DE102005045379A1 - Drehratensensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor (100), der umfasst: einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator (30) mit einem ersten Zinken (11a) und einem in einem Abstand dazu angeordneten zweiten Zinken (11b), wobei der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) über eine Basis (12) miteinander verbunden sind, ein Anregungsmittel (14) zur Anregung des ersten Zinkens und des zweiten Zinkens des Anregungsoszillators (30) in entgegengesetzte laterale Schwingungen innerhalb einer durch die Zinken (11a, 11b) definierten Ebene, einen ersten Steg (21), welcher die Basis (12) mit einem Substrat (1) verbindet, und eine Ausleseeinheit (20a; 20b) zum Erfassen von durch die Anregung des Anregungsoszillators (30) erzeugten Schwingungen, wobei durch Schwenken des Sensors (100) um eine Achse parallel zu einer Achse (18) des ersten Steges der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) des Anregungsoszillators (30) aufgrund der Corioliskraft senkrecht zur Richtung der lateralen Schwingung auslenken, wodurch der erste Steg (21) zu einer Torsionsschwingung angeregt wird, wobei der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) zusätzlich zu der Basis (12) des Weiteren über eine Brücke (13) miteinander verbunden sind, welche eingerichtet ist, durch das Anregungsmittel (14) den ersten Zinken (11a) und den zweiten Zinken (11b) in die laterale Schwingung zu versetzen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor, häufig auch bezeichnet als Winkelgeschwindigkeitssensor.
• Drehratensensoren werden verwendet, um eine Winkelgeschwindigkeit eines Gegenstandes um eine Achse zu ermitteln. Ist der Drehratensensor mikromechanisch aus 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. 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 Backup-Lageregelungssysteme. Drehratensensoren finden auch Anwendung im allgemeinen Maschinenbau zum Beispiel bei der Vibrationsmessung. In der Medizintechnik werden Drehratensensoren zum Beispiel beim Monitoring von Patienten durch Messen ihrer Bewegung oder bei der Steuerung von chirurgischen Instrumenten bei der minimal invasiven Chirurgie eingesetzt.
• 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. Derartige Mikromechanische Drehratensensoren sind im Stand der Technik 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 jeweils parallel zu einer Wafersubstratoberfläche 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. Ein derartiger Sensor mit einer vertikalen Schwingungsrichtung ist in der Herstellung relativ aufwendig, da für jede Zinke des stimmgabelförmigen Oszillators eine Waferebene benötigt wird. Der stimmgabelförmige Oszillator dient dabei als ein Sensormittelteil, an welches gemäß DE 195 28 961 C1 ein Basiswafer und ein Deckwafer gebondet sind, so dass eine sich damit ergebende Sensorkavität evakuiert werden kann. Damit sind insgesamt vier Waferebenen erforderlich, was eine relativ aufwendige Fertigung bedeutet.
• Aus WO 93/05401 ist ein Drehratensensor bekannt, der in einem rahmenförmigen Aufbau zwei Balken aufweist, die parallel zueinander angeordnet und jeweils in 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 des 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 laufende Drehachse des Rahmens bewirkt. Diese Bewegung wird am äußeren Rand des Rahmens von einer Elektrode kapazitiv erfasst, welche oberhalb oder unterhalb des Rahmens angeordnet ist. Die Abstandsänderung zwischen Rahmen und Elektrode ist gemäß dem Prinzip eines Differentialkondensators ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Aufbaus. Bei diesem Sensor wird somit eine Schwingung in lateraler Richtung angeregt und eine Vertikalbewegung eines mit dem Balken gekoppelten Rahmens ausgelesen. Das Fertigen und Anbringen von Elektroden oberhalb oder unterhalb der schwingenden Struktur erfordert relativ aufwendige Prozessschritte, so dass ein derartiger Drehratensensor relativ aufwendig zu fertigen ist.
• 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 sind als voneinander isolierte, gegenpolige Elektroden ausgebildet, die mittels seitlich von den Zinken abstehenden kammartigen Strukturen ineinander greifen. Die Zinken werden gegenphasig zu einer lateralen Schwingung angeregt, so dass sie im Gegensatz zur 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. Die Anregung der Zinken zu einer lateralen Schwingung erfolgt elektrostatisch. Dazu ist es erforderlich, dass die Zinken elektrisch voneinander isoliert sind und auf den Zinken Elektroden angebracht werden. Ein derartiger Drehratensensor ist in der Herstellung aufwendig.
