DE102009027897A1

DE102009027897A1 - Mikromechanischer Drehratensensor

Info

Publication number: DE102009027897A1
Application number: DE102009027897A
Authority: DE
Inventors: Martin Wrede; Johannes Classen; Torsten Ohms; Carsten Geckeler; Burkhard Kuhlmann; Jens Frey; Daniel Christoph Meisel; Joerg Hauer; Thorsten Balslink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: ITMI20101291A1; FR2948460B1; CN101963505A; FR2948460A1; DE102009027897B4; US20110023600A1; CN101963505B; US8490483B2; IT1400586B1

Abstract

Es wird ein mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) bereitgestellt, aufweisend: ein erstes Drehratensensorelement (20), welches ein erstes Sensorsignal (S) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine erste Drehachse enthält, ein zweites Drehratensensorelement (30), welches ein zweites Sensorsignal (S) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine zweite Drehachse enthält, die senkrecht auf der ersten Drehachse steht, einen Antrieb (10), der das erste Drehratensensorelement (20) antreibt, und ein Kopplungsglied (40), welches das erste Drehratensensorelement (20) und das zweite Drehratensensorelement (30) mechanisch miteinander koppelt, so dass ein Antreiben des ersten Drehratensensorelements (20) auch ein Antreiben des zweiten Drehratensensorelements (30) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft mikromechanische Drehratensensoren.
Stand der Technik
Mikromechanische Drehratensensoren werden im Automobilbereich z. B. in ESP-Systemen, zur Roll-Over-Sensierung oder zu Navigationszwecken eingesetzt. Die Aufgabe des Drehratensensors ist die korrekte Messung der Autobewegung um eine Drehachse.
Ein bekannter mikromechanischer Drehratensensor weist einen Schwingkörper auf, der sich in einer x-y-Ebene erstreckt und in eine lineare Oszillation entlang einer in dieser Ebene liegenden räumlichen Achse (z. B. x-Achse) versetzt wird. Bei einer Drehung um eine Drehachse (z-Achse), die senkrecht auf der Ebene steht, bewirkt die Corioliskraft eine Verschiebung des Schwingkörpers in einer Richtung (y-Achse), die in der Ebene senkrecht auf der Oszillationsachse (x-Achse) steht. Diese Verschiebung kann mit Hilfe von Messelektroden kapazitiv detektiert und ausgewertet werden. Bei diesem Drehratensensor steht die Drehachse senkrecht auf der Ebene des Schwingkörpers (”out of plane”). Ein solcher Drehratensensor ist beispielsweise in der DE 10 2006 047 135 A1 offenbart.
Ein weiterer bekannter mikromechanischer Drehratensensor weist einen Schwingkörper auf, der sich in der x-y-Ebene erstreckt und der in eine rotierende Oszillation um eine senkrecht auf dieser Ebene stehenden Drehachse (z-Achse) versetzt wird. Eine Drehung des Drehratensensors um die x-Achse oder die y-Achse bewirkt eine Verkippung des Sensors. Diese Verkippung kann mit Hilfe von Messelektroden kapazitiv detektiert und ausgewertet werden. Bei diesem Drehratensensor liegt die erfasste Drehachse in der Ebene des Schwingkörpers (”in plane”). Ein solcher Sensor, der eine Drehung um bis zu zwei Drehachsen erfassen kann, ist beispielsweise in der DE 10 2006 052 522 A1 offenbart.
Für viele Anwendungen ist es jedoch nicht ausreichend, die Drehung um zwei Drehachsen zu erfassen. Vielmehr wird die Bewegung eines Körpers, wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, durch sechs Freiheitsgrade beschrieben, nämlich durch die Bewegung entlang der drei Raumachsen sowie die Drehung um die drei Raumachsen. Dabei besteht bereits heute ein Bedarf für automobile Sensorsysteme, die alle drei Drehratenachsen erfassen, nämlich Drehungen um die Gierachse für das ESP, Drehungen um die Rollachse zur Überschlagsdetektion, sowie Drehungen um eine auf diesen Achsen senkrecht stehende horizontale Achse zur Detektion von Nickbewegungen.
Offenbarung der Erfindung
Vorgesehen ist ein mikromechanischer Drehratensensor, aufweisend:
ein erstes Drehratensensorelement, welches ein erstes Sensorsignal ausgibt, das eine Information über eine Drehung des Drehratensensors um eine erste Drehachse enthält,
eines zweites Drehratensensorelement, welches ein zweites Sensorsignal ausgibt, das eine Information über eine Drehung des Drehratensensors um eine zweite Drehachse enthält, die senkrecht auf der ersten Drehachse steht,
einen Antrieb, der das erste Drehratensensorelement antreibt, und
ein Kopplungsglied, welches das erste Drehratensensorelement und das zweite Drehratensensorelement mechanisch miteinander koppelt, so dass ein Antreiben des ersten Drehratensensorelements auch ein Antreiben des zweiten Drehratensensorelements bewirkt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, zwei oder mehr Drehratensensorelemente mechanisch miteinander zu koppeln, so dass ein Antrieb des ersten Drehratensensorelements über das Kopplungsglied auf das zweite Drehratensensorelement übertragen wird. Auf diese Weise kann zumindest ein Antrieb samt der dazugehörigen Ansteuerung und Stromversorgung eingespart werden. Ferner sind die von den Drehratensensorelementen ausgegebenen Sensorsignale aufgrund der Kopplung in Bezug auf Frequenz und Phasenlage synchronisiert. Damit können auch in der Auswertung entsprechende Redundanzen beseitigt werden und Antriebsdetektion und Signaldetektion lediglich einfach vorgesehen werden.
