DE102010028005A1

DE102010028005A1 - Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Bewegungen

Info

Publication number: DE102010028005A1
Application number: DE201010028005
Authority: DE
Inventors: Dr. Kempe Volker
Original assignee: SensorDynamics AG
Current assignee: Maxim Integrated GmbH
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20
Also published as: KR20130094203A; US9857175B2; JP2013525777A; US20160178374A1; KR101812971B1; US20130031977A1; EP2561313B1; CN103026172B; JP5690919B2; US9157740B2; EP2561313A1; WO2011131690A1; CN103026172A

Abstract

Ein Mikro-Gyroskop dient zur Ermittlung von Bewegungen in Bezug auf eine x- und/oder y- sowie z-Achse, insbesondere als 3D-, 5D- oder 6D-Sensor. Es weist ein Substrat (2), mehrere oszillierende Probemassen (1), Anker (3, 4) und zwischen Anker (3, 4) und Probemasse (1) angeordnete Ankerfedern (5, 6) zum Befestigen der oszillierenden Probemassen (1) an dem Substrat (2), Antriebselemente (15) zum oszillierenden Schwingen der Probemassen (1) in der x-y-Ebene, um bei einer Drehung des Substrats (2) Corioliskräfte zu erzeugen und Sensorelemente (22), insbesondere unter den Probemassen (1) angeordnete Elektroden, um Auslenkungen der Probemassen (1) aufgrund der erzeugten Corioliskräfte zu erfassen, auf. Die Probemassen (1) sind gleichmäßig um einen zentralen Anker (3) herum angeordnet und radial zu dem zentralen Anker (3) antreibbar. Die Ankerfedern (5, 6) sind derart ausgebildet, dass die Probemassen (1) sowohl radial in der x-y-Ebene als auch aus der x-y-Ebene auslenkbar sind. An einer, insbesondere an jeder Probemasse (1) ist mittels Sensorfedern (21) eine Sensormasse (20) angeordnet und die Sensorfedern (21) erlauben eine Auslenkung der Sensormasse (20) innerhalb der Ebene der Probemasse (1) bzw. der x-y-Ebene und orthogonal zur radialen Antriebsrichtung der Probemassen (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Bewegungen in Bezug auf eine x- und/oder y- sowie z-Achse, insbesondere als 3D-, 5D- oder 6D-Sensor, mit einem Substrat, mit mehreren oszillierenden Probemassen, mit Ankern und zwischen Anker und Antriebmasse angeordneten Ankerfedern zum Befestigen der oszillierenden Probemassen an dem Substrat, mit Antriebselementen zum oszillierenden Schwingen der Probemassen in der x-y-Ebene, um bei einer Drehbewegung des Substrats Corioliskräfte zu erzeugen und mit Sensorelementen, insbesondere unter den Probemassen (1) angeordneten Elektroden, um Auslenkungen der Probemassen aufgrund der erzeugten Corioliskräfte aus x- und/oder y-Drehraten zu erfassen.
Mikroelektromechanische(MEMS-)Gyroskope werden in der Regel zur Ermittlung einer Drehbewegung um eine Achse in einem x-y-z-Koordinatensystem verwendet. Um Drehbewegungen des Systems um jede der drei Achsen ermitteln zu können, sind daher drei derartige Mikro-Gyroskope erforderlich. Dies ist kostenintensiv und aufwändig in der Steuerung bzw. Auswertung der Daten.
Um ein dreidimensionales Gyroskop schaffen zu können, bei welchem Drehungen in allen drei Achsen festgestellt werden können, hat D. Wood et al. in dem Artikel „A monolithic silicone gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously" 1996 vorgeschlagen, ein Gyroskop zu schaffen, welches ringförmig um einen zentralen Anker angeordnete oszillierende Massen aufweist, welche sowohl Kipp- als auch Drehbewegungen aufgrund auftretender Corioliskräfte feststellen kann. Nachteilig hierbei ist, dass die Fertigung eines solchen Sensors ebenso wie der Antrieb der bewegten Massen schwierig bzw. nicht realisierbar ist. Die Ausführungen von D. Wood et al. blieben daher lediglich theoretischer Art.
In dem Artikel „Design and dynamics of an innovative micro-gyroscope against coupling effects" von Nan-Chyuan Tsai wurde ebenfalls ein 3D-Gyroskop vorgeschlagen. Nachteilig hierbei ist, dass eine innere Platte und ein äußerer Ring sowie vier bewegte Massen vorhanden sind. Die geforderten Federkonstruktionen mit geringer Steifigkeit in zwei orthogonalen Drehrichtungen sind toleranzanfällig und schwer zu realisieren.
