensors den Nachteil aufweisen, dass die Anregungsmode
relativ stark bedämpft
ist, was zu einer Reduktion der Anregungsamplitude und damit zu
einer Reduktion der Empfindlichkeit des Drehratensensors führt. Ein
weiterer Nachteil der vorbenannten Drehratensensoren liegt darin,
dass ein eventuell notwendiges Nachtrimmen des Frequenzabstandes
zwischen der Anregungsfrequenz und der Auslesefrequenz des Drehratensensors
nur mit großem
Aufwand durchführbar
ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach
aufgebauten Drehratensensor vorzuschlagen, bei dem eine geringere
Reduktion der Empfindlichkeit des Sensors erzielbar ist und ein
Nachtrimmen des Frequenzabstandes zwischen Anregungsfrequenz und
Auslesefrequenz des Sensors einfach möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Drehratensensor gelöst, welcher umfasst:
einen
Ausleseoszillator mit einem ersten Zinken und einem in einem Abstand
dazu angeordneten zweiten Zinken, wobei der erste Zinken und der
zweite Zinken über
eine Basis miteinander verbunden sind; einen Anregungsoszillator;
mindestens einen Steg, welcher den Anregungsoszillator mit der Basis
des Ausleseoszillators verbindet; und Anregungsmittel zur Anregung
des Anregungsoszillators, die eingerichtet sind, den Anregungsoszillator
in eine Torsionsschwingung um eine Stegachse zu versetzen, so dass
die Basis des Ausleseoszillators mit den zugehörigen Zinken derart um die
Stegachse schwingt, dass durch Schwenken des Sensors um eine Achse
parallel zur Stegachse der erste Zinken und der zweite Zinken des
Ausleseoszillators aufgrund der Corioliskraft in einer zur Stegachse
radialen Richtung auslenken.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik ist der Drehratensensor gemäß der Erfindung
so ausgebildet, dass der Anregungsoszillator nicht zu einer antiparallelen
Grundschwingung angeregt und beim Auftreten einer Drehrate eine
durch die Corioliskraft induzierte Torsionsmode auf den Ausleseoszillator übertragen
und ausgelesen wird. Vielmehr wird anstatt des Ausleseoszillators
der Anregungsoszillator in eine Torsionsschwingung versetzt und
diese auf den Ausleseoszillator übertragen.
Wirkt auf den Sensor eine Drehrate, werden daraufhin die Zinken
des Ausleseoszillators durch die Corioliskraft in eine radiale Richtung
ausgelenkt. Durch die Amplitude der Zinkenschwingung kann somit
die anliegende Drehrate bestimmt werden. Mit einer solchen Umkehrung der
Aktorik im Vergleich zu Drehratensensoren gemäß dem Stand der Technik lässt sich
erreichen, dass die Anregungsamplitude, welche vom Anregungsoszillator über den
Steg zur Basis des Ausleseoszillators übertragen wird, weniger stark
reduziert bzw. bedämpft
wird, so dass die Empfindlichkeit des Drehratensensors erhöht ist.
Der Abstand zwischen dem Anregungsoszillator und einem dem Anregungsoszillator
gegenüber
angeordneten Boden kann z.B bei einer Fertigung in LISA-Technologie
größer ausgebildet
werden, so dass eine Dämpfung durch
die zwischen dem Anregungsoszillator und dem Boden vorhandenen Restgase
(Squeezed Film Dämpfung)
geringer ausfällt
als bei lateral angeregten Zinken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anregung des
Anregungsoszillators piezoelektrisch. Damit lassen sich genaue Stellbewegungen
in sehr kurzer Zeit und mit hohen Frequenzen durchführen.
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Vorzugsweise
weisen die Anregungsmittel eine piezoelektrische Schicht auf, welche
auf dem Anregungsoszillator angeordnet ist. Bei der piezoelektrischen
Schicht kann der transversale piezoelektrische Effekt genutzt werden,
indem bei Zufuhr einer elektrischen Ladung an die Enden der Schicht
eine mechanische Deformation der Schicht transversal zu den Enden
erfolgt. Dadurch lässt
sich ein Kraftstoß erzeugen,
mit dem der Anregungsoszillator in eine Schwingung versetzt wird.