Das erste Drehratensensorelement kann als Linearschwinger ausgebildet sein und einen ersten Schwingkörper aufweisen, der gegenüber einem Substrat in eine lineare Schwingungsbewegung versetzt werden kann, die senkrecht zur ersten Drehachse ist. Das zweite Drehratensensorelement kann als Rotationsschwinger ausgebildet sein, der einen zweiten Schwingkörper aufweist, der gegenüber dem Substrat in eine rotatorische Schwingungsbewegung in einer Schwingungsebene, die parallel zur zweiten Drehachse ist, versetzt werden kann. Somit erfasst das erste Sensorelement Drehungen um eine Achse, die ”out of plane” liegt und das zweite Sensorelement erfasst Drehungen um eine Achse, die ”in plane” liegt, so dass mit einer Sensoranordnung Drehungen um zwei senkrecht aufeinander stehenden Achsen erfasst werden können. Der Linearschwinger und der Rotationsschwinger erstrecken sich vorteilhafterweise in derselben Ebene. Mit ”sich in einer Ebene erstrecken” ist hierbei gemeint, dass die Ausdehnung in den von den die Ebene aufspannenden Richtungen deutlich (z. B. mindestens fünfmal) größer ist als die Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Ebene.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Rotationsschwinger zwei Sensorsignale ausgibt, wobei das zweite Drehratensensorelement ein zweites und ein drittes Sensorsignal ausgibt, wobei das zweite Sensorsignal eine Information über eine Drehung um eine zweite Drehachse enthält, die parallel zur Schwingungsebene liegt, und wobei das dritte Sensorsignal eine Information über eine Drehung um eine dritte Drehachse enthält, die parallel zur Schwingungsebene und nicht parallel zur ersten Drehachse liegt.
Das erste Drehratensensorelement kann zwei Linearschwinger aufweisen, und der Rotationsschwinger kann zwischen den zwei Linearschwingern angeordnet sein. Somit kann ein Drehratensensor bereitgestellt werden, der besonders kompakt ist.
Das erste Drehratensensorelement und das zweite Drehratensensorelement können in einen einzigen Halbleiterchip, insbesondere einen Siliziumchip, integriert sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schwingkörper der Drehratensensorelemente im Halbleitermaterial des Halbleiterchips strukturiert sind, und als Kopplungsglied aus dem Halbleitermaterial gefertigte Kopplungsstege vorgesehen sind. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung. Da die Drehratensensorelemente parallel zueinander gefertigt werden können, ist somit auch eine besonders kostengünstige Fertigung möglich.
Die Halbleiterstege können winkelförmig und/oder gebogen sein, um die mechanische Belastung zu minimieren.
Der Drehratensensor kann weiterhin einen Multiplexer, eine Signalverarbeitungseinrichtung und einen Demultiplexer aufweisen, wobei das erste und das zweite Drehratensensorelement jeweils mindestens ein Sensorsignal, welches eine Information über eine Drehung um eine Drehachse enthält, an den Multiplexer ausgeben; wobei der Multiplexer zu verschiedenen Zeiten (z. B. zyklisch) je eines der Sensorsignale der Signalverarbeitungseinrichtung zuführt; wobei die Signalverarbeitungseinrichtung das ihr zugeführte Sensorsignal einer Verarbeitung unterwirft und an den Demultiplexer ausgibt; und wobei der Demultiplexer mehrere Ausgänge aufweist, und das verarbeitete Sensorsignal zu verschiedenen Zeiten (z. B. zyklisch) auf die unterschiedlichen Ausgänge schaltet bzw. demultiplext. Somit werden die für die Signalverarbeitung der Sensorsignale vorgesehenen Schaltungselemente nur einfach vorgesehen, so dass eine Einsparung von Schaltungselementen und eine Reduzierung des Platzbedarfs auf dem Chip erreicht werden kann. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann vorteilhafterweise als integrierte Schaltung ausgeführt und auf demselben Chip wie das erste und das zweite Sensorelement vorgesehen sein. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann beispielsweise einen Demodulator, der das ihm zugeführte Sensorsignal demoduliert, und einen Tiefpassfilter, der das demodulierte Sensorsignal tiefpassfiltert, aufweisen.
Für die mechanischen Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn das erste Drehratensensorelement und das zweite Drehratensensorelement eine deckungsgleiche Spiegelebene besitzen bzw. eine rotationssymmetrische oder spiegelsymmetrische Anordnung bilden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine Schnittdarstellung geschnitten in y-Richtung entlang der Diagonalen des Schwingkörpers 31 in 1.
3 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch die Konfiguration eines Drehratensensors gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist ein Blockschaltbild, welches ein einfaches schematisches Beispiel der Signalverarbeitungseinrichtung 60 in 3 zeigt.
5 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
6 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
7 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer vierten Ausführungsform.
8 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer fünften Ausführungsform.