Beide vorgeschlagenen Lösungsansätze sind nicht geeignet, um gleichzeitig Beschleunigungen entlang zweier oder dreier orthogonaler Achsen zu erfassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zu vertretbaren Kosten herstellbaren 3D-Mikro-Gyrosensor mit hoher Erfassungsgenauigkeit zu schaffen, der die genannten Unzulänglichkeiten vermeidet und optional so gestaltet werden kann, dass gleichzeitig zusätzlich zwei oder drei Beschleunigungskomponenten erfasst werden können.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Mikro-Gyroskop mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Das erfindungsgemäße Mikro-Gyroskop dient insbesondere zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x- und/oder y- sowie z-Achse, insbesondere als 3D-Sensor aber auch als 5D- oder 6D-Sensor mit zusätzlicher Erfassung von Beschleunigungen in x- und/oder y- und/oder z-Richtung. Das Mikro-Gyroskop weist ein Substrat sowie mehrere oszillierende Probemassen auf, wobei die oszillierenden Probemassen an dem Substrat mit Ankern und zwischen Anker und Probemasse angeordneten Ankerfedern befestigt sind. Zumindest einzelne Paare, vorzugsweise alle der Probemassen werden mit Hilfe von Antriebselementen zum gegenläufigen oszillierenden Schwingen, d. h. radial in der x-y-Ebene angeregt um bei einer Drehung des Substrats Corioliskräften ausgesetzt zu sein. Sensorelemente, insbesondere unter den Probemassen angeordnete Elektroden, erfassen Auslenkungen der Probemassen aufgrund der auftretenden Corioliskräfte aus x- und/oder y-Drehraten und gegebenenfalls aus z-Beschleunigungen.
Erfindungsgemäß sind die Probemassen gleichmäßig um einen zentralen Anker herum angeordnet und radial zu dem zentralen Anker antreibbar. Die Ankerfedern sind derart ausgebildet, dass die Probemassen sowohl radial zum zentralen Anker in der x-y-Ebene als auch aus der x-y-Ebene heraus auslenkbar sind. An einer, insbesondere an jeder Probemasse ist mittels Sensorfedern eine Sensormasse angeordnet. Die Sensorfedern erlauben eine Auslenkung der Sensormasse innerhalb der Ebene der Probemasse beziehungsweise der x-y-Ebene und orthogonal zur radialen Antriebsrichtung der Probemassen.
Zwei gegenüberliegende Probemassen bilden ein Probemassenpaar. Ein Probemassenpaar ist über die am zentralen Anker angebrachten Torsionsfedern kippbar um die zur Paarachse x- oder y senkrecht verlaufende Kippachse. Außerdem ist jede Probemasse infolge der entsprechend dimensionierten Elastizität der Ankerfedern zwischen Probemasse und zentraler Aufhängung sowie zwischen Probemasse und äußerem Anker in vertikaler Richtung auslenkbar.
Das erfindungsgemäße Mikro-Gyroskop hat den Vorteil, dass es sehr einfach aufgebaut ist und dadurch mit einer hohen Präzision herstellbar und betreibbar ist. Der oszillierende Antrieb der Probemassen erfolgt in radialer Richtung Hierdurch werden besonders einfach zu analysierende Auslenkungen der Probemassen aufgrund der Corioliskräfte erzeugt. Die kombinierte Kipp-Auslenkbewegung eines Probemassenpaares erfolgt auf Grund einer x-Drehrate beziehungsweise y-Drehrate jeweils nur in y-Richtung beziehungsweise x-Richtung. Dementsprechend werden die auf der x-Achse angeordneten Probemassen bei einer y-Drehrate gegenläufig aus der x-y-Ebene herausbewegt und analog hierzu die entlang der y-Achse angeordneten Probemassen bei Auftreten einer x-Drehrate ebenfalls gegenläufig aus der x-y-Ebene herausbewegt. Bei Auftreten einer Beschleunigung in z-Richtung erfolgt die Bewegung der Probemassen gleichläufig aus der Ebene. Gegenläufige und gleichläufige Auslenkungen können durch differentielle und summierende Messungen der Auslenkungen voneinander getrennt werden. Sensorelemente, welche zwischen dem Substrat und den Probemassen angeordnet sind erfassen die Abstandsänderung der Probemassen in Bezug auf das Substrat und erlauben hiermit einen Rückschluss auf die x- beziehungsweise y-Drehrate sowie auf die z-Beschleunigung.
