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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen mikromechanischen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Drehratensensoren können verwendet werden, um Kräfte und Beschleunigungen zu bestimmen, beispielsweise in einem Drehratensensor. In einer Variante ist ein Massekörper vorgesehen, der entlang zweier aufeinander senkrecht stehender Achsen gegenüber einem Substrat beweglich ist. Mittels einer Antriebseinrichtung wird der Massekörper in eine oszillierende Bewegung in einer Richtung versetzt. Wird der Drehratensensor nun um eine Achse gedreht, die senkrecht auf der Ebene steht, in der der Massekörper beweglich ist, so wird der Massekörper in dieser Ebene in eine Richtung ausgelenkt, die senkrecht auf der angetriebenen Richtung steht. Diese Auslenkung ist durch die Corioliskraft bedingt und kann mit einer geeigneten Detektionseinrichtung aufgenommen werden, um ein Signal bereitzustellen, das von einer Drehrate des Drehratensensors abhängig ist.
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Sowohl für die Antriebseinrichtung, als auch für die Detektionseinrichtung sind unterschiedliche Anordnungen bekannt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehratensensor anzugeben, der einen verringerten Platzbedarf aufweist.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Drehratensensor zur Bestimmung einer Corioliskraft ein Halbleitersubstrat, einen über dem Halbleitersubstrat beweglich gelagerten Massekörper, eine Antriebseinrichtung zum Versetzen des Massekörpers in eine oszillierende Bewegung und eine Detektionseinrichtung zur Bestimmung einer von der Corioliskraft verursachten Auslenkung des Massekörpers. Die Detektionseinrichtung umfasst ein piezoresistives Element, dessen elektrischer Widerstand von der Verformung des piezoresistiven Elements abhängig ist.
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Im Vergleich beispielsweise zu einer kapazitiven Bestimmungseinrichtung für die Position des Massekörpers kann so Bauraum eingespart werden, so dass der Drehratensensor insgesamt verkleinert sein kann. Dadurch kann Herstellungsaufwand reduziert werden und der resultierende Drehratensensor kann durch seine verringerten Ausmaße universeller einsetzbar sein.
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Vorzugsweise umfasst der Massekörper zwei Masseelemente, die von der Antriebseinrichtung in Bewegungen mit entgegengesetzten Richtungen versetzt werden, und das piezoresistive Element zwischen den Masseelementen angeordnet ist und mit den Masseelementen derart in Wirkverbindung steht, dass die von der Corioliskraft verursachten Auslenkungen der Masseelementen in entgegengesetzten Richtungen auf das piezoresistive Element wirken. So ist eine differenzielle Messung möglich, mittels der Störeinflüsse, die die Bewegungen beider Masseelemente in gleicher Weise beeinflussen, gegeneinander kompensierbar sein können.
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Das piezoresistive Element kann mit dem Halbleitersubstrat (105) in Wirkverbindung stehen und der Drehratensensor kann ein in einem Ankerpunkt drehbar am Halbleitersubstrat gelagertes Hebelelement umfassen, welches mit dem Massekörper und dem piezoresistiven Element gekoppelt ist, so dass eine vom Massekörper in das Hebelelement eingeleitete Kraft oder Bewegung durch das Hebelelement mit einem Umsetzungsfaktor auf das piezoresistive Element übertragen wird. Durch Wahl eines entsprechenden Umsetzungsfaktors kann eine Anpassung zwischen der baulichen Geometrie der bewegten Teile des Drehratensensors und eines durch das piezoelektrische Element bereitgestellten Signals erfolgen, welches von einer Kraft oder einer Verformung des piezoelektrischen Elements abhängig ist.
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Jedem Masseelement kann ein Hebelelement zugeordnet sein, wobei das piezoresistive Element zwischen den Hebelelementen angeordnet ist. Eine differenzielle Messung kann dadurch vereinfacht werden.
