DE102010029541A1

DE102010029541A1 - Kombinierter mikromechanischer Drehraten- und Magnetfeldsensor und Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensors

Info

Publication number: DE102010029541A1
Application number: DE201010029541
Authority: DE
Inventors: Torsten Ohms; Leopold Beer; Mirko Hattass; Fouad Bennini; Marian Keck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensor (100) sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Semsor (100) weist dabei ein Substrat (200), eine an dem Substrat (200) elastisch auslenkbar aufgehängte Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30'), Anregungsmitteln zur Anregung einer planaren Antriebsschwingung der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') und eine mit der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') gekoppelte Leiterbahnstruktur (7, 8), durch welche ein vorgebbarer Strom leitbar ist, auf. Mindestens eine Detektionsstruktur (5, 6) eine Auslenkung der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30'), welche in eine von einer Richtung der Antriebsschwingung abweichenden Richtung gerichtet ist und welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors (100) auftretende Coriolis-Kraft oder bei stromdurchflossener Leiterbahnstruktur (7, 8) von einer in Folge einer Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretende Lorentz-Kraft verursacht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensor und ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensors.
Stand der Technik
Mikromechanische Drehratensensoren, welche auf der Auswertung einer Coriolis-Kraft basieren, sind allgemein bekannt. Diese weisen in der Regel in einer Ebene schwingende Strukturen in Form von Schwingmassen – häufig auch als seismische Massen bezeichnet – auf. Diese werden mittels geeigneter Anregungsmittel einer periodischen Linear- oder Rotationsbewegung unterworfen. In Folge einer Drehbewegung des Sensors wirken auf die Schwingmassen Coriolis-Kräfte, welche eine Auslenkung der Schwingmasse in einer von der Antriebsrichtung abweichenden Richtung zur Folge haben. Diese Auslenkung ist proportional zur Drehrate und kann dementsprechend zur Bestimmung der Drehrate ausgewertet werden. Ein derartiger Drehratensensor ist beispielsweise aus der DE 10 2008 042 369 A1 bekannt.
Auch mikromechanische Magnetfeldsensoren, welche auf der Auswertung der bei Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Strom und einem Magnetfeld auf die elektrischen Ladungen wirkenden Lorentzkraft basieren, sind allgemein bekannt. So ist beispielsweise in der DE 198 27 056 A1 ein mikromechanischer Magnetfeldsensor beschrieben, welcher eine Leiterbahneinrichtung aufweist, welche elastisch auslenkbar über einem Substrat aufgehängt ist und durch welche ein vorbestimmter Strom geleitet wird. Dabei ist die Leiterbahneinrichtung mit einer Kondensatoreinrichtung gekoppelt, deren Kapazitätsänderung als Maß für ein anliegendes Magnetfeld erfasst und ausgewertet wird.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße kombinierte mikromechanische Drehraten- und Magnetfeldsensor umfasst ein Substrat, mindestens eine an dem Substrat elastisch auslenkbar aufgehängte Schwingstruktur, Anregungsmittel zur Anregung einer, insbesondere resonanten, planaren Antriebsschwingung der Schwingstruktur, und eine mit der Schwingstruktur gekoppelte Leiterbahnstruktur, durch welche ein vorgebbarer Strom leitbar ist. Mindestens eine Detektionsstruktur erfasst eine Auslenkung der Schwingstruktur, welche in eine von einer Richtung der Antriebsschwingung abweichenden Richtung gerichtet ist und welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors auftretenden Coriolis-Kraft oder bei stromdurchflossener Leiterbahnstruktur von einer in Folge einer Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretenden Lorentz-Kraft verursacht ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundidee, ein bereits vorhandenes Schwingsystem eines Drehratensensors als Träger für eine Leiterbahnstruktur zu verwenden und auf diese Weise einen Magnetfeldsensor