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Die
Anregungsmittel können
mehr als nur eine piezoelektrische Schicht aufweisen. Bei zwei piezoelektrischen
Schichten ist dies sinnvoll, wenn sie in einer Liniensymmetrie zur
Stegachse so angeordnet sind, dass in einer Symmetriehälfte eine
erste piezoelektrische Schicht und in der zugehörigen anderen Symmetriehälfte die
andere piezoelektrische Schicht vorgesehen ist. Damit kann in der
jeweiligen Symmetriehälfte
auf den Anregungsoszillator ein Kraftstoß eingeleitet werden, so dass
eine gleichmäßige Torsionsschwingung
erzielt wird. Dies lässt
sich zum Beispiel dadurch erreichen, dass der Anregungsoszillator
jeweils bei Erreichen eines oberen Totpunktes der Schwingung mit
einem Kraftstoß beaufschlagt
wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ermöglichen
die Anregungsmittel eine elektrostatische Anregung des Anregungsoszillators.
Dies lässt
sich durch Elektroden erzielen, die in den Anregungsoszillator,
der kammartig ausgebildetet ist, nicht berührend eingreifen. Wird zum
Beispiel an den Anregungsoszillator eine Gleichspannung und an die
in den Anregungsoszillator eingreifenden Elektroden ein elektrostatisches Wechselfeld
angelegt, wird der Anregungsoszillator jeweils von den Elektrodenladungen
angezogen oder abgestoßen,
so dass eine Schwingung erzeugt wird.
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Um
ein Anschwingen des Anregungsoszillators zu erleichtern, ist vorzugsweise
dem Anregungsoszillator gegenüber
liegend eine Anschwingelektrode vorgesehen. Ist die Anschwingelektrode
mit einer anderen Polung als der Anregungsoszillator versehen, wird
der Anregungsoszillator von der Anschwingelektrode abgestoßen oder
angezogen, so dass eine Symmetriebrechung zwischen dem zuvor ruhenden
Anregungsoszillator und den Elektroden erzielt und ein Schwingen
angeregt wird.
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Eine
andere Möglichkeit
der elektrostatischen Anregung des Anregungsoszillators besteht darin,
Elektroden auf dem Anregungsoszillator anzubringen, wobei den Elektroden
Gegenelektroden gegenüber
liegen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Anregungsoszillator
kammartig ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung
können
die Elektroden alternativ zur piezoelektrischen Schicht aufgebracht
sein, wie sie oben beschrieben worden ist. Wird zum Beispiel eine
Gleichspannung an eine Elektrode angelegt, lässt sich durch eine in geeigneter
Weise angelegte Wechselspannung an die Gegenelektrode eine Schwingung
des Anregungsoszillators anregen.
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Sind
die Elektroden und das zugehörige Substrat
durchlöchert,
kann ein Durchtritt des zwischen dem Anregungsoszillator und dem
Boden vorhandenen Restgases leichter erfolgen als bei geschlossenen,
vollflächigen
Elektroden. Damit wird die Squeezed Film Dämpfung zusätzlich reduziert. Bei Sensoren
mit lateral angeregten Zinken ist ein Einbringen von Löchern zur
Verringerung der Squeezed Film Dämpfung
technisch nicht möglich.
Falls bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Löcher
in den Elektroden noch nicht vorgesehen sind, lassen sich diese nachträglich einfach
einbringen (z.B. in SOI-Technologie).
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Vorteilhaft
ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ferner, dass ein Nachtrimmen des Frequenzabstandes zwischen Anregungsfrequenz
und Auslesefrequenz einfach möglich
ist. Es besteht eine elektrische Trimmmöglichkeit durch Anlegen einer überlagerten
Gleichspannung an den mit Elektroden versehenen Anregungsoszillator.
Da zudem die Elektroden auf dem Oszillator in der Draufsicht gut
zugänglich
sind und eine relativ große
Oberfläche
aufweisen, bestehen größere Freiheitsgrade
zum Trimmen der Frequenzen und Unwuchten (Übersprechen) durch Materialabtrag
(z.B. Lasertrimmen) oder durch Materialabscheidung als bei Stimmgabelsensoren
nach dem Stand der Technik.
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Die
Amplitude einer Oszillation des Anregungsoszillators ist vorzugsweise
mittels eines scherspannungsempfindlichen Piezowiderstandes messbar.