Ausführungsbeispiele
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors 100 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Der Drehratensensor 100 weist ein erstes Drehratensensorelement 20 und ein zweites Drehratensensorelement 30 auf, die über Kopplungsglieder 40 miteinander gekoppelt sind.
Das Drehratensensorelement 20 ist als Zwei-Masse-System mit zwei Linearschwingern 21-1, 21-2 ausgelegt. Die zwei Linearschwinger 21-1, 21-2 sind über eine Feder 27 mechanisch miteinander gekoppelt. Jeder der zwei Linearschwinger 21-1, 21-2 weist einen Antriebsrahmen 22 auf, wobei an jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten des Antriebsrahmens 22 eine Mehrzahl von Antriebselektroden 23 vorgesehen sind. Innerhalb der Antriebsrahmens 22 ist jeweils ein Detektionsrahmen 24 angeordnet, der mit dem Antriebsrahmen 22 über Federelemente 25 verbunden ist. Es ist auch möglich, den Detektionsrahmen 24 über einen weiteren, zwischen Detektionsrahmen 24 und Antriebsrahmen 22 gelagerten Rahmen, sowie entsprechende Federelemente mit dem Detektionsrahmen 24 zu verbinden, um eine freie Schwingung des Detektionsrahmen 24 in x- und y-Richtung gegenüber dem Antriebsrahmen 22 zu ermöglichen.
Im Detektionsrahmen 24 sind Detektor-Elektroden 26 vorgesehen. Die Detektor-Elektroden 26 bilden ein Elektrodengitter. Jeder der Detektor-Elektroden 26 sind eine oder mehrere (nicht dargestellte) Stator-Elektroden zugeordnet, die parallel zu den Detektor-Elektroden 26 angeordnet auf dem Substrat vorgesehen sind. Jede der Detektor-Elektroden 26 bildet somit mit den ihnen zugeordneten Stator-Elektroden kapazitive Elemente aus je einer Detektor-Elektrode 26 und mindestens einer Stator-Elektrode.
Ein Antriebsrahmen 22, die darauf angeordneten Antriebselektroden 23, der darin angeordnete Detektionsrahmen 24, die dazwischen angeordneten Federelemente 25 und die Detektor-Elektroden 26 bilden zusammen einen sich in der x-y-Ebene erstreckenden Schwingkörper, der gegenüber dem Substrat in y-Richtung in Schwingung versetzt werden kann. Hierzu sind den Antriebselektroden 23 gegenüberliegend (nicht näher dargestellte) Gegenelektroden vorgesehen. Wird zwischen den Antriebselektroden 23 und den Gegenelektroden eine geeignete Antriebsspannung (Wechselspannung) angelegt, dann wirkt auf den Antriebsrahmen 22 eine elektrostatische Kraft F_lin in y-Richtung, wie in 1 durch einen durchgezogenen Doppelpfeil dargestellt ist. Der Antriebsrahmen 22 bzw. der Schwingkörper ist dabei gegenüber dem Chipsubstrat so gelagert, dass er durch geeignete Variierung der angelegten Antriebsspannung in Schwingung in y-Richtung versetzt werden kann.
Wird der Drehratensensor 100 nun um die z-Achse gedreht, so wirkt auf die bewegten Detektor-Elektroden 26 eine Corioliskraft F_corz, was in 1 durch einen gestrichelten Doppelpfeil dargestellt ist. Die Corioliskraft F_corz führt zu Kräften, die in x-Richtung wirken und den Abstand zwischen Detektor-Elektroden 26 und ihnen benachbarten Stator-Elektroden verändern. Somit verändert sich auch die Kapazität der von Detektor-Elektroden 26 und Stator-Elektroden gebildeten kapazitiven Elemente. Diese Kapazitätsänderung wird von Kapazitätsmessern in entsprechende Spannungssignale umgesetzt, die eine Information über die am Sensor 100 anliegende Drehrate enthalten. Das erste Drehratensensorelement 20 erfasst also die Drehrate Ω_z von Drehungen um eine Drehachse, die ”out of plane” bzw. senkrecht zu der Ebene liegt, in welcher sich die Schwingkörper der Linearschwinger 21-1, 21-2 erstrecken.
Das zweite Drehratensensorelement 30 ist ein Rotationsschwinger, dessen Konfiguration in der 2 detaillierter dargestellt ist. Dieser Rotationsschwinger weist einen scheibenförmigen Schwingkörper 31 auf, die über beispielsweise vier Federn 32 mit einer Nabe 33 verbunden ist. Die Federn 32 sind in einer kreisförmigen mittigen Aussparung des Schwingkörpers 31, in welchen die Nabe 33 hineinragt, angeordnet. Das dem Schwingkörper 31 entgegen gerichtete Ende der Nabe 33 ist fest am Chipsubstrat 35 angeordnet.
Erfährt das Drehratensensorelement 30 während einer Drehbewegung des Schwingkörpers 31 um die Schwingachse eine Drehung Ω_x um eine sensitive Achse (z. B. x-Achse) des Drehachsensensors 30, so wirken auf die Schwingachse Corioliskräfte F_corx, welche ein Verkippen bzw. Verschwenken des Schwingkörpers 31 gegenüber einer Oberfläche des Substrats 35 bewirken. In der 2 ist diese Verkippung um die x-Achse dargestellt.