Bei Auftreten einer z-Drehrate entstehen Corioliskrafte innerhalb jeder Probemasse, die eine Auslenkung der Sensorelemente innerhalb einer Probemasse senkrecht zur Radial-Antriebsbewegung bewirken. Diese Auslenkungen sind innerhalb eines Probemassenpaares gegenläufig. Bei Auftreten einer Beschleunigung senkrecht zur Achse eines Probemassenpaares entstehen gleichsinnige Auslenkungen der beiden eingebetteten Sensorelemente. Durch differentielle und summierende Messung dieser Auslenkungen können sowohl die z-Drehrate als auch die Beschleunigungskomponente senkrecht zur Probemassenpaarachse erfasst werden. Dabei ist es vorteilhaft die Drehrate über die Summation der im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgenden Auslenkungen aller Sensorelemente zu erfassen und die Beschleunigungen durch die Differenzbildung der Auslenkungen im oder gegen den Uhrzeigersinn innerhalb eines Probemassenpaares.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Mikro-Gyroskops ist vorgesehen, dass vier gleichmäßig am Umfang verteilte Probemassen um den zentralen Anker angeordnet sind. Hierdurch ist eine Symmetrie im Aufbau des Mikro-Gyroskops und dementsprechend eine einfache Auswertung der aufgetretenen Drehraten möglich. Darüber hinaus ist durch die Symmetrie auch ein Kräftegleichgewicht vorhanden, so dass bei gegenläufig oszillierenden Probemassen keine Kräfte auf das Mikro-Gyroskop aufgrund der Antriebsbewegungen entstehen.
Ist zwischen dem zentralen Anker und den Federn der Probemassen eine elastische Kardanaufhängung angeordnet, so ist die Auslenkung der Probemassen aus der x-y-Richtung sehr einfach und zuverlässig zu ermöglichen. So ist durch die Kardanaufhängung bei einer Auslenkung entsprechender Probemassen allein um die x-Achse im Wesentlichen kein Einfluss auf die Probemassen festzustellen, welche um die y-Achse auslenkbar wären. Eine exakte Trennung der Probemassen je nach der vorhergesehenen Auslenkbewegung kann hiermit erzielt werden. Die Kardanaufhängung ist ein einfach herzustellendes Bauteil, das die Genauigkeit des Mikro-Gyroskops wesentlich verbessert.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Kardanaufhängung besteht dieses aus zwei Ringen, welche mittels zueinander versetzten Torsionsfedern miteinander verbunden sind. Die Torsionsfedern sind hierbei um jeweils 90° zu einander versetzt, so dass sie jeweils mit zwei der oszillierenden Probemassen mit ihrer Antriebsrichtung übereinstimmen. Es ist somit auch eine exakte Trennung der Auslenkbewegungen zu erzielen. Es können hierbei einfache Torsionsfedern eingesetzt werden. Um eine besonders stabile Ausführung zu erhalten und eine Beweglichkeit nur in der vorgesehenen Richtung zu erlauben, ist es vorteilhaft, wenn jede der Torsionsfedern zweigeteilt ist, wobei jeweils zwei vorzugsweise parallel verlaufende oder auch divergierend oder konvergierend verlaufende Federbalken eingesetzt werden.
Sind die Probemassen und/oder die Sensormassen in Form eines Rahmens ausgebildet, so wird eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht. Bei einer Ausbildung der Probemassen in Form eines Rahmens ist es möglich die Antriebselemente innerhalb bzw. umrahmt von der Probemasse anzuordnen. Im Falle der Sensormassen kann durch die rahmenartige Bauweise bewirkt werden, dass sich die Sensorelemente kompakt innerhalb der Sensormassen befinden. Die Sensorelemente, welche aus Elektroden bestehen können, sind hierbei zum einen an dem Substrat und zum anderen an der Sensormasse befindlich. Durch eine Bewegung der Sensormassen innerhalb der x-y-Ebene beziehungsweise der Ebene der Probemasse aufgrund einer z-Drehrate wird der Abstand an dem Substrat feststehenden Elektroden zu den an der Sensormasse befindlichen Elektroden verändert, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches auf die z-Drehrate rückschließen lässt. Bei einer Rahmenbauweise der Probemassen sind in ähnlicher Weise wie bei den Sensormassen feststehende Elektroden an dem Substrat sowie an den Probemassen angeordnete Elektroden vorgesehen. Durch das Anliegen einer Wechselspannung an die Elektroden werden die Probemassen oszillierend bewegt. Die Rahmenbauweise erlaubt hierbei eine sehr kompakte Anordnung der jeweiligen Elektroden, insbesondere ohne die Außenabmessungen des Mirkogyroskops über die Probemassen hinaus wesentlich zu vergrößern.
Zur Erzielung einer besonders kompakten Bauweise des Mikro-Gyroskops ist es vorteilhaft, wenn die Sensormasse innerhalb des Rahmens einer Probemasse angeordnet ist. Dadurch, dass sich die Sensormassen bei dieser Ausführung ebenfalls innerhalb der Außenabmessungen der Probemassen befinden, ist das Mikro-Gyroskop sehr klein realisierbar.
