DE102006058746A1

DE102006058746A1 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE102006058746A1
Application number: DE200610058746
Authority: DE
Inventors: Burkhard Kuhlmann; Joerg Hauer; Udo-Martin Gomez; Kersten Kehr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008071480A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor mit einem beweglichen Element (8), das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung (9) entlang einer ersten Achse (y), die entlang der Oberfläche verläuft, zu Schwingungen antreibbar ist und das entlang einer zweiten Achse (z) unter Einwirkung einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist, und einer Kompensationseinrichtung (15, 16), die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (z) zu kompensieren, die durch die Antriebseinrichtung (9) hervorgerufen werden. Durch die Anordnung der zweiten Achse (z) senkrecht zur Oberfläche kann der Drehratensensor zusammen mit weiteren Drehratensensoren, die zur Erfassung von Drehungen um anders gerichtete Drehachsen geeignet sind, auf einem Chip integriert werden.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solcher Drehratensensor, der aus der DE 102 37 411 bekannt ist, weist ein bewegliches Element, das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung entlang einer ersten Achse, die entlang der Oberfläche verläuft, zu Schwingungen antreibbar ist, und das entlang einer zweiten Achse unter Einwirkung einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist, und eine Kompensationseinrichtung auf, die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen Elements entlang der zweiten Achse zu kompensieren, die durch die Antriebseinrichtung hervorgerufen werden.
Dabei verläuft auch die zweite Achse entlang der Oberfläche des Substrats. Der Drehratensensor ist somit nur zur Erfassung einer Coriolis-Kraft geeignet, die aufgrund einer Drehung um eine Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats entsteht. Zur Erfassung der Coriolis-Kraft sind an dem beweglichen Element mehrere Finger als Elektroden ausgebildet, die in entsprechende Finger eingreifen, die im Substrat ausgebildet sind. Die Veränderung der Kapazität zwischen den Fingern wird zur Bestimmung der Coriolis-Kraft verwendet. Die unerwünschten Schwingungen entlang der zweiten Achse werden dabei als sogenannte Quadratursignale erfaßt und verfälschen die Meßergebnisse. Ursache für die Quadratursignale sind dabei typischerweise Asymmetrien der Sensorstruktur, wie sie durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen werden. Die unerwünschten Schwingungen entlang der zweiten Achse haben die gleiche Fre quenz wie die Schwingungen entlang der ersten Achse. Ihre Richtung wird durch die Art/Form der Asymmetrie bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehratensensor mit einer Kompensationseinrichtung zu schaffen, der eingerichtet ist, eine Coriolis-Kraft, die senkrecht zu dem Substrat gerichtet ist, und damit eine entsprechende Drehung um eine Achse, die entlang der Oberfläche des Substrats verläuft, zu erfassen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Drehratensensor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß verläuft die zweite Achse senkrecht zu der Oberfläche.
Vorteilhafterweise kann ein Drehratensensor mit einer Kompensationseinrichtung für Quadratursignale mit Bezug auf die Richtung der Sensierachse ungewohnten Abmessungen geschaffen werden. Der Drehratensensor kann dann insbesondere in einem Fahrzeug platzsparend integriert werden. Der Drehratensensor kann auch zusammen mit weiteren Drehratensensoren, die zur Erfassung von Drehungen um anders gerichtete Drehachsen geeignet sind, auf einem Chip integriert werden. Zudem erfolgt die Kompensation am Sensorelement selbst, wodurch die Auswertung erleichtert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kompensationseinrichtung mindestens eine Elektrode, die auf dem Substrat vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise läßt sich eine derartige Kompensationseinrichtung besonders leicht umsetzen, ist zuverlässig und kostengünstig.
In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Elektrode eingerichtet, eine elektrische Kraft entlang der zweiten Achse auf das bewegliche Element auszuüben, deren Betrag von einer Auslenkung des beweglichen Elements aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements entlang der ersten Achse abhängt.
Vorteilhafterweise kann auf diese dynamische Weise eine umfassendere Kompensation als auf statische Weise erreicht werden.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kompensationseinrichtung eine weitere Elektrode, die auf dem Substrat vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine einfache Kompensation von unterschiedlich gerichteten unerwünschten Schwingungen.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform übt die weitere Elektrode eine weitere elektrische Kraft entlang der zweiten Achse auf das bewegliche Element aus, deren Betrag von der Auslenkung des beweglichen Elements aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements entlang der ersten Achse abhängt.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrode und die weitere Elektrode derart ausgebildet, daß die durch die Elektrode ausgeübte Kraft für die Auslenkung des beweglichen Elements zunimmt, während die durch die weitere Elektrode ausgeübte Kraft abnimmt.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform bilden die Elektrode und die weitere Elektrode ein Elektrodenpaar, und sind mehrere Elektrodenpaare auf dem Substrat vorgesehen.