• 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. Jede Zinke des ersten Oszillators wird einzeln 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 versetzt. Auf den mit der ersten Basis gekoppelten Balken wird damit eine Torsionsbeanspruchung ausgeübt, die über die zweite Basis an die daran angekoppelten Zinken des zweiten Oszillators weiter geleitet 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. Die Schwingung jeder Zinke des zweiten Oszillators, welcher als Auslesestimmgabel bezeichnet ist, wird detektiert und dient als Messsignal zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit des Substrates.
• Nachteilig bei diesen im Stand der Technik vorgeschlagenen Drehratensensoren ist ihre relativ aufwendige Herstellung und Ansteuerung sowie aufwendige Auslesung des Messsignals.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor vorzuschlagen, der einfach aufgebaut, anzusteuern und auszulesen ist.
• Diese Aufgabe wird durch einen Drehratensensor gelöst, welcher umfasst: einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator 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, ein Anregungsmittel zur Anregung des ersten Zinkens und des zweiten Zinkens des Anregungsoszillators in entgegengesetzte laterale Schwingungen innerhalb einer durch die Zinken definierten Ebene, einen ersten Steg, welcher die Basis mit einem Substrat verbindet, und eine Ausleseeinheit zum Erfassen von durch die Anregung des Anregungsoszillators erzeugten Schwingungen, wobei durch Schwenken des Sensors um eine Achse parallel zu einer Achse des ersten Steges der erste Zinken und der zweite Zinken des Anregungsoszillators aufgrund der Corioliskraft senkrecht zur Richtung der lateralen Schwingung auslenken, wodurch der erste Steg zu einer Torsionsschwingung angeregt wird, wobei der erste Zinken und der zweite Zinken zusätzlich zu der Basis desweiteren über eine Brücke miteinander verbunden sind, welche eingerichtet ist, durch das Anregungsmittel den ersten Zinken und den zweiten Zinken in die lateralen Schwingungen zu versetzen.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik sind somit der erste Zinken und der zweite Zinken zusätzlich zu der gemeinsamen Basis desweiteren über eine Brücke miteinander verbunden. Durch ein Anregungsmittel kann diese Brücke zwei Zinken gleichzeitig und synchron in entgegengesetzte laterale Schwingungen versetzen. Der Aufwand zur Steuerung zweier unterschiedlicher Zinken wird somit deutlich verringert. Mit einem einzigen Anregungsmittel können zwei Zinken angesteuert werden, wobei nur eine Ansteuerleitung erforderlich ist. Die Anregungsschwingung ist innerhalb der durch die Zinken definierten Ebene, so dass der Anregungsoszillator nicht mehr in mehreren, sondern nur noch in einer einzigen Waferebene realisiert werden kann.
• 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.
• Die Anregungsmittel können zum Beispiel einen piezoelektrischen Dünnfilm aufweisen, der auf der Brücke angeordnet ist. Bei dem piezoelektrischen Dünnfilm kann der transversale piezoelektrische Effekt genutzt werden, indem bei Zufuhr einer elektrischen Ladung an die Enden des Dünnfilmes eine mechanische Deformation des Dünnfilmes transversal zu den Enden erfolgt. Bei entsprechender Polarität lässt sich somit eine Längenzunahme beziehungsweise eine Längenabnahme des piezoelektrischen Dünnfilmes erreichen. Wird an den piezoelektrischen Dünnfilm eine Wechselspannung angelegt, führt dies zu einer periodischen Längenänderung. Bei einer Applikation des Dünnfilmes auf der Brücke wird somit die Brücke selbst in ihrer Länge verändert, so dass die Zinken voneinander fort oder zueinander hin bewegt werden. Damit wird eine synchrone gegensäumige Schwingung der beiden Zinken erreicht. Als Werkstoff für den piezoelektrischen Dünnfilm kann z.B. Aluminiumnitrid, Zirkonoxid oder Bleizirkoniumtitanat verwendet werden.