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An wenigstens einem der Hebelelemente kann ein Trennelement zur elektrischen Isolierung angeordnet sein, so dass ein Teil des Hebelelements und das piezoelektrische Element vom Halbleitersubstrat elektrisch isoliert sind. Dadurch kann eine Wechselwirkung zwischen dem Strompfad, über den das vom piezoelektrischen Element bereitgestellte Signal abgenommen wird und der Antriebseinrichtung oder anderen bewegten Elementen des Drehratensensors vermieden werden, wodurch die Messgenauigkeit gesteigert werden kann.
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Jedem Masseelement kann ein Hebelelement zugeordnet sein, wobei die Hebelelemente mittels einer Ausgleichsfeder miteinander gekoppelt sind und das piezoresistive Element zwischen einem der Hebelelemente und einem Aufhängungspunkt auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Dies stellt eine weitere Möglichkeit der Entkoppelung des Messsignals von Elementen des Drehratensensors dar, die mit dem Messsignal Wechselwirken können.
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Dabei kann ein zweites piezoresistives Element vorgesehen sein, das zwischen einem zweiten Hebelelement und einem zweiten Ankerpunkt angeordnet ist, wobei eine elektrische Differenzbildungseinrichtung vorgesehen ist, um die von den piezoresistiven Elementen bereitgestellten Signale zu vergleichen. Diese Ausführungsform bietet sich an, um eine mechanische Differenzbildung nachzuahmen, die zur Tilgung von Fehlern verwendet wird, die zwei Masseelemente in umgekehrter Weise betreffen.
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Die Antriebseinrichtung kann den Massekörper, mechanisch, elektrostatisch, magnetisch, optisch, piezoelektrisch, chemisch und/oder thermisch in Bewegung versetzen. Eine Verwendbarkeit des piezoresistiven Elements ist unabhängig vom Antriebsprinzip des Massekörpers, so dass der Drehratensensor mit einer beliebigen bekannten Antriebseinrichtung realisierbar ist.
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Die Antriebseinrichtung und die Detektionseinrichtung können derart eingerichtet sein, dass eine Antriebsspannung der Antriebseinrichtung zeitlich und/oder durch unterschiedliche Frequenzmodulation von einem Messstrom der Detektionseinrichtung getrennt ist. Dadurch können gegenseitige Beeinflussungen zwischen der Antriebsspannung und dem Messstrom minimiert und die Bestimmung verbessert sein. Zur Modulation kann beispielsweise ein Rechteck-, Dreieck- oder Sinussignal verwendet werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 einen mikromechanischen Drehratensensor;
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2 den Drehratensensor nach 1 mit einem einzigen piezoresistiven Element;
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3 den Drehratensensor nach 1 mit galvanischer Trennung;
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4 den Drehratensensor nach 1 für elektrische Signalmischung; und
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5 einen elektrischen Signalmischer für den Drehratensensor aus 4
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen mikromechanischen Drehratensensor 100. Der Drehratensensor 100 ist auf einem Halbleitersubstrat 105 angeordnet. Ein links unten eingezeichnetes x-y-z-Koordinatensystem dient der Bezugnahme. Aufgabe des Drehratensensors 100 ist es, ein elektrisches Signal bereitzustellen, das von einer Drehung des Drehratensensors 100 um die z-Achse abhängig ist.