Das Verkippen des Schwingkörpers 31 bewirkt eine Abstandsabnahme eines ersten Endes bzw. Randes 36 des Schwingkörpers und eine Abstandszunahme eines dem ersten Ende 36 gegenüberliegenden zweiten Endes bzw. Randes 37 des Schwingkörpers 31 gegenüber dem Substrat 35. Um die Zu- und Abnahme der Abstände der Enden 36 und 37 zu dem Substrat 35 zu ermitteln, sind auf dem Substrat 35 Detektionselektroden 38a gegenüber den Enden 36 und 37 ausgebildet. Die Zu- und Abnahme des Abstands zwischen den Enden 36, 37 und der jeweils dazugehörigen Detektionselektrodea 38 bewirkt eine Änderung der Kapazität des vom Ende 36 bzw. 37 und der Detektionselektrode 38a gebildeten kapazitiven Elements. Diese Änderung ist proportional zur Corioliskraft Durch Messung und Auswerten dieser Kapazitätsänderung kann somit auf die Drehrate Ω_x der Drehbewegung des zweiten Drehratensensorelements um die sensitive Achse (hier x-Achse) geschlossen werden.
In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, zusätzlich zu den Detektionselektroden 38a weitere Detektionselektroden 38b auf der gegenüberliegenden Seite des Schwingkörpers 31 vorzusehen. Diese können beispielsweise an der Innenseite einer Kappe oder eines Gehäuses vorgesehen sein, in welchem der Sensor 100 aufgenommen ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da hierbei die Detektionselektroden 38a, 38b symmetrisch zu dem Schwingkörper 31 angeordnet sind.
Das Drehratensensorelement 30 kann so ausgelegt sein, dass es nicht nur Drehungen um die x-Achse, sondern auch Drehungen um die y-Achse erfasst. Hierzu sind zwei weitere, nicht näher dargestellte Detektionselektroden, mit denen Drehungen um die y-Achse erfasste werden, an entsprechenden Stellen des Substrats 35 gegenüber dem Schwingkörper 31 angeordnet. Es können also beispielsweise vier Detektionselektroden in einem Winkelabstand von jeweils 90° entlang des Umfangs des Schwingkörpers 31 angeordnet sein. Das erste Drehratensensorelement 30 erfasst also die Drehraten Ω_x und Ω_y von Drehungen um Drehachsen, die ”in plane” bzw. innerhalb der Ebene liegen, in welcher sich der Schwingkörper 31 erstreckt.
Das erste Drehratensensorelement 20 und das zweite Drehratensensorelement 30 sind durch Kopplungsstege 40 (Kopplungsglieder) miteinander verbunden. Diese Kopplungsstege 40 sind an einem Ende jeweils mit einem der Antriebsrahmen 22 verbunden und an ihrem anderen Ende mit dem Umfang des Schwingkörpers 31. Im vorliegenden Beispiel sind die Kopplungsstege 40 winkelartig ausgebildet, sie können jedoch auch gebogen ausgebildet sein. Ihre Form kann dabei insbesondere so gewählt sein, dass im Betrieb mechanische Spannungen in den Kopplungsstegen 40 klein sind und gleichzeitig eine geeignete Federkonstante zur Kopplung der ersten und zweiten Sensorelemente 20 und 30 erreicht wird. Die Kopplungsstege 40 können eine Breite von beispielsweise etwa 2 μm aufweisen.
Die Kopplungsstege 40 koppeln das zweite Drehratensensorelement 30 mechanisch an das erste Drehratensensorelement 20. Wird das erste Drehratensensorelement 20 durch Anlegen einer Antriebsspannung zwischen den Antriebselektroden 23 und den ihnen gegenüberliegenden Detektionselektroden in Schwingung versetzt, dann schwingen die beiden Linearschwinger 21-1, 21-2 antiparallel zueinander in +y-Richtung bzw. –y-Richtung. Somit werden auch die Koppelstege 40 antiparallel zueinander bewegt, wodurch auf den Schwingkörper 31 das Drehmoment F_rot wirkt und der über die Nabe 33 gelagerte Schwingkörper 31 in eine rotatorische Schwingung versetzt wird.
Es sollte beachtet werden, dass dabei lediglich das erste Sensorelement 20 direkt angetrieben wird. Es ist kein eigener Antrieb für das zweite Sensorelement 30 vorgesehen, so dass durch diese Anordnung ein Antrieb sowie die dazugehörige Ansteuerung eingespart werden kann.
Der Antriebsrahmen 22, die Kopplungsstege 40 und der Schwingkörper 31 liegen in einer Ebene und können vorteilhafterweise aus einem Stück gefertigt sein. Insbesondere ist es möglich, sie aus einem Stück Silizium zu fertigen. In diesem Falle können das erste und das zweite Sensorelement 20 und 30 auf einem einzigen Halbleiter-Chip angeordnet sein. Hierzu können die beweglichen Schwingkörper auf einer Waferseite eines Siliziumwafers geätzt und teilweise vom Substrat losgelöst und somit beweglich gemacht werden. Weiterhin ist es möglich, auch die Auswerteelektronik zum Auswerten der von den Sensorelementen 20 und 30 ausgegebenen Sensorsignale auf demselben Chip wie die Sensorelemente 20 und 30 unterzubringen. Somit wird eine kompakte Anordnung des Drehratensensors ermöglicht.