Ein derartiger Piezowiderstand kann zum Beispiel an den Seitenwänden des
Steges zwischen Anregungsoszillator und Ausleseoszillator angebracht
sein. Durch die Schwingung des Anregungsoszillators wird der Steg
tordiert, so dass eine Scherspannung an den Oberflächen des
Steges detektiert werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Oszillation eines
Zinkens des Ausleseoszillators mittels eines Piezowiderstandes als
Piezomaterial gemessen. Ein Piezowiderstand verändert seinen elektrischen Widerstand,
wenn er Zug oder Druck ausgesetzt wird. Bei der Oszillation eines
Zinkens des Ausleseoszillators entsteht eine Biegespannung entlang
des Zinkens, welche eine Dehnung oder eine Kompression an der Oberfläche des
Zinkens bewirkt. Vorzugsweise ist der Piezowiderstand auf dem Ausleseoszillator
im Bereich des Übergangs
zwischen einem der Zinken und der Basis angeordnet. Der Zinken,
welcher als ein einseitig eingespannter Balken betrachtet werden
kann, besitzt in diesem Bereich die maximale Biegespannung. Mit
einem in diesem Bereich platzierten Piezowiderstand kann somit die
Amplitude der Zinkenschwingung am genauesten detektiert werden.
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Vorzugsweise
ist im Bereich des Übergangs zwischen
dem ersten Zinken und der Basis und dem zweiten Zinken und der Basis
je ein Piezowiderstand angeordnet. Damit ist eine getrennte Erfassung
der Schwingung beider Zinken und eine anschließende Differenzbildung möglich, bei
der eine gegenphasige Komponente der Schwingung deutlicher erkennbar ist,
während
eine gleichphasige Komponente der Schwingung substrahiert wird.
Damit lässt
sich die Genauigkeit in der Detektion der Zinkenschwingung nochmals
erhöhen.
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Analog
zu den obigen Ausführungen
bildet bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Piezomaterial
eine auf dem Ausleseoszillator angeordnete piezoelektrische Schicht.
In diesem Fall wird der reziproke transversale piezoelektrische
Effekt genutzt, indem proportional zu einer Deformation der Schicht
durch Zug oder Druck eine Ladung von der Schicht abgegriffen werden
kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Oszillation eines Zinkens des Ausleseoszillators
kapazitiv messbar. Wird der Anregungsoszillator elektrostatisch
angeregt, kann die dabei verwendete elektrische Polarität auch am
Ausleseoszillator mittels einer Gegenelektrode genutzt werden. Die
Abstandsänderung
zwischen der Gegenelektrode und dem Ausleseoszillator verändert die
elektrische Kapazität
eines zwischen Gegenelektrode und Ausleseoszillator gebildeten Kondensators.
Um die Genauigkeit der Detektion der Zinkenoszillation zu erhöhen, greifen
die Zinken des Auslesoszillators vorzugsweise kammartig in ein angrenzendes
Substrat ein. Dadurch können
mehrere Kondensatorpaare gebildet werden. Aufgrund der Torsionsschwingung
des Anregungsoszillators, welche auf den Auslesoszillator übertragen
wird, bewegen sich die Zinken des Ausleseoszillators auf Kreissegmentabschnitten,
wenn dies in Richtung der Torsionsachse betrachtet wird. Die Anregungsschwingung überlagert
die Corioliskraft bedingte radiale Oszillation der Zinken des Auslesoszillators. Über eine Frequenzverdopplung
und Phasenverschiebung kann diese Anregungsschwingung jedoch vom
Nutzsignal des Ausleseoszillators getrennt werden.
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Alternativ
dazu greifen die Zinken des Ausleseoszillators kammartig ineinander,
damit die Oszillation eines Zinkens des Ausleseoszillators gemessen werden
kann. Dies hat den Vorteil, dass die vorbeschriebene Überlagerung
der Anregungsschwingung auf die Corioliskraft bedingte radiale Schwingung
der Zinken nicht mehr gegeben ist. Detektiert wird nur noch die
relative Bewegung zwischen den beiden Zinken des Ausleseoszillators
in einer relativ zum Substrat schwingenden Bezugsebene, die durch
die Zinken gebildet wird. Die Zinken weisen eine voneinander unterschiedliche
Polarität
auf, so dass jeweils zwischen den Kämmen der Zinken Kondensatorpaare
gebildet werden. Dies lässt
sich vorzugsweise durch eine elektrische Isolation der Zinken voneinander
erreichen.
