DE102006052522A1 - Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor mit einem Substrat (10), einem Lager (20), einer an dem Lager (20) mittels Federn (30) drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur (40) und Antriebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der Schwingstruktur (40). Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Drehratensensor erste Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer ersten Drehachse und zweite Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer zweiten Drehachse aufweist.

Description

• Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor mit einem Substrat, einem Lager, einer an dem Lager mittels Federn drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur und Antriebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der Schwingstruktur.
• Mikromechanische Drehratensensoren mit einer Sensierachse (sensitiven Achse) werden für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Im Kfz sind dies zum Beispiel das Antischleuderprogramm ESP, Navigation und Überschlagsmessung, in der Heimelektronik gibt es Anwendungen im Bereich der Bildstabilisierung, der Bewegungsdetektion und der Navigation.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 23 895 A1 ist ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer Sensierachse bekannt, bei dem eine zentral über Biegefedern aufgehängte Rotormasse zu rotatorischen Schwingungen angeregt wird und bei Auftreten einer Drehrate aufgrund des Corioliseffekts eine Verkippung erfährt. Diese Auslenkung wird mittels Elektroden detektiert, die in einer leitfähigen Schicht oberhalb eines Substrats plaziert sind.
• Eine zunehmende Zahl von Anwendungen, z. B. die Bildstabilisierung in Digitalkameras, verlangt nach mehrachsigen Drehratensensoren. Für derartige Zwecke werden bislang im Allgemeinen mehrere einkanalige Sensoren nebeneinander angeordnet oder – je nach benötigter Kombination von sensitiven Drehachsen – sogar über hochkant gestellte Leiterplatten montiert.
• Die Verwendung zweier getrennter einkanaliger Drehratensensoren weist Nachteile hinsichtlich Kosten, Platzbedarf, Strombedarf und relativer Orientierungsgenauigkeit der beiden Achsen auf.
• Offenbarung der Erfindung
• Vorteile der Erfindung
• Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor mit einem Substrat, einem Lager, einer an dem Lager mittels Federn drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur und Antriebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der Schwingstruktur. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Drehratensensor erste Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer ersten Drehachse und zweite Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer zweiten Drehachse aufweist.
• Vorteilhaft schafft die Erfindung einen rotatorischen Drehratensensors mit zwei sensitiven Achsen. Damit lassen sich auf einem einzelnen Chip zwei Meßachsen gleichzeitig auswerten. Der Sensor ist auf beide in der Chipebene liegenden Drehachsen x, y sensitiv.
• Daraus ergeben sich weitere Vorteile. Der Sensorkern ist nur unwesentlich größer als ein einkanaliger Sensor mit vergleichbaren Spezifikationsanforderungen. Der Strombedarf ist deutlich geringer als für zwei einkanalige Sensoren. Zum einen wird nur ein einzelner Antriebskreis für beide Meßachsen benötigt, zum anderen sind insbesondere bei Verwendung von digitalen Auswerteschaltungen größere Funktionsblöcke der Schaltung über zeitliches Multiplexen für beide Detektionskanäle gemeinsam nutzbar. Die präzise mikromechanische Fertigung des Bauelements garantiert in Verbindung mit dem hochsymmetrischen Sensordesign eine gut übereinstimmende Performance und Empfindlichkeit der beiden Meßkanäle. Zudem ist die relative Orientierung der beiden Meßachsen per Design gegeben und wird nicht wie bei der Montage von zwei einkanaligen Sensoren durch Toleranzen in der Aufbau- und Verbindungstechnik beeinträchtigt.
• Zeichnung
• 1 zeigt den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik.
• 2 zeigt die schematische Darstellung des mikromechanischen Funktionsteils eines Drehratensensors nach 1 in der Draufsicht.
• 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen.
• Die 4A und B zeigen zwei Ausführungsformen der Aufhängestruktur eines erfindungsgemäßen Drehratensensors.
• 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit Selbsttestelektroden.
• 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit vergrößerten Antriebsmitteln.
• Ausführungsbeispiele
• Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren beispielhaft dargestellt und nachfolgend beschrieben.