zu realisieren. Das Schwingsystem eines mikromechanischen Drehratensensors zeichnet sich durch eine hohe Güte aus, da die Drehratensensoren in der Regel resonant betrieben werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Auch für mikromechanische Magnetfeldsensoren besteht häufig das Erfordernis, sie resonant zu betrieben, so dass das Schwingsystem eines Drehratensensors sich sehr gut als Trägerstruktur eignet. Als vorteilhaft ergibt sich auch, dass aufgrund der Richtungsabhängigkeit von Coriolis-Kraft und Lorentz-Kraft die Achsen, in welchen die Kräfte wirken, zusammenfallen, so dass Magnetfeld und Drehrate mit ein und derselben Detektionsstruktur erfasst werden können. Somit kann der Magnetfeldsensor nahezu flächenneutral in einen bestehenden Drehratensensor integriert werden. Da ein auszuwertendes Magnetfeldsignal auch die gleichen Auswertepfade verwendet wie das auszuwertende Drehratensignal, können auch innerhalb einer, z. B. als Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) ausgeführten, Auswerteeinheit große Teile der elektrischen Infrastruktur sowohl zur Auswertung der Drehrate als auch zur Auswertung des Magnetfeldes und damit doppelt genutzt werden. Der erfindungsgemäße kombinierte Sensor birgt somit auch ein erhebliches Kosteneinsparpotential.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schwingstruktur mindestens eine Schwingmasse. Vorteilhaft sind aber zwei miteinander über eine Kopplungseinheit gekoppelte Schwingmassen vorgesehen, was eine störungsunempfindliche differentielle Auswertung ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Schwingmasse elektrisch leitfähig ausgebildet ist und die Leiterbahnstruktur durch die Schwingmasse selbst ausgebildet ist, so dass keine separate Leiterbahnstruktur erforderlich ist. Alternativ dazu kann aber auch eine gesonderte Leiterbahnstruktur, insbesondere in Form einer Spule, an der Schwingmasse befestigt oder in die Schwingmasse, insbesondere in deren Deckschicht, integriert sein. Der exakte Verlauf eines Strompfades im Bereich der Schwingmasse ist für die Verwendbarkeit der Erfindung grundsätzlich nicht entscheidend, da im Wesentlichen der Verbindungsvektor zwischen Ausleit- und Einleitpunkt in die Schwingstruktur zur Erzeugung der Lorentzkraft beiträgt. Dennoch kann ein gewünschter Strompfad aber durch entsprechende Beeinflussung der Leitfähigkeit, z. B. durch entsprechende Leitungsführung oder entsprechende Dotierung des Schwingmassenmaterials, vorgegeben werden.
Vorteilhaft wird der Strom über Aufhängungsmittel, welche der Aufhängung der Schwingstruktur dienen, die Kopplungseinheit oder über die Anregungsmittel in die Schwingmasse eingeleitet und/oder von dieser abgeleitet, so dass im Bereich der Schwingmasse keine separaten Kontaktierungen zur Stromzuführung und/oder -ableitung erforderlich sind.
Alternativ zu einer dauerhaften Einleitung eines Stromes in die Leiterbahnstruktur kann die Leiterbahnstruktur auch nur elektrostatisch aufgeladen werden, z. B. durch eine vorübergehende Einleitung eines Stromes. Der zur Erfassung eines Magnetfeldes erforderliche Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur wird dann durch die Antriebsschwingung der Schwingstruktur und die damit verbundene oszillierende Verschiebung der Ladungsträger bewirkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche die durch die Coriolis-Kraft und die durch die Lorentz-Kraft verursachten Auslenkungen zu einander in Beziehung setzt, um Messungenauigkeiten auszugleichen und/oder Plausibilitätsüberprüfungen, insbesondere zur Fehlererkennung, durchzuführen. Die Messgenauigkeit von Magnetfeldsensoren, welche auf der Auswertung der Lorentz-Kraft basieren, wird durch Störfelder negativ beeinflusst, so dass zum Beispiel die detektierte Richtung des zu messenden Magnetfeldes verfälscht wird. Da diese Störfelder nur kurzzeitig wirken, kann der auf der Auswertung der Coriolis-Kraft basierende Drehratensensor genutzt werden, um zu prüfen, ob tatsächlich eine Richtungsänderung vorlag oder nicht. Umgekehrt haben