• Die Anregungsmittel können alternativ zur thermischen Anregung des Anregungsoszillators dienen. Dazu wird der Effekt genutzt, dass bei einer Temperaturänderung Werkstoffe eine Längenänderung erfahren. Bei den allermeisten Werkstoffen führt eine Temperaturzunahme zu einer Längenzunahme und umgekehrt. Dies gilt auch bei dem für das Substrat hier vorzugsweise verwendeten Silizium. Für die thermische Anregung kann bevorzugt ein Heizwiderstand zum Einsatz kommen, der auf oder in der Brücke angeordnet ist. Die durch den Heizwiderstand in die Brücke eingeleitete Wärme führt zu einer Längenänderung der Brücke, so dass die Zinken aufeinander zu und voneinander fort bewegt werden. Bei einer an den Heizwiderstand angelegten Wechselspannung kann somit eine Zinkenschwingung induziert werden. Wird die Brücke nicht in dem gesamten Querschnitt erwärmt, sondern nur zum Beispiel in der Zone direkt unterhalb des Heizwiderstandes, führt dies zu einer Krümmung der Brücke, wie dies in ähnlicher Weise bei einem Bimetall der Fall ist. Gleichwohl lässt sich auch in diesem Fall eine Zinkenschwingung anregen. Bevorzugt ist ein Heizwiderstand am Übergang zwischen der Brücke und einem Zinken angeordnet.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Brücke parallel zur Basis angeordnet. Bei gleicher Zinkenlänge beider Zinken wird somit ein symmetrischer Aufbau erzielt, so dass die erste Zinke und die zweite Zinke in guter Näherung in Folge einer Schwingungsanregung in gleicher Amplitude schwingen und die gleiche Resonanzfrequenz besitzen. Eine symmetrische Schwingung ist vorteilhaft, um eine harmonische Schwingung am Steg zu erzielen, der die Basis der Zinken mit dem Substrat verbindet.
• Weisen die Zinken im Bereich zwischen der Basis und der Brücke eine Querschnittsverjüngung auf, so wirkt diese Stelle wie ein Biegegelenk. Der zu einer Schwingung angeregte Zinken besitzt somit an dieser Stelle einen Schwingungsknoten. Ferner wird durch die Querschnittsverjüngung bei einer Schwingungsanregung eine größere Zinkenamplitude erreicht.
• Vorzugsweise sind die Abmessungen, Massenverteilungen und Anregungsschwingungsparameter so aufeinander abgestimmt, dass durch die Schwingung der Zinken senkrecht zur Richtung der lateralen Anregungsschwingung eine Resonanzschwingung an dem Steg induziert wird. Die durch die Corioliskraft hervorgerufene Torsionsschwingung kann am Steg somit mit einer geringeren Messunsicherheit ausgelesen werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehratensensor einen zweiten Steg auf, der an einem Ende mit dem Substrat so verbunden ist, dass die durch den Anregungsoszillator bewirkte Torsionsschwingung des ersten Steges in den zweiten Steg eingekoppelt wird. Damit kann eine räumliche Trennung vorgenommen werden zwischen einem Bereich, der zur Anregung eines Oszillators vorgesehen ist, und einem anderen Bereich, der bei Vorliegen einer Corioliskraft zur Auslegung einer induzierten Torsionsschwingung geeignet ist. Damit kann ein Übersprechen von der Anregungseinheit zur Ausleseeinheit minimiert werden. Vorzugsweise ist der zweite Steg an seinem anderen Ende mit einer Schwingmasse verbunden, um die oszillierende Struktur weiter zu optimieren.
• Vorzugsweise ist der Drehratensensor derart dimensioniert, dass die durch den Anregungsoszillator bewirkte Torsionsschwingung am zweiten Steg eine Resonanzschwingung induziert. Dies kann zu einer mechanischen Verstärkung des Auslesesignals genutzt werden. Ist die Achse des zweiten Steges mit der Achse des ersten Steges in einer Linie ausgerichtet, gibt es nur wenig Schwingungsverluste und eine geringe Dämpfung oder Verzerrung des vom ersten Steg in den zweiten Steg eingeleiteten Signals. Damit kann zum Beispiel eine Sinusschwingung vom Anregungsoszillator auch als Sinusschwingung am zweiten Steg ausgelesen werden.