Um ein gleichmäßiges oszillierendes Schwingen der Probemassen zu ermöglichen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Probemassen mit Synchronisationsfedern miteinander verbunden sind. Die Synchronisationsfedern bewirken dabei, dass möglicherweise auftretende geringe Asynchronietäten beim radial oszillierenden Antreiben der Probemassen reguliert werden. Durch die Synchronisationsfedern werden benachbarte Probemassen stets gleichmäßig oszillierend angetrieben.
Zur Erfassung einer z-Drehrate sind die Sensormassen mit Sensorelementen ausgestattet. Die Sensorelemente reagieren dabei auf z-Drehraten, welche wiederum Corioliskräfte erzeugen, die bewirken, dass die Sensorelemente orthogonal zur Antriebsrichtung der Probemassen ausgelenkt werden. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine Bewegung, welche annähernd tangential zu dem zentralen Anker verläuft.
Vorzugsweise sind den Probemassen Sensorelemente zur Erfassung der individuellen Auslenkung in vertikaler z-Richtung zugeordnet. Hierdurch können die Probemassen sowohl zur Ermittlung von Drehraten als auch zur Feststellung von Beschleunigungen in z-Richtung verwendet werden, da sie individuell ausgewertet werden können.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Sensorelemente zur Erfassung der z-Auslenkung einer Probemasse durch die Kapazität einer Probemasse und einer darunterliegenden, auf dem Substrat angebrachten Elektrode gebildet. Die Änderung des Abstandes der beiden Elektroden führt zu einer Änderung der Kapazität, welche proportional zueinander sind.
Sind jeweils zwei Sensorelemente zur Erfassung der z-Auslenkung zweier gegenüberliegender Probemassen zu einem differenziellen Sensor zur Erfassung der Drehung des Substrates um die senkrecht zu diesem Paar von Probemassen liegende Achse in der x-y-Ebene zusammengefasst, so können die individuellen Messergebnisse für die Drehratenermittlung verwendet werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Antriebselemente der oszillierenden Probemassen Elektroden, insbesondere Gabelelektroden. Um einen sicheren Antrieb zu erzielen, sind eine Vielzahl von Gabeln angeordnet. Als besonders vorteilhaft hat sich bei einer bestimmten Ausführung der Erfindung die Verwendung von mehreren hundert, insbesondere etwa zweihundert Gabelelektroden pro Probemasse als vorteilhaft erwiesen.
Um den sogenannten Quad-Bias-Effekt zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Sensorelemente zum Erfassen der senkrecht zum Radius erfolgenden Auslenkung der Probemassen beziehungsweise der Sensormassen in einer Detektionsbox mit Abschirmelektroden für auf dem Substrat feststehende Gegenelektroden angeordnet sind, die den Einfluss sich infolge der Radialbewegung ändernder Streukapazitäten eliminieren. Die Detektionsbox bewirkt dabei eine Abschirmung, so dass fehlerhafte Signale durch nicht beabsichtigte Kontakte des Sensorelementes mit anderen Bauteilen vermieden werden.
Sind die Probemassen in vertikaler Richtung auslenkbar und sind zur Ermittlung einer Beschleunigung des Mikro-Gyroskops entlang der vertikalen z-Achse zumindest zwei Probemassen gleichsinnig in z-Richtung auslenkbar, so kann auf einfache Weise eine Beschleunigung des Sensors in z-Richtung festgestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung, aber nicht die einzig mögliche Ausführung besteht darin, dass vier identische Rahmen in vier Quartalen eines Quadrates angeordnet sind. Für eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche des Mikro-Gyroskops ist es vorteilhaft, wenn die Symmetrieachsen der Rahmen, welche die ratensensitiven Achsen in der Ebene sind, um 45° im Bezug auf die x- und y-Achse des Substratkoordinatensystems gedreht sind. Falls eine starke Separation der Ratensignale entlang der x- und y-Achse des Substratkoordinatensystems gewünscht sind, kann der gesamte Sensor um 45° gedreht werden, so dass die Rahmen der Probemassen entlang der x- und y-Achse des Substratkoordinatensystems ausgerichtet sind und sich dementsprechend oszillierend bewegen.
Die Rahmen sind an einer zentralen Kardanaufhängung gelagert. Sie weisen vier Federn auf, an welchen sie mit dem Substrat verbunden sind. Von den vier Federn sind zwei in der Nähe des zentralen Ankers angeordnet und mit der Kardanaufhängung verbunden. Zwei weitere der vier Federn sind am äußeren Ende der Probemassen angeordnet und dort mit einem weiteren äußeren Anker verbunden. Die inneren und äußeren Federn erlauben eine radiale Auslenkung der Probemassen und darüber hinaus eine Bewegung aus der x-y-Ebene heraus um auftretenden Corioliskräften folgen zu können.