Drehratensensoren den Nachteil, dass sie durch Offset-Fehler im Laufe der Zeit driften. Diese Langzeitdrift kann mit Hilfe des Magnetfeldsensors kompensiert werden, indem zum Beispiel der Offset des Drehratensensors durch Vergleich mit dem äußeren Magnetfeld kalibriert wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensors. Dabei werden die durch eine Coriolis-Kraft und die durch eine Lorentz-Kraft verursachten Auslenkungen getrennt voneinander erfasst und/oder ausgewertet, um bestehenden Querempfindlichkeiten Rechnung zu tragen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dazu zwischen einem ersten Messmodus und einem zweiten Messmodus umgeschaltet, wobei in dem ersten Messmodus (Drehratenmodus) kein Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur erzeugt wird und nur Auslenkungen der Schwingstruktur erfasst werden, welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors auftretenden Coriolis-Kraft verursacht sind. In dem zweiten Messmodus (Magnetfeldmodus) wird ein Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur erzeugt und es werden nur Auslenkungen der Schwingstruktur erfasst, welche durch eine in Folge der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretenden Lorentz-Kraft verursacht sind. Die Umschaltung zwischen den Messmodi kann dabei zum Beispiel in vorgebbaren Zeitintervallen erfolgen. Alternativ dazu kann beispielsweise bei Unterschreiten eines ersten Drehratenschwellwertes von dem ersten Messmodus in den zweiten Messmodus und bei Überschreiten eines zweiten, höheren Drehratenschwellwertes von dem zweiten Messmodus in den ersten Messmodus umgeschaltet werden. Auf diese Weise erfasst der Sensor nur bei großen Drehraten die Winkelgeschwindigkeit, wohingegen bei kleinen Drehraten das Magnetfeld ausgewertet wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, für eine Antriebsfrequenz der Anregungsmittel und eine Stromfrequenz des einleitbaren Stromes unterschiedliche Frequenzen zu verwenden. Dadurch sind Auswertesignale, welche auf eine Drehbewegung zurückzuführen sind, von denjenigen, welche auf ein einwirkendes äußeres Magnetfeld zurückzuführen sind anhand ihrer Frequenzcharakteristik unterscheidbar.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Stromfrequenz derart festgelegt wird, dass eine im Vergleich zur Antriebsschwingung andere Eigenform der Schwingstruktur angeregt wird, so dass auch anhand der Lage der Schwingungsbäuche eine Signaltrennung vorgenommen werden kann.
Alternativ oder ergänzend zur Frequenztrennung kann zwischen dem Antriebssignal der Anregungsmittel und dem einleitbaren Strom auch eine Phasenverschiebung, insbesondere um 90°, vorgesehen sein, so dass eine Signaltrennung anhand der Phasenlage ermöglicht wird.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips eines auf der Auswertung einer Coriolis-Kraft basierenden Drehratensensors,
2 eine schematische Darstellung des Grundprinzips eines auf der Auswertung einer Lorentz-Kraft basierenden Magnetfeldsensors unter erindungsgemäßer Verwendung einer Schwingstruktur des Drehratensensors gemäß 1,
3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensors,
4 eine schematische Draufsicht auf den Sensor gemäß 3 mit eingezeichneten Strompfaden und
5 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensors mit eingezeichneten Strompfaden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt das Grundprinzip eines Drehratensensors. Dabei ist beispielhaft eine Ausführungsform mit einem linearen Schwingsystem dargestellt, bei welcher zwei über eine Feder 1 gekoppelte Schwingmassen 2 und 3 gegenphasig angetrieben werden. Bei einer Drehrate, angedeutet durch einen Doppelpfeil 4, in der Antriebsebene und senkrecht zur Antriebskraft F_a entsteht jeweils eine Coriolis-Kraft F_c1 bzw. F_c2 senkrecht zur Antriebsebene, welche die Schwingmassen 2 und 3 entsprechend gegenphasig außerhalb der Antriebsebene auslenken. Diese Auslenkung ist proportional zur Drehrate und kann zum Beispiel elektrostatisch erfasst werden, was durch die Flächenelektroden 5 und 6 angedeutet ist.