• Die Schwingmasse kann einen ähnlichen Aufbau wie der Anregungsoszillator besitzen, indem sie einen dritten Zinken und einen im Abstand dazu angeordneten vierten Zinken aufweist, die über eine gemeinsame Basis mit dem anderen Ende des zweiten Steges verbunden sind. Dies vereinfacht die Auslegung eines derartigen sogenannten Doppelstimmgabelsensors.
• Bevorzugt weist die Ausleseeinheit ein Piezomaterial zum Messen einer Torsion mindestens eines Steges auf. Das Piezomaterial ist zum Beispiel als Piezowiderstand ausgebildet. Ein scherspannungsempfindlicher Piezowiderstand kann zum Beispiel an den Seiten des ersten Steges zwischen der Basis des Anregungsoszillators und dem Substrat angebracht sein. Durch die Schwingung des Anregungsoszillators wird der Steg tordiert, so dass eine Scherspannung an den Oberflächen des ersten Steges detektiert werden kann.
• Analog zu den obigen Ausführungen bildet bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Piezomaterial einen auf mindestens einem Steg angeordneten piezoelektrischen Dünnfilm. In diesem Fall wird der reziproke transversale piezoelektrische Effekt genutzt, indem proportional zu einer Deformation des Dünnfilmes durch Zug oder Druck eine Ladung von dem Dünnfilm abgegriffen werden kann. Die Ladungsmenge ist dabei ein Maß für die Verformung an der Oberfläche des Steges, an dem der piezoelektrische Dünnfilm angebracht ist.
• Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist vorzugsweise mikromechanisch herstellbar. Damit ist ein Sensor erzielbar, welcher geringe Abmessungen bei hoher Präzision aufweist.
• Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben, in welchen zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors,
• 2 eine Schnittdarstellung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors entlang der Linie A-A in 1, und
• 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
• 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehratensensors mit einem Substrat 1, auf dem eine Anregungseinheit 10 und eine Ausleseinheit 20a angeordnet sind. Die Anregungseinheit 10 weist einen Anregungsoszillator 17 auf, welcher einen ersten Zinken 11a und in einem Abstand parallel dazu angeordneten zweiten Zinken 11b umfasst. Der erste Zinken 11a und der zweite Zinken 11b sind über eine Basis 12 so miteinander verbunden, dass der Anregungsoszillator stimmgabelförmig ausgebildet ist. Die Anregungseinheit 10 weist ferner eine Brücke 13 auf, welche den ersten Zinken 11a und den zweiten Zinken 11b miteinander verbindet. Die Brücke 13 ist parallel zur Basis 12 so angeordnet, dass die Zinken 11a und 11b jeweils ein freischwingendes Ende besitzen. Auf der Brücke 13 ist ein Anregungsmittel 14 appliziert, um den Anregungsoszillator 17 zu einer Schwingung anzuregen. Durch das Anregungsmittel ist es möglich, eine Längenänderung der Brücke 13 zu erzielen, so dass die Zinken 11a und 11b entweder voneinander fort oder aufeinander zu bewegt werden. Bei einer periodischen Längenänderung der Brücke entsteht somit eine laterale Schwingung der Zinken 11a und 11b innerhalb der durch die Zinken gebildeten Ebene.
• Das Anregungsmittel 14 kann eine piezoelektrische Schicht wie zum Beispiel einen Dünnfilm aufweisen, die auf der gesamten Spannbreite der Brücke angeordnet ist. Als Schichtmaterial kann zum Beispiel Aluminiumnitrid AIN, Zinkoxid ZnO oder Bleizirkoniumtitanat PZT verwendet werden. Wird an den gegenüberliegenden Enden einer derartigen piezoelektrischen Schicht eine elektrische Spannung angelegt, kann aufgrund des transversalen piezoelektrischen Effektes eine Längenänderung der Schicht in Richtung der Y-Achse erzielt werden, siehe 1. Bei einer Wechselspannung an der piezoelektrischen Schicht wird eine periodische Längenänderung erzielt, so dass eine Längenzunahme und eine Längenabnahme in Phase mit der Änderung der Spannung einhergehen. Da das Anregungsmittel 14 mit der Brücke 13 fest gekoppelt ist, überträgt sich die Längenänderung der piezoelektrischen Schicht auf die Brücke 13, wodurch eine Längenzunahme und Längenabnahme der Brücke erzielt wird. Damit wird eine Schwingung der Zinken 11a und 11b angeregt.