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Der Drehratensensor 100 umfasst einen linken und einen rechten Abschnitt, die bezüglich einer senkrechten Mittelachse zueinander spiegelbildlich aufgebaut sind und von denen im Folgenden der linke Abschnitt beschrieben wird. Ein rechteckiger Massekörper 115 ist mit Koppelfedern 120 an einem Rahmen 125 befestigt. Der Rahmen 125 ist ebenfalls rechteckig und an drei Seiten geschlossen. Eine vierte Seite weist in Richtung der Mittelachse und ist in seiner Mitte unterbrochen. Die Koppelfedern 120 führen von den Ecken des Massekörpers 115 in x-Richtung zu Befestigungspunkten am Rahmen 125. Jede der Koppelfedern 120 ist im Wesentlichen U-förmig in y-Richtung gebogen, wobei die Biegungen in y-Richtung aufeinander zu weisen, so dass die Koppelfedern 120 bei einer Bewegung des Massekörpers 115 bezüglich des Rahmens 125 in x-Richtung elastisch verformbar sind und bei einer Bewegung des Massekörpers 115 in y-Richtung steif sind. Dadurch ist der Massekörper 115 gegenüber dem Rahmen 125 nur in x-Richtung beweglich, nicht aber in y-Richtung.
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An den Ecken des Rahmens 130 sind Schwingfedern 130 angebracht, die in y-Richtung zu Ankerpunkten 110 führen, die mechanisch mit dem Halbleitersubstrat 105 verbunden sind, elektrisch jedoch vom Halbleitersubstrat 105 isoliert sind. Die Schwingfedern 130 sind entsprechend den Koppelfedern 120 aufgebaut, wobei die U-förmigen Biegungen der Schwingfedern 130 jedoch in x-Richtung verlaufen, so dass der Rahmen 125 gegenüber dem Substrat 105 in y-Richtung beweglich und in x-Richtung unbeweglich ist. Insgesamt ist der Massekörper 115 so in der x-y-Ebene beweglich aufgehängt.
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Auswertefedern 135 sind an der Seite des Massekörpers 115 befestigt, die der Symmetrieachse zugewandt sind. Die Auswertefedern 135 erstrecken sich in x-Richtung durch die Unterbrechung der vierten Seite des Rahmens 125 bis zu einem Paar in y-Richtung verlaufender Hebel 140. Die Hebel 140 sind stabförmig und liegen in y-Richtung auf einer Achse. Die Auswertefedern 135 sind S- bzw. Z-förmig gebogen und somit in x-Richtung steif und in y-Richtung elastisch. Befestigungspunkte der Auswertefedern 135 an den Hebeln 140 befinden sich an Enden der Hebel 140, die einander in y-Richtung zugewandt sind, also dem unteren Ende des oberen Hebels 140 und dem oberen Ende des unteren Hebels 140.
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Der obere Hebel 140 ist im Bereich seines oberen Endes mittels eines in x-Richtung verlaufenden Biegestegs 147 an einem Ankerpunkt 145 gelagert, der elektrisch isoliert am Substrat 105 angebracht ist. Der Biegesteg 147 ist schmaler als der Hebel 140 dimensioniert, so dass der Hebel 140 um einen Drehpunkt im Bereich des Biegestegs 147 auslenkbar ist. Der untere Hebel 140 ist entsprechend dem oberen Hebel 140 aufgebaut, wobei der unter Hebel 140 im Bereich seines unteren Endes mittels eines Biegestegs 147 an einem Ankerpunkt 145 gelagert ist. Der obere und der untere Biegesteg 147 verlaufen parallel zueinander jeweils von den Hebeln 140 aus nach links. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann auch auf die Biegestege 147 verzichtet werden und die Hebel können 140 direkt mit den Ankerpunkten 145 verbunden sein.
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Am oberen Hebel 140 ist in einem Bereich zwischen dem Biegesteg 147 und dem unteren Ende ein piezoresistives Element 150 befestigt, das sich in y-Richtung nach rechts erstreckt. Am unteren Hebel 140 befindet sich ein dazu korrespondierendes piezoresistives Element 150, das sich ebenfalls in y-Richtung nach rechts erstreckt und parallel zum oberen piezoresistiven Element 150 verläuft. Eine Umsetzung von Kräften und Bewegungen, die durch die Auswertefeder 135 in den Hebel 140 eingeleitet werden, in Kräfte bzw. Bewegungen, die auf das piezoresistive Element 150 wirken, erfolgt in bekannter Weise nach dem Hebelgesetz und richtet sich nach einem Umsetzungsfaktor, der einem Verhältnis von Abständen der jeweiligen Befestigungspunkte der Auswertefeder 135 und des piezoresistiven Elements 150 vom Drehpunkt des Hebels 140 entspricht.