3 ist Blockschaltbild, welches schematisch die Konfiguration und den Signalfluss eines Drehratensensors 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
Der in 3 dargestellte Drehratensensor 100 umfasst einen Antrieb 10, ein erstes Drehratensensorelement 20, ein zweites Drehratensensorelement 30, einen Multiplexer 50, eine Signalverarbeitungseinrichtung 60, und einen Demultiplexer 70. Diese Komponenten können in integrierter Bauweise auf einem einzigen Halbleiterchip vorgesehen sein, was eine besonders kompakte Ausführung des Drehratensensors 100 ermöglicht.
Der Antrieb 10 ist mit einer (nicht dargestellten) chipinternen Spannungsversorgung verbunden und treibt das erste Drehratensensorelement 20 in der oben beschriebenen Weise an, nämlich durch Anlegen einer Spannung zwischen den Antriebselektroden 23 und den gegenüberliegenden Gegenelektroden. Hierdurch wird das erste Drehratensensorelement 20 in Schwingung versetzt. Diese Schwingung wird mechanisch durch die Kopplungsglieder 40auf das zweite Drehratensensorelement 30 übertragen, welches somit ebenfalls in Schwingung versetzt wird.
Die Kapazitätsänderung der von den Detektor-Elektroden 26 und Statorelektroden gebildeten kapazitiven Elemente wird von einer nicht näher dargestellten Kapazitätsmessungseinrichtung bzw. einem C/U-Wandler in ein Spannungssignal S₁ umgesetzt, welches eine Information über die am Sensor 100 anliegende Drehrate um die z Achse enthält. Dieses Spannungssignal S₁ wird dem Multiplexer 50 zugeführt. Wenn das erste Sensorelement 20 wie in 1 dargestellt zwei Linearschwinger 21-1 und 21-2 aufweist, dann wird für jeden der Linearschwinger 21-1 und 21-2 ein entsprechendes Spannungssignal erzeugt, von einem Subtrahierer die Differenz dieser Spannungssignale gebildet und das Differenzsignal als Spannungssignal S₁ dem Multiplexer 50 zugeführt.
Die Kapazitätsänderung der von dem Schwingkörper 31 und den Detektionselektroden 38a bzw. 38b gebildeten kapazitiven Elemente wird von einer nicht näher dargestellten Kapazitätsmessungseinrichtung bzw. einem C/U-Wandler in ein Spannungssignal S₂ umgesetzt, welches eine Information über die am Sensor 100 anliegende Drehrate Ω_y um die y-Achse enthält. Dieses Spannungssignal S₂ wird ebenfalls dem Multiplexer 50 zugeführt. In einer alternativen Ausführungsform kann das zweite Drehratensensorelement 30 auch zwei Spannungssignale erzeugen, welche jeweils eine Information über die am Sensor 100 anliegende Drehrate Ω_x um die x-Achse und eine Information über die Drehrate Ω_y um die y-Achse enthalten. In diesem Falle werden dem Multiplexer zwei entsprechende Spannungssignale S₂ und S₃ zugeführt.
Der Multiplexer 50 empfängt ein Steuersignal S_demux (welches mit dem Signal S_mux identisch oder daraus abgeleitet sein kann) und schaltet in Abhängigkeit von diesem Steuersignal S_demux zyklisch zwischen den ihm zugeführten Spannungssignalen S₁ und S₂ (bzw. ggf. S₃) um. Das vom Multiplexer 50 jeweils ausgegebene Spannungssignal wird von einer Signalverarbeitungseinrichtung 60 weiterverarbeitet.
4 zeigt ein einfaches schematisches Beispiel der Signalverarbeitungseinrichtung 60. Dieser Signalverarbeitungseinrichtung 60 wird ein chip-internes Taktsignal CLK zugeführt. Zunächst wird das vom Multiplexer 50 ausgegebene analoge Spannungssignal von einem Analog-Digital-Wandler 61 in Abhängigkeit vom Taktsignal CLK in ein digitales Spannungssignal umgesetzt. Dieses digitale Spannungssignal wird von einem Demodulator 62 demoduliert. Da die Drehratensensorelemente 20 und 30 mit einer bestimmten Antriebsfrequenz f in Schwingung versetzt werden, geben sie Sensorsignale aus, die mit derselben Frequenz f oszillieren. Bei Anliegen einer Drehrate sind diesen periodischen Signalen Signale überlagert, die eine Information über die anliegende Drehrate enthalten. Daher werden die digitalisierten Sensorsignale vom Demodulator 62 moduliert und anschließend mit einem Tiefpassfilter 63 gefiltert, um den entsprechenden Signalanteil im Basisband zu erhalten. Das gefilterte Signal wird an den Demultiplexer 70 ausgegeben.
Ferner wird das gefilterte Signal auch einer Regelung 64 zugeführt, welche ein Regelungssignal erzeugt und dieses nach einer D/A-Wandlung zum Antrieb 10 zurückkoppelt. Somit wird ein Regelkreis gebildet, der das ausgegebene Sensorsignal einer Regelung unterwirft.