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Der
erfindungsgemäße Drehratensensor
ist vorzugsweise mikromechanisch herstellbar. Damit ist ein Sensor
erzielbar, welcher geringe Abmessungen bei hoher Präzision aufweist.
Bevorzugt weist er eine Länge
und eine Breite im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm und eine Höhe im Bereich
von 10 μm
und 100 μm auf.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung
beschrieben. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung in perspektivischer Ansicht einer ersten
Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Drehratensensors,
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2 eine
Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors
entlang der Linie A-A in 1,
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3 eine
schematische Darstellung in der Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehratensensors,
bei dem der Anregungsoszillator mittels einer elektrostatischen
Anregung anregbar ist,
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4 eine
schematische Darstellung in der Draufsicht einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehratensensors,
bei dem die Zinkenoszillation kapazitiv auslesbar ist.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Drehratensensors
mit einem Substrat 1, auf dem eine Anregungseinheit 10 und
eine Ausleseeinheit 20 angeordnet sind. Die Ausleseeinheit 20 weist
einen Ausleseoszillator 24 auf, welcher einen ersten Zinken 21a und
einen in einem Abstand parallel dazu angeordneten zweiten Zinken 21b umfasst,
wobei der erste Zinken 21a und der zweite Zinken 21b über eine
Basis 22 so miteinander verbunden sind, dass der Ausleseoszillator stimmgabelförmig ausgebildet
ist. Die Zinken 21a, 21b müssen nicht notwendigerweise
parallel zueinander verlaufen. Zweckmäßig ist aber eine klapp-symmetrische
Anordnung zu einer Mittelachse des Ausleseoszillators 26.
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Die
Anregungseinheit 10 weist einen Anregungsoszillator 11 und
einen Steg 13 auf, welcher an seinem einen Ende den Anregungsoszillator 11 und an
seinem anderen Ende die Basis 22 des Ausleseoszillators 24 koppelt.
Der Steg 13 ist mittig an der Basis 22 des stimmgabelförmigen Ausleseoszillators angebracht.
Dadurch entsteht eine zum Steg 13 symmetrische Anordnung
der Zinken 21a und 21b, so dass der Steg 13 durch
die Mittelachse 26 des Ausleseoszillators führt. Der
Anregungsoszillator 11 ist über einen zweiten Steg 14 mit
dem Substrat 1 verbunden. Bei der in 1 dargestellten
ersten Ausführungsform
ist der Anregungsoszillator 11 derart ausgebildet, dass
er sich quer zu der von den Stegen 13, 14 gebildeten
Mittelachse 15 erstreckt. Zweckmäßigerweise verläuft die
Mittelachse 26 des Ausleseoszillators 24 in Verlängerung
zur Mittelachse 15 des Anregungsoszillators 11.
Ein solcher Aufbau des Drehratensensors führt zu einer vollständig symmetrischen
Anordnung zu den Mittelachsen 15 und 26.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors
sind auf dem Anregungsoszillator 11 Anregungsmittel 12a, 12b vorgesehen,
welche zur Anregung des Anregungsoszillators 11 dienen.
Die Anregungsmittel 12a, 12b weisen bei dieser
Ausführungsform
einen Aktor mit einer piezoelektrischen Schicht auf. Als Schichtmaterial
kann zum Beispiel AIN oder PZT verwendet werden. Wird an den gegenüberliegenden Enden
jeder Schicht eine elektrische Spannung angelegt, kann aufgrund
des transversalen piezoelektrischen Effektes eine Deformation der
Schicht senkrecht zur Substratebene in z-Richtung erzielt werden. Ein
Spannungsstoß hat
dabei einen Kraftstoß zur Folge,
so dass der Anregungsoszillator 11 in z-Richtung ausgelenkt
wird, wodurch eine Schwenkbewegung um die Achse 15 angestoßen wird.
Dies führt
zu einer Torsion der Stege 14 und 13 um die Achse 15, welche
nachfolgend als Torsionsachse oder auch as Stegachse bezeichnet
wird. Die Torsion wird vom Steg 13 auf die Basis 22 und
von dort auf die Zinken 21a und 21b des Ausleseoszillators 24 übertragen. Die
Zinken 21a und 21b werden somit aus der durch das
Substrat 1 aufgespannten xy-Ebene beziehungsweise Substratebene
herausbewegt. Wird der Anregungsoszillator 11 mit der piezoelektrischen
Schicht 12b senkrecht zur Substratebene im Uhrzeigersinn geschwenkt,
so führt
diese Torsionsbewegung um die Torsionsachse 15 dazu, dass
der Zinken 21b ebenfalls im Uhrzeigersinn in die Substratebene
hinein beziehungsweise in die negative z-Richtung geschwenkt wird.