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Rechts von den piezoresistiven Elementen 150 befindet sich der rechte, in Bezug auf die Mittelachse spiegelbildliche Abschnitt des Drehratensensors 100.
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Rechte Enden der piezoresistiven Elemente 150 sind an Hebeln 140 des rechten Abschnitts befestigt. Die piezoresistiven Elemente 150 liefern ein Spannungssignal, das von der in x-Richtung auf sie wirkenden Kraft abhängig ist. Durch entsprechende Wahl von Positionen der piezoresistiven Elemente 150 in y-Richtung an den Hebeln 140 lässt sich das Verhältnis des Spannungssignals von der Auslenkung bzw. der Auslenkungskraft der Auswertefedern 135 und damit der Rahmen 125 in x-Richtung einstellen.
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Die piezoresistiven Elemente 150 können aus einer Vielzahl bekannter Bauformen ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein Vollmaterial verwendet werden, etwa ein Balken aus Silizium, Silizium Carbid oder einem Polymer. Es können auch Nanodrähte oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwendet werden. Ferner kann eine Widerstandsänderung von Material an einer Oberfläche des piezoresistiven Elements 150 hervorgerufen werden, beispielsweise durch eine auf einen Balken aufgebrachte Metalldünnschicht oder eine in den Balken eindiffundierte Dotierung. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das piezoresistive Element 150 auf einen isolierenden Balken, beispielsweise aus Siliziumdioxid, als Dehnmessstreifen aufgebracht sein.
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Die Hebel 140 sind einseitige Hebel, die ein Untersetzungsverhältnis aufweisen, das von einem Verhältnis der Längen zwischen den Ein- bzw. Ausleitungspunkten von Kräften und dem Ankerpunkt 145 abhängt. Dieses Verhältnis ist durch Verschieben der piezoresistiven Elemente aufeinander zu bzw. voneinander weg beliebig einstellbar. Befindet sich das piezoresistive Element 150 auf halber Länge zwischen einem Ankerpunkt 145 und einer Auswertefeder 135, so ist das Verhältnis 1:2. In weiteren Ausführungsformen können auch zweiseitige Hebel 140 verwendet werden.
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Symbolisch dargestellte Antriebseinrichtungen 155 sind dazu eingerichtet, die Rahmen 125 in y-Richtung zu bewegen. Die Antriebseinrichtungen 155 können auf eine Vielzahl bekannter Weisen realisiert sein. In einer Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung 155 elektrostatisch ausgeführt, etwa mittels Plattenstrukturen oder Finger- bzw. Kammstrukturen („Interdigitalfingern”). Durch Anlegen einer Spannung zwischen gegenüberliegenden bzw. ineinandergreifenden Fingern oder Platten wirkt eine anziehende Kraft zwischen diesen Elementen, so dass eine Auslenkung des Rahmens 125 bewirkt wird. Alternativ kann die Antriebseinrichtung 155 auch magnetisch wirken und beispielsweise die Bewegungskraft auf der Basis der Lorentz-Kraft verwenden, um den Rahmen 125 auszulenken, indem Bereiche, welche senkrecht zu einem Magnetfeld von Strom durchflossen werden, eine Kraft auf den Rahmen 125 ausüben. In weiteren Ausführungsformen kann die Antriebseinrichtung 155 die Kraft piezoelektrisch oder thermisch bewirken.