Der Demultiplexer 70 empfängt ein Steuersignal S_mux und schaltet das ihm zugeführte Sensorsignal in Abhängigkeit von dem Steuersignal S_mux zyklisch auf verschiedene Ausgänge bzw. Ausgangsleitungen. Ein erstes vom Demultiplexer 70 ausgegebenes Ausgabesignal S_a1 entspricht somit der vom ersten Drehratensensor 20 erfassten Drehrate um die z-Achse. Und ein zweites vom Demultiplexer 70 ausgegebenes Ausgabesignal S_a2 entspricht der vom zweiten Drehratensensor 30 erfassten Drehrate um die y-Achse. Falls der zweite Drehratensensor 30 ausgelegt ist, die Drehrate um zwei sensitive Achsen (x-Achse und y-Achse) zu erfassen, dann kann der Demultiplexer 70 dementsprechend auch ein zweites Ausgabesignal S_a2 und ein drittes Ausgabesignal S_a3 ausgeben, welche jeweils die Drehrate um die x-Achse bzw. die y-Achse repräsentieren.
Die Schwingungen der ersten und zweiten Drehratensensorelemente 20 und 30 sind durch die Kopplungsglieder 40 mechanisch miteinander gekoppelt, so dass auch ihre Schwingung miteinander synchronisiert ist und die gleiche Frequenz und Phasenlage aufweist. Dies ermöglicht es, lediglich einen Detektionskreis für alle Messachsen vorzusehen. Dementsprechend ist in dem Drehratensensor 100 dieser ersten Ausführungsform lediglich eine Signalverarbeitungseinrichtung 60 für beide Drehratensensorelemente 20, 30 vorgesehen. Es sind folglich auch nur ein A/D-Wandler 61, ein Demodulator 62 und ein Tiefpassfilter 63 vorgesehen. Es kann also eine beträchtliche Einsparung hinsichtlich Schaltungsaufwand und Platzbedarf auf dem Halbleiterchip erreicht werden, da diese Bauteile nicht separat für jedes der Drehratensensorelemente vorgesehen werden müssen. Ferner ist auch die für die Signalverarbeitung notwendige Chiparchitektur vereinfacht, da für die in der Signalverarbeitungseinrichtung 60 vorgesehenen Bauteile lediglich eine Strom- bzw. Spannungsversorgung und auch nur ein Systemtakt CLK vorgesehen werden muss. Auch müssen gegebenenfalls vorgesehene Bauteile zur Überwachung und Regelung der Antriebsfrequenz nur einfach vorgesehen werden.
Das erste Ausführungsbeispiel wurde für den Fall erläutert, dass der Antrieb 10 das erste Drehratensensorelement 20 antreibt, wobei die Schwingung bzw. Anregung des ersten Drehratensensorelements 20 durch die Kopplungsglieder 40 auf das zweite Drehratensensorelement 30 übertragen wird. In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, dass der Antrieb 10 nicht das Drehratensensorelement 20 sondern mindestens eines der Kopplungsglieder 40 oder auch beide Kopplungsglieder 40 antreibt. In diesem Falle sind die Antriebselektroden 23 nicht am Antriebsrahmen 22 vorgesehen, sondern an geeigneten Positionen der Kopplungsglieder 40 vorgesehen, in 1 beispielsweise an der oberen bzw. der unteren Seite der waagerechten Abschnitte der Kopplungsstege 40.
In diesem Falle werden durch Anlegen einer geeigneten Antriebsspannung an den Antriebselektroden 23 die Kopplungsglieder 40 in Schwingung in y-Richtung versetzt. Da die Kopplungsglieder 40 an ihren Enden jeweils mit dem Schwingkörper 31 des Rotationsschwingers 30 bzw. mit dem Antriebsrahmen 22 eines der Linearschwinger 21-1, 21-2 verbunden sind, wird diese Schwingung unmittelbar auf den Rotationsschwinger 30 und die Linearschwinger 21-1, 21-2 übertragen, so dass ein Antreiben bzw. Anregen der Kopplungsglieder 40 auch ein Antreiben des ersten und des zweiten Drehratensensorelements 20, 30 bewirkt. Der Antrieb 10 kann dabei die beiden Kopplungsglieder 40 zu anti-parallelen Schwingungen anregen, so dass auch die Linearschwinger 21-1, 21-2 anti-parallel zueinander schwingen und der Schwingkörper 31 in eine Rotationsschwingung versetzt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors 200 gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Elemente, die bau- bzw. funktionsgleich mit Elementen der ersten Ausführungsform sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und werden nicht näher erläutert. Dies gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele.
Der Drehratensensors 200 gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist zwei Linearschwinger 21-1, 21-2 als erstes Drehratensensorelement 20 und zwei Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 als zweite Drehratensensorelemente 30 auf. Der Linearschwinger 21-1 ist über einen Kopplungssteg 40 mit dem einen Rotationsschwinger 30-1 mechanisch gekoppelt und der Linearschwinger 21-2 ist über einen Kopplungssteg 40 mit dem anderen Rotationsschwinger 30-2 mechanisch gekoppelt. Die Kopplungsstege 40 sind an einem Ende jeweils mit einem der Antriebsrahmen 22 verbunden und an ihrem anderen Ende mit dem Umfang des jeweiligen Schwingkörpers 31. Die Schwingkörper 31 der beiden Rotationsschwinger 30-1 sind über ein Federelement 80 miteinander mechanisch gekoppelt.