Signale von auftretenden x-Drehraten und y-Drehraten werden durch Änderungen von Kapazitäten der Sensorelemente ermittelt, welche verursacht werden durch eine gegenläufige Auslenkung von Probemassenrahmen, welche an gegenüberliegenden Orten des zentralen Ankers angeordnet sind. Die Sensorelektroden für die aus der x-y-Ebene ausgelenkten Segmente beziehungsweise Probemassen sind unter den Rahmen angeordnet. Die Sensorelemente von zwei gegenüberliegenden korrespondierenden Rahmen sind miteinander verbunden um das gegenläufige Erfassen der korrespondierenden Rahmen der Probemassen festzustellen.
Das Drehratensignal um die z-Achse wird von vier in die Probemassen eingebetteten Rahmen bewirkt, welche zusammen mit den Rahmen der Probemassen in radialer Richtung bewegt werden. Zusätzlich hierzu bewegen sich die Sensormassen rechtwinklig zum Radius des Mikro-Gyroskops falls eine z-Drehrate Corioliskräfte bewirkt. Sensor- beziehungsweise Detektionsboxen mit Abschirmelektroden am Ende der Boxen als Endschilde werden benutzt um den Quad-Bias-Effekt zu eliminieren, welcher durch wechselnde Randfelder während der Antriebsbewegung entstehen können.
Die Auslenkung der Sensormassen zum Erfassen einer z-Drehrate ist eine gemeinsame Auslenkung im oder gegen den Uhrzeigersinn. Sie werden einzeln gemessen. Um den Einfluss von Beschleunigungen des Mikro-Gyroskops auszuschließen, werden gegenüberliegende Sensorelemente entsprechend ausgewertet. Für eine genaue Erfassung der z-Drehrate ist es vorteilhaft mehrere Boxen pro Sensormasse zu verwenden. Besonders vorteilhaft hat sich eine Anzahl von etwa zwölf Boxen pro Sensorelement erwiesen.
Das Mikro-Gyroskop wird vorzugsweise als 3D-Gyroskop zur Ermittlung von Drehraten um die x-, y- und/oder z-Achse eingesetzt. Es kann aber ebenfalls, insbesondere zusätzlich, zur Ermittlung von Beschleunigungen in x- und/oder y- und/oder z-Richtung verwendet werden. Zur Feststellung von z-Drehraten sind die Sensormassen im wesentlichen synchron in gleicher Umfangsrichtung auslenkbar. Alle Sensormassen bewegen sich dementsprechend gleichartig in oder gegen den Uhrzeigersinn um den zentralen Anker herum. Zur Ermittlung einer Beschleunigung des Mikro-Gyroskops innerhalb der x-y-Ebene sind zumindest zwei Sensormassen in Bezug auf die Umfangsrichtung gegenläufig auslenkbar. Dies bedeutet, dass zwei der sich gegenüberliegenden Sensormassen in Bezug auf die Bewegungsrichtung gleichartig, in Bezug auf die Umfangsrichtung des Gyroskops gegenläufig bewegen. Eine erste Sensormasse bewegt sich also im Uhrzeigersinn während sich die gegenüberliegende Sensormasse gegen den Uhrzeigersinn bewegt. In Bezug auf die Bewegungsrichtung des Substrats heißt dies also, dass bei einer Bewegung in positiver x-Richtung die entsprechenden Sensormassen in negativer x-Richtung ausgelenkt werden. Die jeweiligen Sensorelemente zeigen diese Bewegung der Sensormassen dementsprechend an.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes 3D-4-Rahmengyroskop und
2 eine Detektionsbox.