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Die Antriebseinrichtungen 155 versetzten die Rahmen 125 in eine sinusförmige Oszillation in y-Richtung, wobei die Phasen der Bewegungen beider Rahmen 125 zueinander um 180° phasenverschoben sind. Durch die Befestigung mittels der Koppelfedern 120 werden auch die Massekörper 115 in eine sinusförmige Oszillation in y-Richtung versetzt. Diese Auslenkung ist durch gestrichelte Pfeile in y-Richtung symbolisiert. Aufgrund von Coriolis-Kräften wird bei einer Drehung des Drehratensensors 100 um die z-Achse jeder Massekörper 115 in x-Richtung ausgelenkt. Diese Auslenkung ist durch durchgezogene Pfeile in x-Richtung symbolisiert. Die Auslenkungen der Massekörper 115 in x-Richtung sind phasengekoppelt mit den Bewegungen der Massekörper 115 in y-Richtung, die durch die Antriebseinrichtungen 155 bewirkt werden. Auslenkungsrichtungen der beiden Massekörper 115 sind dabei antiparallel, also aufeinander zu oder voneinander weg, je nach Richtung der Drehung um die z-Achse.
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Die Detektionsschwingung des Massekörpers 115 in x-Richtung kann mittels einer symbolisch dargestellten Regeleinrichtung 160 lagerückgeregelt werden („closed-loop-Betrieb”), beispielsweise durch Einsatz elektrostatischer Kräfte. Vorteilhafterweise wird dadurch die Detektionsbewegung in x-Richtung verringert und somit die Kennlinie des Drehratensensors 100 linearisisiert, d. h. die mechanischen Nichtlinearitäten des Drehratensensors 100 werden unterdrückt. Die Lageregelung kann alternativ bezüglich des Halbleitersubstrats 105 oder des Rahmens 125 erfolgen.
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Der Massekörper 115 stellt ein mehrfach gelagertes schwingfähiges System dar, wobei die Schwingfähigkeit in x-Richtung (Antriebsmode) und in y-Richtung (Detektionsmode) aufgrund von Streuungen während einer Herstellung des Drehratensensors 100 üblicherweise nicht miteinander übereinstimmen. Für eine Angleichung der Eigenfrequenzen wird üblicherweise eine von ihnen so beeinflusst, dass die Frequenzen zusammenfallen. Dies wird vorzugsweise durch eine Kraft in einem elektrostatischen Feld bewerkstelligt, wozu entsprechende Elektroden am Rahmen 125 und am Massekörper 115 ausgebildet sein können. In einer Ausführungsform kann die Beeinflussung der Moden durch die Regeleinrichtung 160 erfolgen. In einer anderen Ausführungsform wird der Drehratensensor 100 bei der Herstellung entsprechend kalibriert, beispielsweise durch Lasertrimmen. Durch die Beeinflussung kann erreicht werden, dass die Detektionsschwingung in x-Richtung resonant überhöht erfolgt und somit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird. Man spricht von einem vollresonanten Abgleich.
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2 zeigt den Drehratensensor 100 aus 1 mit einem einzigen piezoresistiven Element 150. Die Darstellung gleicht der aus 1 mit dem Unterschied, dass nur zwei Hebel 140 vorgesehen sind, zwischen denen nur ein piezoelektrisches Element 150 angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 150 ist mit jedem seiner Enden mit einem freien Ende eines der Hebel 140 verbunden.
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Die freien Hebel 140 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Jeder der Hebel 140 ist über eine Ausgleichsfeder 135 mit einem der Massekörper 115 gekoppelt. Das piezoelektrische Element 150 ist parallel zu einer Mittenachse angeordnet.
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Die Antriebseinrichtung 155 in 1 und 2 kann mit einer etwa sinusförmig oder rechteckförmig wechselnden Antriebsspannung angesteuert werden. Im Allgemeinen stört die Antriebsspannung den Messvorgang mittels des bzw. der piezoelektrischen Elemente 150. Um eine signaltechnische Trennung von Antrieb und Detektion zu erreichen, sind verschiedene Vorgehensweisen möglich.