Aufgrund der starren Kopplung mit der Basis 22 wird im
Gegensatz dazu der andere Zinken 21a im Uhrzeigersinn aus
der Substratebene heraus in die positive z-Richtung bewegt.
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Bei
der Rückschwingung
des Anregungsoszillators 11 passiert dieser die Substratebene,
wobei der Anregungsoszillator 11 bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
mit seiner rechten Hälfte
in positiver z-Richtung
im Gegenuhrzeigersinn aus der Substratebene heraus geschwenkt wird.
Analog dazu bewegt sich mittels der Basis 22 der eine Zinken 21b ebenfalls
in die positive z-Richtung im Gegenuhrzeigersinn aus der Substratebene
heraus, während
der andere Zinken 21a in die negative z-Richtung in die
Substratebene hinein geschwenkt wird. Bei einer derartigen Schwingung
um die Torsionsachse 15 bewegen sich die Zinken 21a, 21b des Ausleseoszillators 24 in
Form von Kreissegmenten 27, wenn dies in Richtung der Torsionsachse 15 betrachtet
wird, siehe 2. Der Geschwindigkeitsvektor
v der Zinken 21a, 21b verläuft tangential zum Kreisbogensegment 27.
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Zusätzlich zur
piezoelektrischen Schicht 12b kann auf dem Anregungsoszillator 11 eine
weitere piezoelektrische Schicht 12a angebracht werden,
wobei die piezoelektrischen Schichten symmetrisch zur Torsionsachse
einander benachbart angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft,
um eine harmonische Schwingung mit geringer Dämpfung zu erzeugen. Vorzugsweise
werden dazu die Schichten 12a, 12b um 180° versetzt
(gegenphasig) angesteuert, wobei der Anregungsoszillator jeweils
einen Kraftstoß erfährt, wenn
er an einem oberen Totpunkt seiner Schwingung angelangt ist.
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Wird
die gesamte Struktur um eine Achse parallel zum Steg 13 gedreht,
wirkt auf die schwingenden Zinken 21a, 21b eine
Corioliskraft in radialer Richtung. Bei der in 2 dargestellten
Anordnung tordiert die Struktur um die Torsionsachse 15,
wobei bei einer im Uhrzeigersinn gerichteten Schwingung der Zinken
die Corioliskraft FC radial nach außen gerichtet
ist. Die Zinken 21a, 21b werden damit zur Seite
ausgelenkt, wobei die Amplitude der Zinkenschwingung proportional
zur Drehrate ist.
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Als
Alternative zur piezoelektrischen Anregung des Anregungsoszillators 11 kann
auch eine elektrostatische Anregung vorgenommen werden. In 3 ist
eine solche zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Drehratensensors
dargestellt, wobei der Anregungsoszillator 11 mehrere,
parallel im Abstand voneinander angeordnete Anregungsbalken 11a, 11b, 11c aufweist.
Der Anregungsoszillator ist somit kammartig ausgebildet. Zwischen
und neben die Anregungsbalken greifen Elektroden 17a, 17b, 17c, 17d,
bzw. 18a, 18b, 18c, 18d ein.
Die Elektroden 17, 18 sind ortsfest angebracht,
während
die Anregungsbalken 11a, 11b, 11c um
die Torsionsachse 15 schwenkbar sind. Wird an die Anregungsbalken eine Gleichspannung
und an die Elektroden 17, 18 eine Wechselspannung
angelegt, bilden sich an den jeweils gegenüberliegenden Flächen der
Anregungsbalken 11a, 11b, 11c mit den
Elektroden 17 und 18 elektrische Felder aus, die
eine Kraft auf den Anregungsoszillator in vertikaler Richtung (z-Richtung) ausüben. Dadurch
lässt sich
der Anregungsoszillator 11 in eine Torsionsschwingung versetzen.
Für den Anschwingvorgang
des Anregungsoszillators ist es erforderlich, dass die in der xy-Ebene
ausgerichtete Struktur zunächst
einen Kraftstoß in
vertikaler Richtung erfährt.