2 zeigt das Grundprinzip eines auf der Auswertung einer Lorentz-Kraft basierenden Magnetfeldsensors unter erfindungsgemäßer Verwendung einer Schwingstruktur des Drehratensensors gemäß 1. Dazu ist auf die Schwingmassen 2 und 3 jeweils eine Leiterbahn 7 bzw. 8 aufgebracht, durch welche ein Strom in zueinander entgegen gesetzten Richtungen fließt. Wirkt ein Magnetfeld B_x auf eine derartige Anordnung, entstehen Lorentzkräfte F_L1, bzw. F_L2, welche die Schwingmassen 2 und 3 entsprechend des Stromflusses in den Leiterbahnen 7 bzw. 8 in entgegen gesetzter Richtung aus der Antriebsebene auslenken. Die Auslenkung der Schwingmassen 2 und 3 ist dabei proportional zum Magnetfeld B_x und kann mit Hilfe derselben Detektionsmittel, also wiederum zum Beispiel elektrostatisch, erfasst werden.
Diese Grundprinzipien gelten analog auch für rotatorisch angetriebene Schwingsysteme und sind auch für alle Detektionsachsen (X, Y und Z) gültig.
In 3 ist eine schematische Draufsicht auf einen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensors 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Sensor ist dabei derart ausgestaltet, dass er Drehbewegungen parallel zur Substratebene detektieren kann (In-Plane-Detektion). Der in 3 dargestellte Sensor 100 weist ein Substrat 200, eine erste Schwingmasse 10 und eine zweite Schwingmasse 20 auf, welche sich im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene 300 des Substrats 200 erstrecken und gegenüber dem Substrat 200 beweglich, insbesondere elastisch auslenkbar ausgebildet sind. Dazu ist die erste Schwingmasse 10 mittels elastischer erster Aufhängungsfedern 50 an ersten Verankerungseinheiten 51 des Substrats 200 und die zweite Schwingmasse 20 mittels elastischer zweiter Aufhängungsfedern 52 an zweiten Verankerungseinheiten 53 aufgehängt. Die Aufhängungsfedern 50, 52 bilden dabei zusammen mit den Verankerungseinheiten 51 bzw. 53 Aufhängungsmittel. Die erste Schwingmasse 10 ist mittels nicht abgebildeter erster Anregungsmittel zu einer ersten planaren Schwingung 12 parallel zur Haupterstreckungsebene 300 und parallel zu einer ersten Richtung X anregbar, während die zweite Schwingmasse 20 mittels nicht abgebildeter zweiter Anregungsmittel zu einer zur ersten Schwingung 12 antiparallelen zweiten planaren Schwingung 22 anregbar ist. Das erste und zweite Anregungsmittel umfassen beispielsweise einen kapazitiven Kammantrieb. Die erste und zweite Schwingmasse 10, 20 sind mittels eines als Federstruktur 30 ausgebildeten Kopplungseinheit miteinander verbunden und bilden in diesem Fall zusammen mit der Kopplungseinheit eine Schwingstruktur.
Bei der Anwesenheit einer Drehrate um eine zu einer zweiten Richtung Y parallelen Drehachse wirkt auf die erste Schwingmasse 10 eine erste Coriolis-Kraft 10' und auf die zweite Schwingmasse 20 eine zweite Coriolis-Kraft 20'. Die erste und die zweite Coriolis-Kraft 10', 20' wirken dabei jeweils senkrecht zur Haupterstreckungsebene 300, d. h. parallel zu einer dritten Richtung Z, und antiparallel zueinander. Die eine Schwingmasse 10 wird somit relativ zum Substrat 200 beispielsweise angehoben, während die andere Schwingmasse 20, relativ zum Substrat 200 abgesenkt wird. Diese Abstandsänderungen sind ein Maß für die Drehrate und werden mittels einer nicht abgebildeten Detektionsstruktur, welche erste und zweite Detektionsmittel umfasst, vermessen und differenziell ausgewertet. Die ersten und zweiten Detektionsmittel umfassen dabei vorzugsweise Flächenelektroden, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 300 zwischen der ersten bzw. zweiten Schwingmasse 10, 20 und dem Substrat 200 angeordnet sind. Die ersten und zweiten Aufhängungsfedern 50, 52 umfassen vorzugsweise Biegefedern, welche parallel zur ersten Richtung X elastischer, als parallel zur zweiten Richtung Y ausgebildet sind.