Auch in dieser Ausführungsform ist lediglich ein Antrieb vorgesehen, welcher durch Anlegen einer Antriebsspannung zwischen Antriebselektroden 23 und Gegenelektroden die Linearschwinger 21-1, 21-2 in Schwingung versetzt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform bewegen sich hier die Linearschwinger 21-1 und 21-2 aufeinander zu bzw. voneinander weg, schwingen also in x-Richtung. Diese Schwingung wird über die Kopplungsstege 40 auf die Schwingkörper 31 der Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 übertragen und dort in eine rotatorische Schwingung umgesetzt. Auch die Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 schwingen in entgegengesetzten Richtungen.
Mit dieser Ausführungsform ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile wie in der ersten Ausführungsform. Die Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 können so ausgelegt sein, dass der eine Rotationsschwinger 30-1 eine Drehung Ω_x um eine Drehachse und der andere Rotationsschwinger 30-2 eine Drehung Ω_y um eine darauf senkrecht stehende Drehachse erfasst. Sie können aber auch so ausgelegt sein, dass jeder der Rotationsschwinger auf Drehungen Ω_x, Ω_y, um die x-Achse bzw. die y-Achse anspricht. In diesem Falle kann eine redundante Erfassung von Drehungen um die x-Achse bzw. die y-Achse in platzsparender Weise verwirklicht werden. Die redundant erfassten Drehraten können beispielsweise gemittelt werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
6 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors 300 gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In diesem Drehratensensor 300 sind ein erstes Drehratensensorelement 20, welches die zwei Linearschwinger 21-1, 21-2 aufweist, sowie zwei Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Dabei sind die zwei Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 zwischen den Linearschwingern 21-1, 21-2 angeordnet und jeweils über einen Koppelsteg 40 mit dem benachbarten Linearschwinger 21-1, 21-2 verbunden. Die Rotationsschwinger 30-1 und 30-2 sind über ein Federelement 80 miteinander verbunden.
Mit dieser Ausführungsform ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform.
Viertes Ausführungsbeispiel
7 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors 400 gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Auch in diesem Drehratensensor 400 sind ein erstes Drehratensensorelement 20, welches die zwei Linearschwinger 21-1, 21-2 aufweist, sowie das als Rotationsschwinger ausgebildete zweite Drehratensensorelement 30 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Dabei ist der Rotationsschwinger 30 zwischen den beiden Linearschwingern 21-1, 21-2 angeordnet. Koppelstege 40 verbinden die Linearschwinger 21-1, 21-2 jeweils mit einem gegenüberliegenden Ende des Rotationsschwingers 30.
Mit dieser Ausführungsform ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform. Ferner ist diese Ausführungsform besonders platzsparend. Weiterhin ist sie auch wegen ihrer rotationssymmetrischen Anordnung vorteilhaft.
Fünftes Ausführungsbeispiel
8 ist eine diagrammatische Darstellung eines Drehratensensors 400 gemäß einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In diesem Drehratensensor 400 sind zwei Linearschwinger 21-1 und 21-2 zwischen vier Rotationsschwingern 30-1 bis 30-4 angeordnet. Der erste Linearschwinger 21-1 ist auf der einen Seite an seinem Antriebsrahmen 22 über einen Koppelsteg 40 mit einem ersten Rotationsschwinger 30-1 und auf seiner anderen Seite über einen Koppelsteg 40 mit einem zweiten Rotationsschwinger 30-2 mechanisch gekoppelt. Der zweite Linearschwinger 21-2 ist auf der einen Seite an seinem Antriebsrahmen 22 über einen Koppelsteg 40 mit einem driten Rotationsschwinger 30-3 und auf seiner anderen Seite über einen Koppelsteg 40 mit einem vierten Rotationsschwinger 30-4 mechanisch gekoppelt. Der erste Rotationsschwinger 30-1 ist über ein Federelement 80 mit dem dritten Rotationsschwinger 30-3 mechanisch gekoppelt. Der zweite Rotationsschwinger 30-2 ist über ein Federelement 80 mit dem vierten Rotationsschwinger 30-4 mechanisch gekoppelt. Auch die Linearschwinger 21-1 und 21-2 sind über ein Federelement 27 mechanisch miteinander gekoppelt.
Mit dieser Ausführungsform ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform. Insbesondere ermöglicht diese Ausführungsform eine redundante aber gleichzeitig platzsparende Anordnung mehrerer Rotationsschwinger auf einem Chip.
Obwohl die obige Ausführungsform vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere sind verschiedene Merkmale der oben beschriebenen Ausgestaltungen miteinander kombinierbar.
Beispielsweise ist in den obigen Ausführungsformen der Antrieb jeweils an den Linearschwingern vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, den oder die Rotationsschwinger mit einem Antrieb anzutreiben, und die Drehschwingung über die Kopplungsglieder auf einen oder mehrere, nicht eigens angetriebene, Linearschwinger zu übertragen.
Ferner sind die Kopplungsstege 40 in den obigen Ausführungsformen jeweils mit dem Antriebsrahmen 22 verbunden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kopplungsstege 40 mit dem Detektionsrahmen 24 verbunden sind.