Dies lässt
sich zum Beispiel dadurch erreichen, dass eine zusätzliche
Elektrode gegenüber dem
Anregungsoszillator, d.h. oberhalb oder unterhalb des Anregungsoszillators,
angeordnet ist. Eine solche Anschwingelektrode ist mit einer anderen
Polarität
als der Anregungsoszillator 11 versehen.
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Eine
zweite Möglichkeit
für eine
elektrostatische Anregung des Anregungsoszillators besteht darin,
anstelle der piezoelektrischen Schichten 12a, 12b,
siehe 1, jeweils eine Elektrode auf den Anregungsoszillator 11 aufzubringen.
Gegenüber
diesen Elektroden sind jeweils Gegenelektroden angeordnet, welche
eine entgegengesetzte Polarität
zu den Elektroden besitzen. Durch gegenphasige Ansteuerung der Elektroden
kann jeweils eine Kraftkomponente in vertikaler Richtung (z-Richtung) erzeugt
werden, so dass der Anregungsoszillator zu einer Torsionsschwingung
angeregt wird.
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Die
Corioliskraft bedingte Oszillation der Zinken 21a, 21b in
radialer Richtung zur Torsionsachse weist eine Amplitude auf, welche
proportional zur Drehrate ist. Diese Oszillation der Zinken kann
mittels Piezowiderständen 23a, 23b,
siehe 1, detektiert werden. Die Piezowiderstände 23a, 23b sind im
Bereich des Übergangs
zwischen dem ersten Zinken 21a und der Basis 22 bzw.
dem zweiten Zinken 21a und der Basis 22 angeordnet.
Diese Position entspricht dem Einspannpunkt eines einseitig eingespannten
Trägers,
als welcher eine Zinke allgemein abstrahiert werden kann. An dieser
Position ist die Biegespannung am höchsten, so dass mittels der Biegespannung
die Amplitude der Zinken 21a, 21b mit relativ
hoher Auflösung
ermittelt werden kann. Es ist denkbar, ausschließlich die Oszillation einer
einzelnen Zinke 21a oder 21b zu erfassen. Vorteilhafter ist
jedoch die Erfassung der Oszillation beider Zinken 21a und 21b,
wobei durch eine Differenzbildung beider Signale die gegenphasige
Komponente der Schwingung deutlicher erkennbar ist, während eine gleichphasige
Komponente der Schwingung substrahiert wird. An Stelle eines Piezowiderstandes 23a, 23b kann
auch eine piezoelektrische Schicht vorgesehen sein, mit welcher
die Deformation durch die Biegung der Zinken 21a, 21b im
Bereich zwischen den Zinken und der Basis 22 erfasst wird.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Detektion der Zinkenschwingung wird durch eine kapazitive Signalauslesung
erreicht. Dabei können
die Zinken des Ausleseoszillators -analog zu dem Anregungsoszillator 11 gemäß 3-kammartig in das
angrenzende Substrat eingreifen. Durch die vom Anregungsoszillator
induzierte Torsionsschwingung, welche über den Steg 13 und
die Basis 22 auf die Zinken 21a, 21b übertragen
wird, verändert
sich jeweils die Überdeckungsfläche zwischen
jeweils einem Substrat- und einem Zinkenkamm. Die Torsionsschwingung überlagert
dabei geringfügig
die radiale Oszillation der Zinken des Ausleseoszillators. Ein derart überlagertes Signal
kann jedoch über
eine Frequenzverdopplung vom Nutzsignal getrennt werden.
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Eine
solche Schwierigkeit in Form einer Signalüberlagerung wird umgangen,
wenn die Zinken des Auslesoszillators kammartig ineinander greifen. Bei
einer derartigen Ausführungsform,
siehe 4, wird das Übersprechen
des Anregungssignals auf das Auslesesignal vollständig vermieden.
Es wird ausschließlich
die Bewegung der Zinken zueinander beobachtet, wobei eine Relativbewegung
zwischen Zinken und Substrat nicht gemessen wird. Damit zwischen
den Zinkenkämmen
jeweils unterschiedliche Ladungen aufgebaut werden können, sind
beide Zinkenkämme
voneinander elektrisch isoliert. Dies kann zum Beispiel an den Positionen 25 und 26 der
Basis 22 des Ausleseoszillators 24 vorgesehen
sein. Die Zinkenkämme
werden dann über
Leiterbahnen einzeln elektrisch kontaktiert.