• 1 zeigt den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik. Der Drehratensensor ist in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Dargestellt ist ein Substrat oder ein Träger 10, eine Nabe 20 mit Aufhängefedern oder Schwingfedern 30 und eine Schwingmasse 40. Die Nabe 20 ist mit dem Träger 10 verbunden. Über die Schwingfedern 30 ist die Nabe auch mit der Schwingmasse 40 verbunden. Der Drehratensensor weist Antriebsmittel in Form von Kammstrukturen C_A1, C_A2 auf, die zum Antrieb der Schwingung V dienen. Der Antrieb der zur Schwingung anregbaren seismischen Masse, der Schwingmasse 40, erfolgt dadurch, daß die beiden Kämme einer Antriebsstruktur, wie beispielsweise C_A1, zwei Elektroden darstellen, die auf unterschiedliche elektrische Potentiale aufgeladen werden. Die komplementären Kämme werden infolge der elektrostatischen Anziehungskraft ineinander gezogen, und die Schwingmasse 40 wird dadurch ausgelenkt. Weiterhin weist der Drehratensensor Kammstrukturen C_D1, C_D2 auf, die geeignet sind, die Amplitude der Antriebsschwingung zu detektieren und deren Signal im Allgemeinen zu einer Regelung dieser Amplitude herangezogen wird. Schließlich weist der Drehratensensor Detektionsmittel in Form von Kondensatorstrukturen C_S1, C_S2 auf, die dazu dienen, die Auslenkung der Schwingmasse infolge einer einwirkenden Corioliskraft F_C zu messen.
• Während des Betriebes des Drehratensensors schwingt die Schwingmasse 40 auf einer sphärischen Bahn V um die Nabe 20. Der Drehratensensor detektiert bestimmungsgemäß Drehungen um die sensitive Achse, die Drehachse Ω. Bei einer solchen Drehung des Sensors um Ω treten gesetzmäßig Corioliskräfte F_C auf, die zu einer Auslenkung der Schwingmasse 40 in der durch Pfeile bezeichneten Richtung senkrecht zur Schwingungsebene führen. Der Richtungssinn der Corioliskräfte F_C ändert sich jeweils mit dem Richtungssinn der Drehschwingung V der Schwingmasse 40.
• 2 zeigt die schematische Darstellung des mikromechanischen Funktionsteils eines Drehratensensors nach 1 in der Draufsicht. Dargestellt sind die Antriebskämme C_A11, C_A12, C_A21, C_A22 und die Detektionskämme C_D11, C_D12, C_D21, C_D22. Die Antriebskämme C_A11, C_A12 dienen zum Antrieb der Schwingmasse 40 in Richtung +V. Die Antriebskämme C_A21, C_A22 dienen zum Antrieb der Schwingmasse 40 in Richtung –V. Die Detektionskämme C_D11, C_D12, C_D21, C_D22, dienen zum Messen der Amplitude der Antriebsauslenkung in den beiden Richtungen +V und –V. Die Kapazität dieser kondensatorartigen Kammstrukturen C_D11, C_D12, C_D21, C_D22 hängt von der Eintauchtiefe der Kämme ineinander und damit von der Überdeckungsfläche der Kondensatorplatten zueinander ab. Die Elektroden CT1 und CT2 stellen Testelektroden dar. Durch Anlegen einer Spannung an die Testelektroden CT1 und CT2 kann eine Auslenkung der Schwingmasse 40 in Richtung der Corioliskräfte F_C erzielt werden. Somit kann die Wirkung der Corioliskräfte F_C simuliert und die Auslenkbarkeit der Schwingmasse 40 des getestet werden. Damit kann die Funktionalität des Sensors geprüft werden.
• 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen. Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist aus dem oben beschriebenen Drehratensensor im Stand der Technik entwickelt. Der erfindungsgemäße zweikanalige (weil mit zwei sensitive Achsen ausgestattete) Drehratensensor läßt sich im gleichen oberflächenmikromechanischen Prozeß fertigen. Während der einkanalige Drehratensensor im Stand der Technik eine große Asymmetrie in den Federsteifigkeiten und Trägheitsmomenten Der Aufhängestruktur mit den Federn 30 bzgl. der x- und y-Achse aufweist, ist das Design der zweikanaligen Struktur hochsymmetrisch bzgl. dieser beiden Achsen. Der Rotor 40 ist über Federn 30, die zentral nach innen führen und in Zentrumsnähe an einer Nabe 20 aufgehängt sind, mit dem Substrat 10 verbunden. Die Struktur wird über Antriebskämme in Rotation um die Hochachse (z-Achse) versetzt. Antriebsdetektionskämme messen die Auslenkung des Systems und führen das Signal einem Regelkreis zu, durch den der Sensor stabil auf seiner Antriebsfrequenz betrieben werden kann. Bei Auftreten einer Drehrate um die x-Achse entsteht aufgrund des Corioliseffekts eine Drehung des Rotors um die y-Achse; wenn umgekehrt eine Drehrate um die y-Achse auftritt, resultiert eine Drehung des Rotors um die x-Achse. Unterhalb der vier „Rotorarme" d.h. der Federn 30 befinden sich in der vergrabenen Leiterbahnebene eines Substrates 10 Detektionsmittel in Form von strukturierten Elektrodenflächen, die die Verkippung des Rotors über die resultierenden Kapazitätsänderungen detektieren. Aus den Differenzsignalen Cx,p–Cx,n bzw. Cy,p–Cy,n der jeweils gegenüberliegenden Elektroden erster Detektionsmittel bzw. zweiter Detektionsmittel lassen sich die Drehraten um die x- bzw. y-Achsen ableiten. Bei einer idealsymmetrischen Struktur führt eine Drehrate um die x-Achse zu keinem Signal im y-Kanal und umgekehrt.