Gemäß der beispielhaft dargestellten Ausführungsform umfasst die als Kopplungseinheit dienende Federstruktur 30 eine Wippenstruktur 30'. Die Wippenstruktur 30' wiederum umfasst ein Koppelelement 33, welches sich zwischen der ersten und der zweiten Schwingmasse 10, 20 parallel zur ersten Richtung X erstreckt. Ein erstes Ende des Koppelelements 33 ist mittels einer ersten Feder 31 und einer weiteren ersten Feder 31' mit der ersten Schwingmasse 10 elastisch, verbunden, während das gegenüberliegende zweite Ende des Koppelelements 33 mittels einer zweiten Feder 32 und einer weiteren zweiten Feder 32 mit der zweiten Schwingmasse 20 elastisch verbunden ist. Die ersten, weiteren ersten, zweiten und weiteren zweiten Federn 31, 31', 32, 32' sind dabei elastischer parallel zur ersten Richtung X, als parallel zur zweiten Richtung Y ausgebildet. Ferner ist das Koppelelement 33 zumindest im Vergleich zu den Federn 31, 31', 32, 32' steif ausgebildet. Das Koppelelement 33 ist darüber hinaus mittels einer weiteren Federstruktur 40 mit dem Substrat 2 verbunden, wobei die weitere Federstruktur 30 zwei als Torsionsfedern ausgebildete Federelemente 42 umfasst, welche jeweils am Koppelelement 33 und an einem Verankerungselement 41 angreifen. Die Federelemente 42 erstrecken sich dabei parallel zur zweiten Richtung Y und erlauben somit eine Drehschwingung des Koppelelements 33 um eine zur zweiten Richtung Y parallelen Torsionsachse 43. Eine gegenphasige Auslenkung der ersten und zweiten Schwingmasse 10, 20 parallel und antiparallel zur dritten Richtung Z (auch als Detektionsmode bezeichnet) aufgrund der ersten und zweiten Coriolis-Kraft 10', 20' erzeugt nun eine Dreh- bzw. Wippbewegung des Koppelelements 33 um die Torsionsachse 43, während eine gleichphasige Auslenkung der ersten und zweiten Schwingmasse 10, 20 (auch als Störmode bezeichnet) durch die Verbiegesteifigkeit der Wippenstruktur 30' unterdrückt wird.
Zur Verwendung als Magnetfeldsensor muss eine Leiterbahnstruktur mit der Schwingstruktur gekoppelt werden. Sind die Schwingmassen 10, 20 aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt, so können diese unmittelbar als Leiterbahnstruktur dienen. Alternativ dazu können aber auch nicht dargestellte separate Leiterbahnstrukturen an den Schwingmassen 10, 20 befestigt oder in die Schwingmassen, insbesondere in Deckschichten der Schwingmassen, integriert sein. Sind die Aufhängungsmittel 50–53, die Kopplungseinheit 30 oder auch die Anregungsmittel aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt, so können diese Einheiten unmittelbar zur Ein- und Ausleitung eines vorgebbaren Stromes in die Leiterbahnstruktur genutzt werden. Lediglich beispielhaft ist gemäß 3 eine Stromeinleitung über die Aufhängungsmittel, gebildet aus den Verankerungseinheiten 51 und 53 in Verbindung mit den Aufhängungsfedern 50 bzw. 52, und eine Stromableitung über die Kopplungseinheit 30, gebildet aus den Federn 31, 31', 32, 32', dem Koppelelement 33, den Federelementen 42 sowie den Verankerungselementen 41, vorgesehen. Ein sich bei dieser Anordnung ergebender möglicher Verlauf der Strompfade ist in 4 schematisch dargestellt. Der Strom kann aber auch an beliebigen anderen Stellen in die Leiterbahnstruktur ein- oder aus dieser ausgeleitet werden.
Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist lediglich entscheidend, dass sich im Bereich der Schwingmassen 10, 20 ein Strompfad ausbildet. Um eine differentielle Auswertung zu ermöglichen, ist es bei Verwendung von zwei Schwingmassen sinnvoll, die jeweiligen Leiterbahnstrukturen derart auszulegen, dass der Strom auf oder in den beiden Schwingmassen eine jeweils entgegen gesetzte Richtung aufweist. Es ist aber auch denkbar, auf die differentielle Auswertbarkeit zu verzichten und den Strom auf oder in beiden Schwingmassen in derselben Richtung fließen zu lassen. Die dadurch bewirkte Resonanzüberhöhung kann zum Beispiel zur Signalverstärkung genutzt werden. Der exakte Verlauf der Strompfade ist grundsätzlich unerheblich, da im Wesentlichen der Verbindungsvektor zwischen Ausleit- und Einleitpunkt in die Schwingstruktur zur Erzeugung der Lorentzkraft beiträgt. Ist dennoch ein bestimmter Verlauf des Strompfades gewünscht, kann dieser durch entsprechende Leitungsführung oder entsprechende Dotierung des Schwingmassenmaterials realisiert werden.