1 zeigt ein 3D-Gyroskop, das vier Rahmen aufweist, welche Probemassen 1 bilden. Die Probemassen 1 sind in einer Ebene oberhalb eines Substrates 2 angeordnet. Sie sind mit dem Substrat 2 über einen zentralen Anker 3 und pro Probemasse 1 einem äußerem Anker 4 verbunden. Die Verbindung mit dem äußeren Anker 4 erfolgt über zwei äußere Ankerfedern 5. Zwischen der Probemasse 1 und dem zentralen Anker 3 sind zwei innere Ankerfeder 6 sowie eine Kardanaufhängung 7 angeordnet. Die äußeren Ankerfedern 5 und die inneren Ankerfedern 6 sind so ausgebildet, dass sie einerseits eine oszillierende Bewegung zwischen dem äußerem Anker 4 und dem inneren zentralen Anker 3 innerhalb der Zeichenebene, das heißt innerhalb einer x-y-Ebene erlauben. Darüber hinaus sind die Ankerfedern 5 und 6 derart ausgebildet, dass sie auch ein Auslenken orthogonal zur Zeichenebene ermöglichen, um somit eine x- beziehungsweise y-Drehrate aufgrund der auftretenden Corioliskräfte anzeigen zu können. Um eine gewisse Stabilität der Probemassen 1 gegen ein Kippen um die Bewegungsachse zu erreichen, ist vorgesehen, dass die inneren Ankerfedern 6 in relativ großem Abstand voneinander an der Probemasse 1 angeordnet sind. Im Bereich des äußeren Ankers 4 sind die äußeren Ankerfedern 5 relativ nahe zusammen an der Probemasse 1 befestigt. So wird eine stabile und gut herstellbare Befestigung der Probemassen 1 an den Federn 5, 6 und den Ankern 3, 4 erzielt.
Um eine gegenseitige Beeinflussung der Auslenkungen auf Grund der x- und y-Drehraten zu vermeiden und die Auslenkung einfach und ohne große Gegenkräfte zu ermöglichen, ist zwischen den inneren Ankerfedern 6 und dem zentralen Anker 3 eine Kardanaufhängung 7 vorgesehen, das eine durch Corioliskräfte hervorgerufene Kippbewegung eines Probemassenpaares unterstützt. Die Kardanaufhängung 7 besteht aus einem inneren Ring 8 und einem äußeren Ring 9. Innerer Ring 8 und äußerer Ring 9 sind mittels zweier Torsionsfedern 10 miteinander verbunden. Die Torsionsfedern 10 sind in einer Flucht entsprechend der Antriebsrichtung zweier gegenüberliegender Probemassen 1 angeordnet. 90° dazu versetzt sind zwei weitere Torsionsfedern 11 vorgesehen, welche den inneren Ring 8 mit dem zentralen Anker 3 verbinden. Diese sind wiederum in einer Flucht und in Richtung der Antriebsbewegungen der beiden anderen Probemassen 1 angeordnet. Somit wird ein Verschwenken/Kippen aus der x-y-Ebene jeweils zweier gegenüberliegender Probemassen 1 ohne wesentliche Beeinflussung der beiden dazwischen angeordneten und 90° versetzt angetriebenen Probemassen 1 bewirkt. Die Torsionsfedern 10, 11 können auch anders als hier dargestellt ausgebildet sein. So können sie beispielsweise jeweils aus zwei parallel verlaufenden Federbalken bestehen. Wesentlich ist, dass sie eine Drehbewegung um ihre Längsachse herum erlauben und in den anderen Richtungen möglichst stabil ausgebildet sind. Daher wäre auch eine divergierende oder konvergierende Anordnung zweier Federbalken denkbar.
Durch die Verwendung jeweils zweier äußerer Ankerfedern 5 und zweier innerer Ankerfedern 6 wird eine stabile Lagerung der Probemassen 1 bewirkt. Ein Verdrehen der Probemassen 1 um ihre Antriebsrichtung beziehungsweise Antriebsachse herum wird dadurch vermieden. Probemassen 1 können hierdurch sehr stabil innerhalb der x-y-Ebene angetrieben werden und drehen bei Auftreten einer Corioliskraft um eine Achse senkrecht zur Antriebsachse. Eine Drehbewegung um die Antriebsachse erfolgt durch diese Aufhängung der Probemasse 1 nicht.
Der oszillierende Antrieb der Probemasse 1 erfolgt durch Antriebselemente 15. Jeder Probemasse 1 sind Antriebselemente 15 angeordnet. In dem vorliegenden Aufführungsbeispiel handelt es sich um Gabelelektroden, welche durch das Anliegen einer Wechselspannung eine oszillierende lineare Bewegung der Probemassen 1 bewirken. Um einen gleichmäßigen Antrieb der Probemasse 1 zu erzielen ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine Vielzahl dieser Gabelelektroden vorzugsweise mehrere hundert Gabelelektroden pro Probemasse 1 angeordnet sind.
Ebenfalls zur Erzielung eines gleichmäßigen Antriebs der Probemassen 1 sind zwischen zwei benachbarten Probemassen 1 Synchronisationsfedern 16 angeordnet. Die Synchronisationsfedern 16 bewirken Kräfte auf die Probemassen 1 für den Fall, dass sie nicht synchron zwischen dem zentralen Anker 3 und dem äußeren Anker 4 oszillieren. Der synchrone Antrieb erlaubt es mit nur einer Antriebselektronik zu arbeiten. Außerdem wird durch den synchronen Antrieb bewirkt, dass keine sich gegenseitig aufhebenden Kräfte auf das Mikro-Gyroskop entstehen, wodurch Fehler in der Auswertung entstehen könnten.