In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes der Elektrodenpaare bei jeweils einem Vorsprung angeordnet, der entlang der ersten Achse an dem beweglichen Element ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Drehratensensors mit einer Kompensationseinrichtung;
2a eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem nicht ausgelenkten Erfassungsmassenelement;
2b eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem in eine Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement; und
2c eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem in eine entgegengesetzte Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Ansicht eines Drehratensensors. Der Drehratensensor umfaßt zwei identische Strukturen 1, 2 mit einer konstanten Dicke, die über einem Substrat, welches in der Papierebene verläuft, angeordnet ist. Die Strukturen 1, 2 werden beispielsweise erzeugt, indem eine elektrisch leitende Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht abgeschieden wird, die wiederum auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. In der Oxidschicht sind Aussparungen ausgebildet, so daß in diesen Aussparungen Verbindungen von der Polysiliziumschicht zu dem Siliziumsubstrat entstehen. Die Strukturen werden daraufhin definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozeß entfernt. Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden.
Jede der Strukturen 1, 2 weist zwei Antriebsmassenelemente 3 auf. Die Antriebsmassenelemente 3 sind über vier Antriebsmassenfedern 4 an den Enden 5 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden. Dabei liegen jeweils zwei Antriebsmassenfedern 4, die das gleiche Antriebsmassenelement 3 mit dem darunterliegenden Substrat verbinden, in einer y-Richtung, die entlang der Oberfläche des Substrats verläuft, gegenüber. Die Auslenkungen der Antriebsmassenelemente 3 sind somit durch die gegenüberliegenden Enden 5 relativ zu dem darunterliegenden Substrat in y-Richtung begrenzt. Die Antriebsmassenfedern 4 sind jeweils in einer viereckigen Aussparung 6 in einem der Antriebmassenelemente 3 angeordnet. Die Federn 4 sind wegen der Ausrichtung ihrer Faltungen vor allem in y-Richtung dehnbar, während Schwingungen der Antriebsmassenelemente 3 in x-Richtung unterdrückt werden. Aufgrund der Anbringung der Antriebsmassenfedern 4 in den Aussparungen 6 ist dabei noch genügend Raum auf den Seiten der Antriebsmassenelemente 3 vorhanden, um Kammantriebe 9 anzuordnen, mit denen die Antriebsmassenelemente 3 in y-Richtung in Schwingungen versetzt werden können.
Die zwei Antriebsmassenelemente 3 einer jeden Struktur 1, 2 sind über acht Erfassungsmassenfedern 7 mit einem im wesentlichen rechteckigen Erfassungsmassenelement 8 (zwei Federn 7 auf jeder Seite) verbunden. Das Erfassungselement 8 kann mit durchgehenden Löchern (z.B. Perforation) versehen sein. Die zwei Antriebsmassenelemente 3 umgeben das Erfassungsmassenelement 8 fast vollständig, lassen jedoch Raum, um eine Kopplungsfeder 10 und eine Substratfeder 11 an das Erfassungsmassenelement 8 anzubinden. Jeweils zwei der Erfassungsmassenfedern 7 sind gegenüberliegend auf zwei Seiten des Erfassungsmassenelements 8 angebracht. Durch die Ausbildung und diese Anbringung der Erfassungsmassenfedern 7 werden Schwingungen des Erfassungsmassenelements 8 zu den Antriebselementen 3 in y-Richtung und in x-Richtung unterdrückt, während eine Relativbewegung des Erfassungsmassenelements 8 in einer z-Richtung senkrecht zur Oberfläche leicht möglich ist.
Die Erfassungsmassenelemente 8 sind über die Kopplungsfeder 10 miteinander gekoppelt. Die Erfassungsmassenelemente 8 sind zur Stabilisierung über Substratfedern 11 an den Enden 12 der Substratfedern 11 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden.
Entlang der y-Richtung sind an den gegenüberliegenden Seiten der Erfassungsmassenelemente 8 viereckige Aussparungen 13 vorgesehen, zwischen denen viereckige Vorsprünge 14 ausgebildet sind. Auf dem Substrat sind unter den viereckigen Aussparungen 13 Elektrodenpaare 15, 16 ausgebildet, die von dem Substrat elektrisch isoliert sind. Die Elektroden 15 sind jeweils mit der Stromversorgung V₁ elektrisch verbunden und die Elektroden 16 sind jeweils mit einer Stromversorgung V₂ elektrisch verbunden, so daß die Elektroden 15 mit einer anderen Spannung versorgt werden können als die Elektroden 16. Die Strukturen 1, 2 und somit die Vorsprünge 14 sind mit der Stromversorgung V₃ elektrisch verbunden.
Wenn der Sensor um die x-Achse gedreht wird, werden die Antriebsmassenelemente 3 für alle Ausführungsformen durch die Kammantriebe 9 zu Schwingungen entlang der y-Achse angeregt. Die Coriolis-Kraft ist dann in z-Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gerichtet. Dabei wird die Frequenz der Kammantriebe 9 vorzugsweise so gewählt, daß die Erfassungsmassenelemente 8 aufgrund der Kopplung zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden. Unter den Erfassungsmassenelementen 8 ist jeweils im Substrat eine Elektrode als Erfassungseinrichtung ausgebildet. Werden die Erfassungsmassenelemente 8 durch die Coriolis-Kraft in z-Richtung in Schwingungen versetzt, verändern sich die Kapazitäten zwischen den Elektroden zu den darüberliegenden Erfassungsmassenelementen. Durch Differenzbildung der Signale von den Elektroden können Störbeschleunigungen einfach abgezogen werden. Zudem wird durch geeignete Dimensionierung der Antriebsmassenelemente 3 und Erfassungsmassenelemente 8 dafür gesorgt, daß ihr gemeinsamer Schwerpunkt zeitinvariant ist.