Alternativ zu einer dauerhaften Einleitung eines Stromes in die Leiterbahnstruktur kann die Leiterbahnstruktur auch nur elektrostatisch aufgeladen werden, z. B. durch eine vorübergehende Einleitung eines Stromes. Der zur Erfassung eines Magnetfeldes erforderliche Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur wird dann durch die Antriebsschwingung der Schwingstruktur und die damit verbundene oszillierende Verschiebung der Ladungsträger bewirkt. Eine aktuelle Stromrichtung entspricht dabei der aktuellen Bewegungsrichtung der jeweiligen Schwingmasse 10, 20.
5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensor 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor ist dabei derart ausgestaltet, dass er Drehbewegungen senkrecht zur Substratebene detektieren kann (Out-Of-Plane-Detektion). Die zweite Ausführungsform gleicht dabei in wesentlichen Teilen der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform sind aber die erste Schwingmasse 10 in einen ersten Antriebsrahmen 13 und die zweite Schwingmasse 20 in einen zweiten Antriebsrahmen 23 integriert. Die ersten Aufhängungsfedern 50 greifen hierbei am ersten Antriebsrahmen 13 an, welcher mittels erster Antriebsfedern 14 mit der ersten Schwingmasse 10 verbunden ist. Analog greifen die zweiten Aufhängungsfedern 52 am zweiten Antriebsrahmen 23 an, welcher mittels zweiten Antriebsfedern 24 mit der zweiten Schwingmasse 20 verbunden ist. Die ersten und zweiten Antriebsfedern 14, 24 sind dabei parallel zur ersten Richtung X elastischer als parallel zur zweiten Richtung Y ausgebildet, so dass eine von dem ersten bzw. zweiten Antriebsrahmen 13, 23 parallel zur zweiten Richtung Y wirkende Antriebskraft auf die erste bzw. zweite Schwingmasse 10, 20 übertragbar ist. Die zu messenden Drehraten verlaufen parallel zur dritten Richtung Z, d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene 300. Das Federelement 42 umfasst somit eine Biegefeder, welche eine Schwenkbewegung der Wippenstruktur 30' um eine zur Haupterstreckungsebene 300 senkrechte Schwenkachse 44 erlaubt. Die erste und die zweite Schwingung 12, 22 verlaufen parallel bzw. antiparallel zur zweiten Richtung Y, während die erste und die zweite Coriolis-Kraft 10', 20' parallel bzw. antiparallel zur ersten Richtung X wirken. Die erste und zweite Schwingmasse 10, 20 werden daher gegenphasig zueinander und parallel zur ersten Richtung X ausgelenkt, so dass die ersten und zweiten Detektionsmittel als Elektrodenstrukturen 400 ausgebildet sind, welche in die erste und zweite Schwingmasse 10, 20 integriert sind und zur Detektion von Auslenkungen entlang der ersten Richtung X der ersten und zweiten Schwingmassen 10, 20 relativ zum Substrat 200 ausgebildet sind. Die Wippenstruktur 30' wippt somit um eine Schwenkachse 44, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 300 mittig durch die Wippenstruktur 30' verläuft.
Hinsichtlich der zur Realisierung einer Magnetfeldsensorik erforderlichen Leiterbahnstruktur sei, um Wiederholungen zu vermeiden, auf die diesbezüglichen Ausführungen in Zusammenhang mit den 3 und 4 verwiesen, welche grundsätzlich für alle möglichen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Sensors gelten.
Wiederum lediglich beispielhaft ist in 5 eine Stromein- und -ausleitung über die Aufhängungsmittel, gebildet aus den Verankerungseinheiten 51 und 53 in Verbindung mit den Aufhängungsfedern 50 bzw. 52 vorgesehen und ein sich bei dieser Anordnung ergebender möglicher Verlauf der Strompfade schematisch eingezeichnet. Der Strom kann aber auch bei dieser Ausführungsform an beliebigen anderen Stellen in die Leiterbahnstruktur ein- oder aus dieser ausgeleitet werden.