Jede der Probemassen 1 ist in Form eines Rahmens ausgebildet. Innerhalb des Rahmens ist eine Sensormasse 20 angeordnet. Die Sensormasse 20 ist mit vier Federn 21 an der Probemasse 1 befestigt. Die Federn 21 sind an den Ecken der Sensormasse 20 und an der Probemasse 1 befestigt. Die Federn 21 erlauben eine oszillierende Bewegung der Sensormasse 20 innerhalb der Probemasse 1. Ein Auslenken aus der Ebene der Probemasse 1 beziehungsweise der x-y-Ebene vermeiden die Federn 21 weitgehend. Die Sensormasse 20 bewegt sich für den Fall, dass keine Z-Drehrate anliegt gemeinsam mit der Probemasse 1. Das bedeutet, dass sie einerseits an den Antriebsbewegungen der Probemasse 1 in der x-y-Ebene teilnimmt, andererseits bewegt sich die Sensormasse 20 gleichermaßen wie die Probemasse 1 beim Auftreten einer x- beziehungsweise einer y-Drehrate aus der x-y-Ebene zusammen mit der Probemasse 1 heraus. Für den Fall, dass eine z-Drehrate an dem Mikro-Gyroskop anliegt, bewegt sich die Sensormasse 20 relativ zu der Probemasse 1 in einer Richtung orthogonal zur Antriebsrichtung der Probemasse 1. Dies ist die einzige Bewegungsrichtung, welche die Federn 21 zulassen. Um eine Bewegung der Sensormasse 20 aufgrund einer z-Drehrate und der damit verbundenen Corioliskraft ermitteln zu können, ist die Sensormasse 20 ebenfalls als Rahmen ausgebildet. Innerhalb des Rahmens sind Sensorelemente angeordnet, welche zum Teil auf dem Substrat 2 fest angeordnet und sich zum anderen Teil an der Sensormasse 20 befinden. Durch eine Bewegung der Sensormasse 20 relativ zu der Probemasse 1 und relativ zum Substrat 2 wird ein Abstand zwischen den feststehenden Elektroden und den Elektroden an der Sensormasse 20 verändert, welcher durch eine Kapazitätsänderung festgestellt werden kann.
Jede Sensormasse 20 weist eine Vielzahl von Sensorelementen 22 auf. Die Sensorelemente 22 sind in sogenannten Detektionsboxen 23 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Sensormasse 20 zwölf solcher Detektionsboxen 23 auf.
Werden gegenüberliegende Sensormassen 20 entgegen einer linearen Beschleunigungsrichtung des Mikro-Gyroskops innerhalb der x-y-Ebene ausgelenkt, so wird dies mittels der Sensorelemente 22 registriert. Im Gegensatz hierzu werden zur Ermittlung einer z-Drehrate die Sensormassen 20 im wesentlichen synchron in gleicher Umfangsrichtung ausgelenkt. Das Mikro-Gyroskop kann hierdurch als 5D-Sensor bzw. zusammen mit der Messung synchroner z-Auslenkungen der Probemassen als 6D-Sensor eingesetzt werden.
2 stellt eine Ausführungsform einer Detektionsbox 23 dar. Jede Detektionsbox 23 besteht aus inneren Wänden, welche Elektroden 24 der bewegten Sensormasse 20 darstellen. Die Elektroden 24 stehen auf dem Substrat isoliert verankerten Gegenelektroden 25 gegenüber, so dass Bewegungen der Detektionsbox 23 in Richtung der Sensorbewegung senkrecht zum Antrieb der Probemassen 1 zu Kapazitätsänderungen führen, die gemessen werden. Zur Vermeidung des Einflusses der radialen Primärbewegung der Probemasse 1 über die sich ändernden Randfelder rechts und links in der Box 23 können Abschirmelektroden 26 verwendet werden, die das gleiche Potential wie die bewegte Masse 20 aufweisen und damit konstante Randfelder garantieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, nach dem selben Prinzip einen 2-D-Sensor aufzubauen, welcher beispielsweise nur zwei oszillierend angetriebene Probemassen 1 aufweist und darin angeordnete Sensormassen 20 eine z-Drehrate erfassen. Außerdem ist es nicht unbedingt erforderlich, dass sich die Sensormassen 20 innerhalb der Probemassen 1 befinden. Sie können grundsätzlich auch außerhalb der Probemassen 1 angeordnet sein, wobei sich aber der Vorteil der kompakten Bauweise des Mikro-Gyroskops nicht mehr ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Probemasse
2: Substrat
3: zentraler Anker
4: äußerer Anker
5: äußere Ankerfeder
6: innere Ankerfeder
7: Kardanaufhängung
8: innerer Ring
9: äußerer Ring
10: Torsionsfeder
11: Torsionsfeder
15: Antriebselement
16: Synchronisationsfeder
20: Sensormasse
21: Feder
22: Sensorelement
23: Detektionsbox
24: Elektrode
25: Gegenelektrode
26: Abschirmelektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Wood et al. in dem Artikel „A monolithic silicone gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously” 1996 [0003]