• Der Anregungsoszillator 17 besitzt im wesentlichen eine U-Form, wobei die Brücke 13 nahe der Basis 12 angeordnet ist. Die Brücke 13 ist starr mit jeder Zinke 11a und 11b gekoppelt. Die Zinken 11a und 11b weisen im Bereich zwischen Basis 12 und Brücke 13 eine Querschnittsverjüngung 16a und 16b auf, so dass an diesen Stellen 16a und 16b eine Struktur entsteht, welche einem Filmgelenk ähnelt. Durch eine solche Querschnittsverjüngung lässt sich eine freischwingende Zinkenlänge genauer definieren. Die Querschnittsverjüngung 16a, 16b bewirkt ferner, dass eine größere Amplitude der Zinken 11a und 11b erzielt werden kann, so dass der Anregungsoszillator 17"weicher" schwingt.
• Anstelle einer piezoelektrischen Schicht 14 kann als Anregungsmittel auch ein thermischer Aktor verwendet werden. Dies kann zum Beispiel ein Heizwiderstand sein, der bei Anlegen einer Spannung eine Wärmezunahme und damit eine Längenzunahme bewirken kann. Es ist möglich, dass der Heizwiderstand über der gesamten Spannbreite der Brücke 13 angeordnet ist. Gleichwohl kann es ausreichen, einen Heizwiderstand nur im Übergangsbereich 15 zwischen Brücke und Zinken anzubringen, um eine Längenänderung der Brücke zu bewirken und eine Schwingung anzustoßen.
• Die Basis 12 ist mittels eines Steges 21 mit dem Substrat 1 verbunden. Der Steg 21 wirkt als Aufhängung für den stimmgabelförmigen Anregungsoszillator 17. Schwingen die Zinken 11a und 11b gegenphasig zueinander, und wird der gesamte Sensor 100 um eine Achse parallel zum Steg 21 gedreht, wirkt auf die lateral schwingenden Zinken 11a und 11b eine Corioliskraft senkrecht zur Zinkenebene. In 2 ist eine Schnittdarstellung des Drehratensensors entlang der Linie A-A in 1 gezeigt. Die Zinke 11a schwingt mit einer Geschwindigkeit v in Richtung zur Drehachse 18 parallel zur Ebene des Substrates 1. Die Zinke 11b schwingt mit einer entgegengesetzt gerichteten Geschwindigkeit v in Richtung zur Drehachse 18 ebenfalls parallel zur Ebene des Substrates 1. Bei der in 2 dargestellten Anordnung wirkt auf die Zinke 11a im Falle einer Drehung der Gesamtanordnung um eine zur Drehachse 18 parallelen Achse eine Corioliskraft F_c z.B. senkrecht zur Zinkenebene in Richtung nach oben, während auf die Zinke 11b eine entgegengesetzte Corioliskraft F_c senkrecht zur Zinkenebene in Richtung nach unten wirkt. Aufgrund der auf jede Zinke 11a und 11b wirkenden Corioliskraft F_c werden die Zinken um die Drehachse 18 geschwenkt, siehe Pfeil 19 in 2.
• Die Verhältnisse kehren sich um, wenn die Zinken 11a und 11b jeweils in eine entgegengesetzte Richtung schwingen. Bewegen sich die Zinken voneinander fort, sind die Kräfte F_c in die entgegengesetzten Richtungen orientiert, so dass sich die Zinke 11a senkrecht zur Zinkenebene nach unten in negative z-Richtung und die Zinke 11b senkrecht zur Zinkenebene nach oben in positive z-Richtung bewegen. Damit ergibt sich ein Schwenken entgegen dem Uhrzeigersinn. Diese Schwenkbewegungen werden von den Zinken über die Basis 12 auf den Steg 21 übertragen, so dass der Steg 21 tordiert. Die Amplitude der Torsion ist proportional zur Corioliskraft F_c und proportional zu der zu messenden Drehrate der Gesamtanordnung um eine zur Drehachse 18 parallele Achse.
• Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform werden bei einem Schwenken des Sensors 100 um eine Achse parallel zur Stegachse 18 die lateral schwingenden Zinken 11a und 11b aus der Substratebene heraus bewegt und der Steg 21 tordiert. Um die Amplitude der Torsionsschwingung zu bestimmen, wird die Torsion direkt am Steg 21 erfasst. Dazu kann auf einer Seitenfläche des Steges 21 ein Piezowiderstand 22 angebracht werden. Alternativ ist auch ein piezoelektrischer Dünnfilm geeignet. Das Prinzip der Detektion der Torsion besteht darin, dass das Piezomaterial eine Längenzunahme oder eine Längenabnahme erfährt, so dass an den Enden des Piezomaterials entsprechende Ladungsänderungen abgegriffen werden können, deren Betrag einen Rückschluss auf die erfolgte Torsion zulässt. Vorteilhaft bei diesem Aufbau ist, dass keine Gegenelektroden oberhalb oder unterhalb der schwingenden Zinken 11a, 11b erforderlich sind, um gemäß dem Prinzip des Differentialkondensators ein Maß für die Drehrate zu ermitteln.
• Bei einem Aufbau gemäß dieser ersten Ausführungsform kann in einer einzigen Waferebene eine schwingfähige Struktur einfach hergestellt werden und auch in einer einzigen Waferebene ausgelesen werden. Ferner ist es möglich, dass sowohl das Anregungsmittel 14 als auch das Auslesemittel 22 einfach von oben auf die Struktur appliziert werden. Ein derartiger Sensor ist somit relativ einfach herstellbar. Die Struktur 100 kann so dimensioniert sein, dass die Frequenz der Torsionsmode annähernd auf die Frequenz der Zinkenmode abgestimmt ist. In einem solchen Fall kann eine Resonanzüberhöhung auf dem Steg 21 bewirkt werden, so dass das Auslesemittel 22 ein mechanisch verstärktes Signal erfassen kann.
• In 3 ist eine andere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Struktur 200 weist dazu eine Anregungseinheit 10 und eine Ausleseeinheit 20b auf. Die Anregungseinheit 10 entspricht jener der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird bei dieser zweiten Ausführungsform jedoch der erste Steg 21 nicht zum Auslesen des Messsignales verwendet. Der erste Steg 21 ist mit dem Substrat 1 verbunden, an welches in direkter Verlängerung zum ersten Steg 21 ein zweiter Steg 23 angebracht ist, an dessen anderem Ende ein zweiter stimmgabelförmiger Oszillator 40 vorgesehen ist. Der zweite Steg 23 ist somit deutlich vom Anregungsoszillator 17 räumlich getrennt.
• Bei einer Schwingung des Anregungsoszillators 17 wird, wie oben erläutert worden ist, im Falle einer Drehung des Substrats parallel zur Drehachse 18 eine Torsion des ersten Steges 21 induziert. Diese Torsion wird via des ersten Steges 21 zum zweiten Steg 23 weitergeleitet. Die Abmessungen sind dabei derart gehalten, dass die Frequenz der Zinkenmode des Anregunsoszillators 17 annähernd auf die Frequenz der Torsionsmode des zweiten Steg 23 abgestimmt sind. Die Torsionsmode des stimmgabelförmigen Anregungsoszillators 30 unterscheidet sich jedoch deutlich von der Torsionsmode des zweiten Oszillators 40. Würde am ersten Steg 21 ein Torsionssignal abgegriffen, wäre das Signal relativ schwach. Bei einem Abgreifen des Torsionssignals am zweiten Steg 23 ist jedoch aufgrund der Resonanzüberhöhung ein starkes Signal zu erwarten, so dass eine höhere Messgenauigkeit erzielbar ist. Das Torsionssignal am zweiten Steg 23 ist analog zu der ersten Ausführungsform mittels eines Piezowiderstandes oder eines piezoelektrischen Dünnfilmes detektierbar.