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In einer ersten Variante kann ein Zeitmultiplex-Verfahren verwendet werden. Dazu kann in den Halbphasen, in denen keine Antriebsspannung an der Antriebseinrichtung 155 anliegt, ein Messpuls in das piezoresistive Element 150 eingespeist werden und eine Messung der auf das piezoresistive Element 150 wirkenden Kräfte durchgeführt werden. In einer zweiten Variante kann der Messstrom durch das piezoresistive Element 150 mit einer anderen Frequenz als der Antriebsfrequenz moduliert werden, so dass die beiden Signale durch Frequenzfilter voneinander trennbar sind. In einer dritten Variante können die Antriebseinrichtungen 155 galvanisch vom restlichen Drehratensensor 100 getrennt werden. Dazu können Isolationsgräben („isolation trenches”) ins Halbleitersubstrat 105 eingebracht werden, die mit einem isolierenden Material, etwa einem Oxid, verfüllt sein können.
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Eine dritte Variante ist in 3 dargestellt. 3 zeigt den Drehratensensor 100 nach 1, wobei jeder der Hebel 140 durch ein Trennelement 310 elektrisch unterbrochen aber gleichzeitig mechanisch verbunden ist, so dass ein Strompfad durch jedes der piezoresistiven Elemente 150 zwischen zugeordneten Ankerpunkten 145 vom restlichen Drehratensensor 100 getrennt verläuft. Das Trennelement 310 ist vorzugsweise als Isolationsgraben im Hebel 140 ausgeführt. Eine elektrische Verbindung mit einem Auswertungsschaltkreis erfolgt über die vom Halbleitersubstrat 105 elektrisch isolierten Ankerpunkte 145.
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In einer vierten Variante, die in 4 dargestellt ist, sind die durch die piezoresistiven Elemente 150 führenden Strompfade so gewählt, dass sie durch kein Element des Drehratensensor 100 durchlaufen, das mit einer Antriebsspannung der Antriebseinrichtung 115 in elektrischer Verbindung steht. 4 zeigt den Drehratensensor 100 aus 2, wobei die piezoresistiven Elemente 150 jeweils zwischen einem der Hebel 140 und einem Aufhängungspunkt 410 angeordnet sind, wobei die Aufhängungspunkte 410 elektrisch isolierend am Halbleitersubstrat 105 befestigt sind. Zwischen den Hebeln 140 ist eine Ausgleichsfeder 420 angeordnet, die in x-Richtung beweglich und in y-Richtung starr ist. Zudem ist jeder Hebel 140 mittels einer der Auswertefedern 135 mit einem der Masseelemente 115 verbunden. Die Biegestege 147 sind parallel zu den Hebeln 140 angeordnet.
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Wenn eine mechanische Subtraktion der Bewegungen der Massekörper 115 in x-Richtung in der in 4 gezeigten Darstellung nicht erfolgt, ist eine elektrische Signalverarbeitung entsprechend 5 erforderlich. 5 zeigt einen elektrischen Signalmischer 500 für den Drehratensensor aus 4. Der Signalmischer 500 umfasst eine so genannte Wheatstone-Brücke, die aus den beiden piezoresistiven Elementen 150 aus 4 und zwei Messwiderständen 510 aufgebaut ist, und ein Subtrahierer 520. An einer konstanten Messspannung UM sind jeweils ein Messwiderstand 510 und ein piezoresistives Element 150 in Serie geschaltet. Der Subtrahierer 520 bildet auf elektrischem Wege eine Differenz zwischen den Spannungen, die sich jeweils zwischen einem der Messwiderstände 510 und dem ihm zugeordneten piezoresistiven Element 150 einstellt. Durch Variieren eines der Messwiderstände 150 kann der Signalmischer abgeglichen werden, um Imperfektionen des mechanischen Aufbaus des Drehratensensors 100 zu kompensieren.