Schließlich wurde die Signalverarbeitung der Sensorsignal S1 und S2 mit diskreten Komponenten (Demodulator, Filter usw.) dargestellt. Selbstverständlich können diese Komponenten aber auch mit Hilfe eines programmgesteuerten Prozessors, insbesondere als ASIC, realisiert werden. Sie müssen also nicht notwendigerweise als diskrete Komponenten verwirklicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006047135 A1 [0003]
- DE 102006052522 A1 [0004]

Claims

Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500), aufweisend: ein erstes Drehratensensorelement (20), welches ein erstes Sensorsignal (S₁) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine erste Drehachse enthält, eines zweites Drehratensensorelement (30), welches ein zweites Sensorsignal (S₂) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine zweite Drehachse enthält, die senkrecht auf der ersten Drehachse steht, ein Kopplungsglied (40), welches das erste Drehratensensorelement (20) und das zweite Drehratensensorelement (30) mechanisch miteinander koppelt, und einen Antrieb (10), der das erste Drehratensensorelement (20) antreibt, wobei ein Antreiben des ersten Drehratensensorelements (20) durch den Antrieb (10) aufgrund der mechanischen Kopplung durch das Kopplungsglied (40) auch ein Antreiben des zweiten Drehratensensorelements (30) bewirkt.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500), aufweisend: ein erstes Drehratensensorelement (20), welches ein erstes Sensorsignal (S₁) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine erste Drehachse enthält, eines zweites Drehratensensorelement (30), welches ein zweites Sensorsignal (S₂) ausgibt, das eine Information über eine Drehung um eine zweite Drehachse enthält, die senkrecht auf der ersten Drehachse steht, ein Kopplungsglied (40), welches das erste Drehratensensorelement (20) und das zweite Drehratensensorelement (30) mechanisch miteinander koppelt, und einen Antrieb (10), der das Kopplungsglied (40) antreibt, wobei ein Antreiben des Kopplungsgliedes (40) durch den Antrieb (10) auch ein Antreiben des ersten und des zweiten Drehratensensorelements (20, 30) bewirkt.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Drehratensensorelement (20) als Linearschwinger (21-1, 21-2) ausgebildet ist, und einen ersten Schwingkörper (22-26) aufweist, der gegenüber einem Substrat (35) in eine lineare Schwingungsbewegung versetzt werden kann, die senkrecht zur ersten Drehachse ist, wobei das zweite Drehratensensorelement (30) als Rotationsschwinger ausgebildet ist, und einen zweiten Schwingkörper (31) aufweist, der gegenüber dem Substrat (35) in eine rotatorische Schwingungsbewegung in einer Schwingungsebene, die parallel zur zweiten Drehachse ist, versetzt werden kann.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 3, wobei das zweite Drehratensensorelement (30) ein zweites und ein drittes Sensorsignal (S₂, S₃) ausgibt, wobei das zweite Sensorsignal (S₂) eine Information über eine Drehung um eine zweite Drehachse enthält, die parallel zur Schwingungsebene liegt, und wobei das dritte Sensorsignal (S₃) eine Information über eine Drehung um eine dritte Drehachse enthält, die parallel zur Schwingungsebene und nicht parallel zur zweiten Drehachse liegt.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Drehratensensorelement zwei Linearschwinger (21-1, 21-2) aufweist, und wobei der Rotationsschwinger zwischen den zwei Linearschwingern (21-1, 21-2) angeordnet ist.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ersten Drehratensensorelement (20) und das zweite Drehratensensorelement (30) in einen einzigen Halbleiterchip integriert sind.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach Anspruch 6, wobei die Schwingkörper der Drehratensensorelemente (20, 30) im Halbleitermaterial des Halbleiterchips strukturiert sind, und als Kopplungsglied (40) aus dem Halbleitermaterial gefertigte Kopplungsstege vorgesehen sind.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) weiterhin einen Multiplexer (50), eine Signalverarbeitungseinrichtung (60) und einen Demultiplexer (70) aufweist, wobei das erste und das zweite Drehratensensorelement (20, 30) jeweils mindestens ein Sensorsignal (S₁, S₂), welches eine Information über eine Drehung um eine Drehachse enthält, an den Multiplexer (50) ausgeben; wobei der Multiplexer (50) zu verschiedenen Zeiten je eines der Sensorsignale (S₁, S₂) der Signalverarbeitungseinrichtung (60) zuführt; wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (60) das ihr zugeführte Sensorsignal einer Verarbeitung unterwirft und an den Demultiplexer (70) ausgibt; wobei der Demultiplexer (70) mehrere Ausgänge aufweist, und das verarbeitete Sensorsignal (S_a1, S_a2) zu verschiedenen Zeiten auf unterschiedliche Ausgänge schaltet.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach einem Anspruch 8, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (60) mindestens folgendes aufweist: einen Demodulator (62), der das ihm zugeführte Sensorsignal (S₁, S₂) demoduliert; und einen Tiefpassfilter (63), der das demodulierte Sensorsignal tiefpassfiltert.
Mikromechanischer Drehratensensor (100, 200, 300, 400, 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Drehratensensorelement (20) und das zweite Drehratensensorelement (30) eine deckungsgleiche Spiegelebene besitzen.