• Bei einer Torsion des zweiten Steges 23 überträgt sich die Schwingung auf die mit dem zweiten Steg 23 direkt gekoppelte Basis 42 auf die Zinken 41a und 41b des zweiten Oszillators 40. Die Zinken 41a und 41b bewegen sich bei dieser Torsionsbewegung je nach Schwingungsrichtung in positive z-Richtung aus der Zeichenebene heraus und in negative z-Richtung in die Zeichenebene hinein. Die Ausleseeinheit ist hier auf den Bereich 20b begrenzt, in welchem der zweite Steg 23 angeordnet ist. Bei dem Drehratensensor gemäß dieser zweiten Ausführungsform wird erreicht, dass ein Übersprechen der lateralen Anregungsschwingungen des Anregungsoszillators auf die Ausleseeinheit minimiert wird.

Claims (17)

1. Drehratensensor (100), umfassend – einen stimmgabelförmigen Anregungsoszillator (30) mit einem ersten Zinken (11a) und einem in einem Abstand dazu angeordneten zweiten Zinken (11b), wobei der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) über eine Basis (12) miteinander verbunden sind, – ein Anregungsmittel (14) zur Anregung des ersten Zinkens und des zweiten Zinkens des Anregungsoszillators (30) in entgegengesetzte laterale Schwingungen innerhalb einer durch die Zinken (11a, 11b) definierten Ebene, – einen ersten Steg (21), welcher die Basis (12) mit einem Substrat (1) verbindet, – und eine Ausleseeinheit (20a; 20b) zum Erfassen von durch die Anregung des Anregungsoszillators (30) erzeugten Schwingungen, wobei durch Schwenken des Sensors (100) um eine Achse parallel zu einer Achse (18) des ersten Steges der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) des Anregungsoszillators (30) aufgrund der Corioliskraft senkrecht zur Richtung der lateralen Schwingung auslenken, wodurch der erste Steg (21) zu einer Torsionsschwingung angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zinken (11a) und der zweite Zinken (11b) zusätzlich zu der Basis (12) desweiteren über eine Brücke (13) miteinander verbunden sind, welche eingerichtet ist, durch das Anregungsmittel (14) den ersten Zinken (11a) und den zweiten Zinken (11b) in die lateralen Schwingungen zu versetzen.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel (14) eine piezoelektrische Anregung des Anregungsoszillators (30) ermöglichen.
3. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel (14) eine thermische Anregung des Anregungsoszillators (30) ermöglichen.
4. Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsmittel (14) mindestens einen Heizwiderstand aufweisen, der auf der Brücke (13) angeordnet ist.
5. Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand am Übergang (15) zwischen Brücke (13) und Zinken (11a, 11b) angeordnet ist.
6. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (13) parallel zur Basis (12) angeordnet ist.
7. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (11a, 11b) im Bereich zwischen der Basis (12) und der Brücke (13) eine Querschnittsverjüngung (16a, 16b) aufweisen.
8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung der Zinken (11a, 11b) senkrecht zur Richtung der lateralen Schwingung eine Resonanzschwingung am ersten Steg (21) induziert.
9. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Steg (23), der an einem Ende mit dem Substrat (1) so verbunden ist, dass die durch den Anregungsoszillator (30) bewirkte Torsionsschwingung des ersten Steges (21) in den zweiten Steg (23) einkoppelbar ist.
10. Drehratensensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steg (23) an seinem anderen Ende mit einer Schwingmasse verbunden ist.
11. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Anregungsoszillator (30) bewirkte Torsionsschwingung am zweiten Steg (23) eine Resonanzschwingung induziert.
12. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des zweiten Steges (23) mit der Achse des ersten Steges (21) in einer Linie ausgerichtet ist.
13. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse einen dritten Zinken (41a) und einen im Abstand dazu angeordneten vierten Zinken (41b) aufweist, wobei der dritte Zinken (41a) und der vierte Zinken (41b) über eine Basis (42) miteinander verbunden sind und das andere Ende des zweiten Steges (23) mit der Basis (42) verbunden ist.
14. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (20a; 20b) ein Piezomaterial (22) zur Messung einer Torsion mindestens eines Steges (21; 23) aufweist.
15. Drehratensensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezomaterial (22) ein auf mindestens einem Steg (21; 23) angeordneter Piezowiderstand ist.
16. Drehratensensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezomaterial (22), ein auf mindestens einem Steg (21; 23) angeordneter piezoelektrischer Dünnfilm ist.
17. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor mikromechanisch hergestellt ist.