• Die 4A und B zeigen zwei Ausführungsformen der Aufhängestruktur eines erfindungsgemäßen Drehratensensors. Die genaue Lage der Eigenfrequenzen in der Antriebs- und Detektionsbewegung hat wesentlichen Einfluß u. a. auf die Empfindlichkeit und den Stromverbrauch des Sensors. Die Federgeometrie muß daher entsprechend gestaltet werden, um die angestrebten Frequenzen zu erzielen. Hierzu genügt es i. Allg. nicht, einfache Biegefedern, wie sie schematisch in 2 dargestellt sind, zu verwenden. Vielmehr werden die Federn 30 kompliziertere Geometrien aufweisen. Dies können beispielsweise mäanderförmig gestaltete Federn wie in den 4A und B gezeigt sein. Auch die Anzahl der Federn 30 kann variieren, wird aus Symmetriegründen aber vorteilhaft ein Vielfaches von vier betragen. Andererseits sind mehr als acht Federn kaum sinnvoll, da sie zu viel Platz benötigten und die resultierende Federsteifigkeit für die meisten Anwendungen zu hoch wäre.
• 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit Selbsttestelektroden. Wie in der Figur gezeigt, kann ein Teilbereich der Detektionselektroden Cx,i und Cy,i (i = p,n) auf dem Substrat 10 ausgespart und für separat kontaktierbare Testelektroden Tx,i und Ty,i (i = p,n) verwendet werden. Über diese Testelektroden können elektrische Kräfte eingespeist und die resultierende Verkippung des Sensorelements 40 analog zur Verkippung aufgrund einer Drehrate über die normalen Detektionselektroden Cx,i und Cy,i (i = p,n) gemessen werden. Somit ist ein einfacher Selbsttest des Sensors möglich.
• 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit vergrößerten Antriebsmitteln. Zur Vergrößerung der Antriebsamplitude oder zur Reduktion der benötigten Antriebsspannung (und damit des Stromverbrauchs) gegenüber den Ausführungsformen im Stand der Technik kann eine Erhöhung der Antriebskapazität über zusätzliche Antriebskämme wünschenswert sein. Die hier beschriebenen mikromechanischen Drehratensensoren sind kostengünstig in Oberflächen-Mikromechanik gefertigt. Dabei wird ein Halbleitersubstrat mit vielen Sensoren nach der Bearbeitung in rechteckige Stücke vereinzelt, die jeweils ein Sensorelement tragen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die Antriebselektrodenkämme sich im Wesentlichen entlang den Diagonalen des rechteckigen Substrats 10 ausdehnen. Da die Erstreckung der Elektroden in die Chipdiagonalen zeigt, ist ohne Vergrößerung der rechteckigen Chipfläche eine Verlängerung der Antriebselektrodenkämme über den eigentlichen Rotorradius hinaus und damit eine größere Zahl von Antriebs- bzw. Antriebsdetektionskämmen realisierbar. Da gerade die äußeren Kämme besonders effizient bei der Erzeugung des Antriebsmoments sind, ist bereits eine kleine Erhöhung der Kammzahl sehr vorteilhaft.

Claims (7)

1. Drehratensensor mit – einem Substrat (10), – einem Lager (20), – einer an dem Lager (20) mittels Federn (30) drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur (40), – Antriebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der Schwingstruktur (40), dadurch gekennzeichnet, daß der Drehratensensor erste Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer ersten Drehachse und zweite Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer zweiten Drehachse aufweist.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstruktur (40) über einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene (x, y) aufgehängt ist und eine Antriebsschwingungsbewegung um die Hochachse z ausführt.
3. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Drehachsen in der Substratebene liegen.
4. Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehachse der Achse x und die zweite Drehachse der Achse y entspricht.
5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingstruktur (40) eine erste maximale Ausdehnung vom Lager (20) bis zu ihrem äußeren Rand aufweist und die Antriebsmittel eine zweite maximale Ausdehnung vom Lager (20) bis zu ihrem äußeren Rand aufweisen, wobei die zweite maximale Ausdehnung größer ist als die erste maximale Ausdehnung.
6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier oder ein ganzzahliges Vielfaches von vier Federn (30) vorgesehen sind.
7. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (30) mehrfach gefaltet, insbesondere mäanderförmig ausgestaltet sind.