Da gemäß der Erfindung grundsätzlich in alle Drehratensensoren, welche ein Substrat, eine an dem Substrat elastisch auslenkbar aufgehängte Schwingstruktur und Anregungsmittel zur Anregung einer planaren Antriebsschwingung der Schwingstruktur aufweisen, ein Magnetfeldsensor integrierbar ist, sind neben den dargestellten Ausführungsformen zahlreiche weitere Ausführungsformen denkbar. Insbesondere können als Basis auch Drehratensensoren dienen, welche mehr als eine Drehrichtung gleichzeitig erfassen können, wie sie beispielsweise in der DE 10 2008 042 369 A1 beschrieben sind.
Die Messgenauigkeit von Magnetfeldsensoren, welche auf der Auswertung der Lorentz-Kraft basieren, wird durch Störfelder negativ beeinflusst. Da diese Störfelder aber nur kurzzeitig wirken, können Messergebnisse des auf der Auswertung der Coriolis-Kraft basierenden Drehratensensors genutzt werden, um zu prüfen, ob tatsächlich eine Richtungsänderung vorlag oder nicht. Umgekehrt führen aber Offset-Fehler dazu, dass Drehratensensoren im Laufe der Zeit driften. Diese Langzeitdrift wiederum kann mit Hilfe von Messergebnissen des Magnetfeldsensors kompensiert werden. Dieser gegenseitige Ausgleich von Messfehlem oder Messungenauigkeiten kann durch eine nicht dargestellte Auswerteeinheit erfolgen, welche zum Beispiel als ASIC ausgeführt sein kann. Dazu werden die durch die Coriolis-Kraft und die durch die Lorentz-Kraft verursachten Auslenkungen zu einander in Beziehung gesetzt, wodurch auch Plausibilitätsüberprüfungen, insbesondere zur Fehlererkennung, durchgeführt werden können.
Unter Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten zwischen der Drehratendetektion und der Magnetfelddetektion beim Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors ist es vorgesehen, die durch eine Coriolis-Kraft (Drehratendetektion) und die durch eine Lorentz-Kraft (Magnetfelddetektion) verursachten Auslenkungen getrennt voneinander zu erfassen und/oder auszuwerten. Hierzu können beispielsweise getrennte Messmodi für die Drehratensensierung und die Magnetfeldsensierung vorgesehen sein. So kann beispielsweise zwischen einem ersten Messmodus und einem zweiten Messmodus umgeschaltet werden, wobei in dem ersten Messmodus (Drehratenmodus) kein Strom durch die Leiterbahnstruktur geleitet wird und nur Auslenkungen der Schwingstruktur erfasst werden, welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors auftretenden Coriolis-Kraft verursacht sind. In dem zweiten Messmodus (Magnetfeldmodus) dagegen wird ein Strom durch die Leiterbahnstruktur geleitet und es werden nur Auslenkungen der Schwingstruktur erfasst, welche durch eine in Folge der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretenden Lorentz-Kraft verursacht sind. Die Umschaltung zwischen den Messmodi kann dabei in vorgebbaren Zeitintervallen erfolgen. Alternativ dazu kann bei Unterschreiten eines ersten Drehratenschwellwertes von dem ersten Messmodus in den zweiten Messmodus und bei Überschreiten eines zweiten, höheren Drehratenschwellwertes von dem zweiten Messmodus in den ersten Messmodus umgeschaltet werden.