„Design and dynamics of an innovative micro-gyroscope against coupling effects” von Nan-Chyuan Tsai [0004]

Claims

Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Bewegungen in Bezug auf eine x- und/oder y- sowie z-Achse, insbesondere als 3D-, 5D- oder 6D-Sensor, – mit einem Substrat (2), – mit mehreren oszillierenden Probemassen (1), – mit Ankern (3, 4) und zwischen Anker (3, 4) und Probemasse (1) angeordneten Ankerfedern (5, 6) zum Befestigen der oszillierenden Probemassen (1) an dem Substrat (2), – mit Antriebselementen (15) zum oszillierenden Schwingen der Probemassen (1) in der x-y-Ebene, um bei einer Drehung des Substrats (2) Corioliskräfte zu erzeugen und – mit Sensorelementen (22), insbesondere unter den Probemassen (1) angeordneten Elektroden, um Auslenkungen der Probemassen (1) aufgrund der erzeugten Corioliskräfte zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Probemassen (1) gleichmäßig um einen zentralen Anker (3) herum angeordnet und radial zu dem zentralen Anker (3) antreibbar sind, – dass die Ankerfedern (5, 6) derart ausgebildet sind, dass die Probemassen (1) sowohl radial in der x-y-Ebene als auch aus der x-y-Ebene auslenkbar sind, – dass an einer, insbesondere an jeder Probemasse (1) mittels Sensorfedern (21) eine Sensormasse (20) angeordnet ist und – dass die Sensorfedern (21) eine Auslenkung der Sensormasse (20) innerhalb der Ebene der Probemasse (1) bzw. der x-y-Ebene und orthogonal zur radialen Antriebsrichtung der Probemassen (1) erlauben.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den zentralen Anker (3) vier gleichmäßig am Umfang verteilte Probemassen (1) angeordnet sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zentralen Anker (3) und den Federn (5, 6) der Probemassen (1) eine elastische Kardanaufhängung (7) angeordnet ist.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Kardanaufhängung (7) zwei Ringe (8, 9) aufweist, welche mittels zueinander versetzten Torsionsfedern (10, 11) miteinander verbunden sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemassen (1) und/oder die Sensormassen (20) in Form eines Rahmens ausgebildet sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormasse (20) innerhalb des Rahmens einer Probemasse (1) angeordnet ist.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemassen (1) mit Synchronisationsfedern (16) miteinander verbunden sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Sensormassen (20) Sensorelemente (22) zugeordnet sind zum Erfassen einer z-Drehrate.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Probemassen (1) Sensorelemente zur Erfassung der individuellen Auslenkung in vertikaler z-Richtung zugeordnet sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente zur Erfassung der z-Auslenkung einer Probemasse (1) durch die Kapazität einer Probemasse (1) und einer darunterliegenden, auf dem Substrat (2) angebrachten Elektrode gebildet ist.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Sensorelemente zur Erfassung der z-Auslenkung zweier gegenüberliegender Probemassen (1) zu einem differenziellen Sensor zur Erfassung der Drehung des Substrates um die senkrecht zu diesem Paar von Probemassen (1) liegende Achse in der x-y-Ebene zusammengefasst sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (15) der oszillierenden Probemassen (1) Elektroden, insbesondere Gabelelektroden, sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorelemente (22) zum Erfassen der senkrecht zum Radius erfolgenden Auslenkung der Probemassen (1) oder der Sensormassen (20) in einer Detektionsbox (23) mit Abschirmelektroden (26) für auf dem Substrat (2) feststehende Gegenelektroden (25) angeordnet sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormassen (20) zur Ermittlung einer z-Drehrate im wesentlichen synchron in gleicher Umfangsrichtung auslenkbar sind und zur Ermittlung einer Beschleunigung des Mikro-Gyroskops innerhalb der x-y-Ebene zumindest zwei Sensormassen (20) in Bezug auf die Umfangsrichtung gegenläufig – im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn – auslenkbar sind.
Mikro-Gyroskop nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probemassen (1) in vertikaler Richtung auslenkbar sind und zur Ermittlung einer Beschleunigung des Mikro-Gyroskops entlang der vertikalen z-Achse zumindest zwei Probemassen (1) gleichsinnig in z-Richtung auslenkbar sind.