Zwischen den Antriebsmassenelementen 3 und den Erfassungsmassenelementen 8 können auch weitere Schwingmassenelemente vorgesehen sein, die miteinander gekoppelt sind. So ist es möglich nur die Schwingung in z-Richtung aufgrund der Coriolis-Kraft auf die Erfassungsmassenelemente 8 zu übertragen.
2A zeigt ein Elektrodenpaar der Kompensationseinrichtung, die unter die nicht ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8 angeordnet sind. In der nicht ausgelenkten Position Y₀ sind ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 und ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vorsprung 14 gleich groß. Aufgrund der an das Erfassungsmassenelement 8 angelegten Spannung V₃, der an die Elektrode 15 angelegten Spannung V₂ und der an die Elektrode 16 angelegten Spannung V₁ wirkt eine Kraft zwischen den Elektroden 15, 16 und dem Vorsprung 14, welche das Erfassungselement 8 in z-Richtung geringfügig verschiebt.
2B zeigt eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der Kompensationseinrichtung mit einem in einer Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten Position Y₀ + ΔY ist ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 kleiner als ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vorsprung 14. Daher hat nun die Elektrode 16 einen größeren Einfluß auf das Erfassungsmassenelement 8 als in der nicht ausgelenkten Position.
2C zeigt eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der Kompensationseinrichtung mit einem in einer entgegengesetzten Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten Position Y₀ + ΔY ist ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 größer als ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vor sprung 14. Daher hat nun die Elektrode 15 einen größeren Einfluß auf das Erfassungsmassenelement 8 als in der nicht ausgelenkten Position.
Bei geeigneter Einstellung der Spannungen V₁ und V₂ lassen sich durch die Krafteinwirkung der Elektroden 15 und 16 die Kräfte kompensieren, die zu den unerwünschten Schwingungen in z-Richtung und Quadratursignalen führen. Aufgrund den separaten Stromversorgungen für die Elektroden 15 und 14 können die Quadratursignale dabei individuell in zwei entgegengesetzte Richtungen berichtigt werden.
Allgemein müssen die Elektrodenpaare 15, 16 (oder muß die mindestens eine Elektrode) nicht unbedingt unter den Erfassungsmassenelementen 8 vorgesehen sein, da in anders ausgebildeten Drehratensensoren weitere bewegliche Schwingmassenelemente vorgesehen sein können. Voraussetzung für eine geeignete Vorsehung der Elektrodenpaare 15, 16 ist jedoch, daß die Elektrodenpaare 15, 16 auf dem Substrat unter (oder über) einem beweglichen Element vorgesehen sind, das sich sowohl in y-Richtung aufgrund der Kammantriebe als auch in z-Richtung aufgrund der Coriolis-Kraft bewegen kann (dies gilt auch für eine einzige Kompensationselektrode).

Claims

Drehratensensor mit einem beweglichen Element (8), das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung (9) entlang einer ersten Achse (y), die entlang der Oberfläche verläuft, zu Schwingungen antreibbar ist, und das entlang einer zweiten Achse (z) unter Einwirkung einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist, und mit einer Kompensationseinrichtung (15, 16), die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (z) zu kompensieren, die durch die Antriebseinrichtung (9) hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (z) senkrecht zu der Oberfläche verläuft.
Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (15, 16) mindestens eine Elektrode (15) umfaßt, die auf dem Substrat vorgesehen ist.
Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Elektrode (15) eingerichtet ist, eine elektrische Kraft entlang der zweiten Achse (z) auf das bewegliche Element (8) ausüben, deren Betrag von einer Auslenkung des beweglichen Elements (8) aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der ersten Achse (y) abhängt.
Drehratensensor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (15, 16) eine weitere Elektrode (16) umfaßt, die auf dem Substrat vorgesehen ist.
Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (16) eingerichtet ist, eine weitere elektrische Kraft entlang der zweiten Ach se (z) auf das bewegliche Element (8) auszuüben, deren Betrag von der Auslenkung des beweglichen Elements (8) aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der ersten Achse (y) abhängt.
Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15) und die weitere Elektrode (16) derart ausgebildet sind, daß die durch die Elektrode (15) ausgeübte Kraft für die Auslenkung des beweglichen Elements (8) zunimmt, während die durch die weitere Elektrode (16) ausgeübte Kraft abnimmt.
Drehratensensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15) und die weitere Elektrode (16) ein Elektrodenpaar bilden, und daß mehrere Elektrodenpaare auf dem Substrat vorgesehen sind.
Drehratensensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elektrodenpaare bei jeweils einem Vorsprung (14) angeordnet ist, der entlang der ersten Achse an dem beweglichen Element (8) ausgebildet ist.