Um im Rahmen der Auswertung eine Signaltrennung zu ermöglichen, kann es auch vorgesehen sein, für eine Antriebsfrequenz der Anregungsmittel und eine Stromfrequenz des einleitbaren Stromes unterschiedliche Frequenzen zu verwenden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Stromfrequenz derart festgelegt wird, dass eine im Vergleich zur Antriebsschwingung andere Eigenform der Schwingstruktur angeregt wird. Ebenso kann zwischen dem Antriebssignal der Anregungsmittel und dem einleitbaren Strom eine Phasenverschiebung, insbesondere um 90°, vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042369 A1 [0002, 0036]
DE 19827056 A1 [0003]

Claims

Kombinierter mikromechanischer Drehraten- und Magnetfeldsensor (100) mit – einem Substrat (200), – einer an dem Substrat (200) elastisch auslenkbar aufgehängten Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30'), – Anregungsmitteln zur Anregung einer, insbesondere resonanten, planaren Antriebsschwingung der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30'), – eine mit der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') gekoppelten Leiterbahnstruktur (7, 8), durch welche ein vorgebbarer Strom leitbar ist, und – mindestens einer Detektionsstruktur (5, 6) zum Erfassen einer Auslenkung der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30'), welche in eine von einer Richtung der Antriebsschwingung abweichenden Richtung gerichtet ist und welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors (100) auftretenden Coriolis-Kraft oder bei stromdurchflossener Leiterbahnstruktur (7, 8) von einer in Folge einer Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretenden Lorentz-Kraft verursacht ist.
Kombinierter Sensor nach Anspruch 1, wobei die Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') mindestens eine Schwingmasse (2; 3; 10; 20), vorzugsweise zwei miteinander über eine Kopplungseinheit (1; 30; 30') gekoppelte Schwingmassen (2, 3; 10, 20), umfasst.
Kombinierter Sensor nach Anspruch 2, wobei die mindestens eine Schwingmasse (10, 20) elektrisch leitfähig ausgebildet ist und die Leiterbahnstruktur durch die Schwingmasse (10, 20) selbst ausgebildet ist.
Kombinierter Sensor nach Anspruch 3, wobei ein Strompfad durch entsprechende Dotierung der Schwingmasse (10, 20) vorgegeben ist.
Kombinierter Sensor nach Anspruch 2, wobei die Leiterbahnstruktur (7, 8) an der Schwingmasse (2; 3; 10; 20) befestigt oder in die Schwingmasse (2; 3; 10; 20) integriert ist.
Kombinierter Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strom über Aufhängungsmittel (50, 51, 52, 53) oder die Kopplungseinheit (1; 30, 30') oder über die Anregungsmittel in die Leiterbahnstruktur (7, 8) eingeleitet und/oder von dieser abgeleitet wird.
Kombinierter Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leiterbahnstruktur (7, 8) elektrostatisch aufgeladen wird und der Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur (7, 8) durch die Antriebsschwingung der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') bewirkt wird.
Kombinierter Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinheit die durch die Coriolis-Kraft und die durch die Lorentz-Kraft verursachten Auslenkungen zu einander in Beziehung setzt, um Messungenauigkeiten auszugleichen und/oder Plausibilitätsüberprüfungen, insbesondere zur Fehlererkennung, durchzuführen.
Verfahren zum Betrieb eines kombinierten mikromechanischen Drehraten- und Magnetfeldsensors (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die durch eine Coriolis-Kraft und die durch eine Lorentz-Kraft verursachten Auslenkungen getrennt voneinander erfasst und/oder ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei zwischen einem ersten Messmodus und einem zweiten Messmodus umgeschaltet wird, wobei in dem ersten Messmodus kein Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur (7, 8) erzeugt wird und nur Auslenkungen der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') erfasst werden, welche durch eine in Folge einer Drehbewegung des Sensors (100) auftretenden Coriolis-Kraft verursacht sind, und in dem zweiten Messmodus ein Stromfluss durch die Leiterbahnstruktur (7, 8) erzeugt wird und nur Auslenkungen der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') erfasst werden, welche durch eine in Folge der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auftretenden Lorentz-Kraft. verursacht sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in vorgebbaren Zeitintervallen zwischen den beiden Messmodi umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei bei Unterschreiten eines ersten Drehratenschwellwertes von dem ersten Messmodus in den zweiten Messmodus umgeschaltet wird und bei Überschreiten eines zweiten Drehratenschwellwertes von dem zweiten Messmodus in den ersten Messmodus umgeschaltet wird, wobei der zweite Drehratenschwellwert größer als der erste Drehratenschwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei für eine Antriebsfrequenz der Anregungsmittel und eine Stromfrequenz des einleitbaren Stromes unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Stromfrequenz derart festgelegt wird, dass eine im Vergleich zur Antriebsschwingung andere Eigenform der Schwingstruktur (1, 2, 3; 10, 20, 30, 30') angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Antriebssignal der Anregungsmittel und der einleitbare Strom, insbesondere um 90°, phasenverschoben sind.