DE102010061759B4

DE102010061759B4 - Drehratensensor mit ineinander liegenden Coriolis-Elementen

Info

Publication number: DE102010061759B4
Application number: DE102010061759.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Ohms; Daniel Christoph Meisel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2030-11-24
Also published as: US8746065B2; US20120125098A1; DE102010061759A1

Abstract

Drehratensensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisendem Substrat (2), einem ersten Coriolis-Element (10) und einem zweiten Coriolis-Element (10'), wobei das erste Coriolis-Element (10) und das zweite Coriolis-Element (10') entlang einer Antriebsrichtung (300) antreibbar sind, wobei eine erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements (10) entlang einer senkrecht zur Antriebsrichtung (300) verlaufenden Detektionsrichtung (200) und eine zweite Auslenkung des zweiten Coriolis-Elements (10') entlang der Detektionsrichtung (200) detektierbar sind, wobei das erste Coriolis-Element (10) einen ersten Massenschwerpunkt (S1) und das zweite Coriolis-Element (10') einen zweiten Massenschwerpunkt (S2) aufweisen, wobei das erste Coriolis-Element (10) entlang der Antriebsrichtung (300) eine erste Ausdehnung und entlang der Detektionsrichtung (200) eine zweite Ausdehnung aufweist, wobei das zweite Coriolis-Element (10`) entlang der Antriebsrichtung (300) eine dritte Ausdehnung und entlang der Detektionsrichtung (200) eine vierte Ausdehnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Antriebsrichtung (300) weniger als 30% der ersten Ausdehnung und weniger als 30% der dritten Ausdehnung beträgt und/oder dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Detektionsrichtung (200) weniger als 30% der zweiten Ausdehnung und weniger als 30% der vierten Ausdehnung beträgt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. In der Druckschrift DE 101 08 196 A1 wird beispielsweise ein Drehratensensor mit einem ersten und einem zweiten Coriolis-Element offenbart, wobei das erste Coriolis-Element mit dem zweiten Coriolis-Element über ein Koppelelement verbunden ist, wobei das erste und das zweite Coriolis-Element zu einer Schwingung entlang einer ersten Richtung angetrieben werden (im Folgenden als Anregungsmode oder Antriebsschwingung bezeichnet), wobei durch eine Coriolis-Kraft eine Auslenkung des ersten und des zweiten Coriolis-Element senkrecht zur ersten Richtung bewirkt wird (im Folgenden als Detektionsmode oder Detektionsschwingung bezeichnet), wobei die Auslenkung mittels eines Detektionsmittels, insbesondere mittels einer Elektrodenanordnung, messbar ist. Mittels des Drehratensensors lässt sich dadurch eine senkrecht zur ersten Richtung wirkende Drehrate bestimmen. Ferner offenbart die Druckschrift, dass das erste und das zweite Coriolis-Element vorzugsweise zu einer gegenphasigen Schwingung entlang der ersten Richtung angetrieben werden, wobei durch eine senkrecht zur ersten Richtung wirkende Drehrate eine entgegengesetzte Auslenkung zwischen dem ersten und zweiten Coriolis-Element resultiert, so dass eine differenzielle Bestimmung der Drehrate ermöglicht wird und somit ein vergleichsweise gutes Signal-Rausch-Verhältnis erzielbar ist. Nachteilig für solche Drehratensensoren sind jedoch ihr verhältnismäßig hoher Bauraumbedarf und ihre vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Drehbeschleunigungen, die sich als Störmoden der Detektionsmode überlagern und somit die Drehratenmessung verfälschen.
Weitere Drehratensensoren sind aus der Druckschrift DE 10 2008 040 525 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass im Ruhezustand des Drehratensensors die Massenschwerpunkte des ersten Coriolis-Elements und des zweiten Coriolis-Elements entlang der Antriebsrichtung und/oder der Detektionsrichtung näherungsweise zusammenfallen, so dass der erfindungsgemäße Drehratensensor besonders bauraumkompakt realisierbar ist und somit eine vereinfachte Integration des erfindungsgemäßen Drehratensensors ermöglicht wird. Wird der erfindungsgemäße Drehratensensor ferner derart betrieben, dass das erste und zweite Coriolis-Element zu zueinander gegenphasigen Antriebsschwingungen entlang der Antriebsrichtung angetrieben werden, so dass bei Einwirkung einer Coriolis-Kraft das erste und das zweite Coriolis-Element zueinander entgegengesetzt entlang der Detektionsrichtung ausgelenkt werden, so versteht sich für den Fachmann, dass bei geringem Abstand der Massenschwerpunkte des ersten Coriolis-Elements und des zweiten Coriolis-Elements entlang der Antriebsrichtung und/oder der Detektionsrichtung Störmoden, insbesondere auf Grund von Drehbeschleunigen, vorteilhaft unterdrückt werden und somit Drehratenmessungen mit besonders hoher Genauigkeit ermöglicht werden. Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist vorzugsweise als Ω_x-Sensor ausgebildet, d. h. zur Messung einer parallel zur Haupterstreckungsebene wirkenden Drehrate, wobei die Drehrate durch eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene resultierende Auslenkung des ersten und des zweiten Coriolis-Elements detektiert wird. Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass der erfindungsgemäße Drehratensensor als Ω_z-Sensor ausgebildet ist, d. h. zur Messung einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene wirkenden Drehrate, wobei die Drehrate durch eine parallel zur Haupterstreckungsebene resultierende Auslenkung des ersten und des zweiten Coriolis-Elements detektiert wird. Ferner kann der erfindungsgemäße Drehratensensor auch simultan als Ω_x-Sensor und Ω_z-Sensor ausgebildet sein, so dass ein besonders flexibler Einsatz des erfindungsgemäßen Drehratensensors möglich ist. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Drehratensensor mit vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar, beispielsweise in einem Standard-Mikromechanik-Herstellungsverfahren, wobei das Substrat bevorzugt ein Halbleitersubstrat umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Ruhezustand des Drehratensensors der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt und dem zweiten Massenschwerpunkt entlang der Antirebsrichtung weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und besonders bevorzugt weniger als 1% der ersten Ausdehnung und der dritten Ausdehnung beträgt und/oder dass im Ruhezustand des Drehratensensors der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt und dem zweiten Massenschwerpunkt entlang der Detektionsrichtung weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und besonders bevorzugt weniger als 1 % der zweiten Ausdehnung und der vierten Ausdehnung beträgt. Fallen der erste und der zweite Massenschwerpunkt im Wesentlichen vollständig zusammen, so sind auf besonders vorteilhafte Weise Störmoden auf Grund von wirkenden Drehbeschleunigungen nahezu vollständig kompensierbar. Erfindungsgemäß lässt sich ein derartiger Drehratensensor beispielsweise vergleichsweise einfach durch lokale Variationen der Materialdichte des ersten und des zweiten Coriolis-Elements innerhalb eines Standard-Mikromechanik-Herstellungsverfahrens realisieren.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das erste Coriolis-Element eine erste Gitterstruktur aufweist, wobei das zweite Coriolis-Element eine zweite Gitterstruktur aufweist, wobei die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur zum Ineinandergreifen konfiguriert sind, wobei die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur bevorzugt ineinander verschachtelt sind. In diesem Zusammenhang bedeutet „verschachtelt“, dass eine Projektion der ersten Gitterstruktur entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Projektionsrichtung und eine Projektion der zweiten Gitterstruktur entlang der senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Projektionsrichtung zumindest teilweise überlappen. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, das erste und das zweite Coriolis-Element derart ineinander verschachtelt anzuordnen, dass ein besonders bauraumkompakter Drehratensensor realisierbar ist und der Abstand zwischen dem erstem Massenschwerpunkt und dem zweiten Massenschwerpunkt besonders gering gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass das erste Coriolis-Element und/oder das zweite Coriolis-Element jeweils einen Schichtaufbau aufweisen, wobei der Schichtaufbau eine funktionale Ebene und mindestens eine zweite funktionale Ebene umfasst, wobei die erste funktionale Ebene und die zweite funktionale Ebene sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Richtung übereinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß bevorzugt weist die erste funktionale Ebene eine Teilgitterstruktur mit parallel zu einer ersten Teilgitterrichtung angeordneten ersten Stegen auf, wobei die zweite funktionale Ebene eine zweite Teilgitterstruktur mit parallel zu einer zweiten Teilgitterrichtung angeordneten zweiten Stegen aufweist, wobei die zweite Teilgitterrichtung vorzugsweise senkrecht zur ersten Teilgitterrichtung verläuft. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, eine mechanisch stabile Gitterstruktur des ersten und/oder zweiten Coriolis-Elements bei vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand zu realisieren und eine verschachtelte Anordnung zwischen dem ersten und dem zweiten Coriolis-Element zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin besonders bevorzugt, dass der Schichtaufbau eine dritte funktionale Ebene umfasst, wobei die dritte funktionale Ebene sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt und entlang der senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Richtung über der zweiten funktionalen Ebene angeordnet ist, wobei die dritte funktionale Ebene vorzugsweise eine dritte Teilgitterstruktur mit parallel zu einer dritten Teilgitterrichtung angeordneten dritten Stegen aufweist, wobei die dritte Teilgitterrichtung vorzugsweise senkrecht zur zweiten Teilgitterrichtung verläuft. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, das erste und/oder zweite Coriolis-Element besonders robust zu realisieren und die Steifigkeit des ersten und/oder des zweiten Coriolis-Elements gegenüber Verbiegungen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zu erhöhen. Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, durch an der dritten funktionalen Ebene angebrachte Koppelelemente zwischen erstem und zweiten Coriolis-Element eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende gegenphasige Störschwingung zwischen dem ersten Coriolis-Element und dem zweiten Coriolis-Element zu höheren Frequenzen hin zu verschieben. Dadurch ist eine vorteilhafte Unterdrückung von Störmoden möglich.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das erste Coriolis-Element und das zweite Coriolis-Element im Wesentlichen baugleich zueinander sind. Im Sinne der Erfindung bedeutet „im Wesentlichen baugleich“, dass das erste Coriolis-Element durch eine eine Translation und/oder eine Rotation und/oder eine Spiegelung aufweisende Transformation mit dem zweiten Coriolis-Element derart zur Deckung bringbar ist, dass eine Projektion des transformierten ersten Coriolis-Elements entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Projektionsrichtung eine erste Projektionsfläche bildet und dass eine Projektion des zweiten Coriolis-Elements entlang der senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Projektionsrichtung eine zweite Projektionsfläche bildet, wobei die erste und die zweite Projektionsfläche einen flächenmäßigen Überlapp bilden, wobei der flächenmäßige Überlapp bevorzugt mehr als 70% der Gesamt-Projektionsfläche aus erster und zweiter Projektionsfläche, besonders bevorzugt mehr als 90% der Gesamt-Projektionsfläche und ganz besonders bevorzugt mehr als 95% der Gesamt-Projektionsfläche beträgt. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine hohe Symmetrie des erfindungsgemäßen Drehratensensors realisiert, so dass eine Messung einer mit hoher Genauigkeit erzielbar ist.
Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass das erste Coriolis-Element zu einer ersten Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung antreibbar ist, wobei das zweite Coriolis-Element zu einer zweiten Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung antreibbar ist, wobei bevorzugt die erste Antriebsschwingung gegenphasig zur zweiten Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise bewirkt dadurch eine Coriolis-Kraft eine entgegengesetzte Auslenkung zwischen dem ersten und dem zweiten Coriolis-Element entlang der Detektionsrichtung, so dass eine differenzielle und somit besonders störungsresistente Auswertung einer Drehratenmessung erzielbar ist.
Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das erste und das zweite Coriolis-Element mittels Koppelelemente miteinander verbunden sind, wobei die Koppelelemente bevorzugt eine Wippenstruktur aufweisen, wobei die Koppelelemente bevorzugt über Verankerungsfedern am Substrat verankert sind, wobei die Verankerungsfedern besonders bevorzugt Biegefedern umfassen. In vorteilhafter Weise ist es erfindungsgemäß möglich, die Wippenstruktur derart auszubilden, dass gleichphasige Detektionsschwingungen des ersten und zweiten Coriolis-Elements unterdrückt bzw. zu höheren Frequenzen verschoben werden, wobei gegenphasige Detektionsschwingungen des ersten und zweiten Coriolis-Elements kaum oder im Wesentlichen nicht beeinflusst werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, Störmoden, die eine gleichphasige Schwingung des ersten und zweiten Coriolis-Elements hervorrufen, signifikant zu unterdrücken oder auf einfache Weise von den Detektionsmoden zu trennen, so dass eine hohe Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Drehratensensors erzielbar ist.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass das erste Coriolis-Element einen ersten Coriolis-Rahmen und ein erstes Detektions-Element umfasst, wobei das erste Detektions-Element mittels erster Federelemente mit dem ersten Coriolis-Rahmen verbunden ist, und/oder dass das zweite Coriolis-Element einen zweiten Coriolis-Rahmen und ein zweites Detektions-Element umfasst, wobei das zweite Detektions-Element mittels zweiter Federelemente mit dem zweiten Coriolis-Rahmen verbunden ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die ersten und/oder zweiten Federelemente weich entlang der Antriebsrichtung und steif entlang der Detektionsrichtung ausgebildet sind. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass das erste Detektions-Element im Wesentlichen lediglich eine durch eine Coriolis-Kraft bewirkte erste Detektionsschwingung entlang der Detektionsrichtung ausführt und/oder dass das zweite Detektions-Element im Wesentlichen lediglich eine durch die Coriolis-Kraft bewirkte zweite Detektionsschwingung entlang der Detektionsrichtung ausführt, so dass Antriebsschwingungen und Detektionsschwingungen im Wesentlichen vorteilhaft voneinander entkoppelbar sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine besonders störungsresistente Messung des Drehratensensors gegenüber Störungsbewegungen in Antriebsrichtung zu erzielen.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass der Drehratensensor ein erstes Detektionsmittel zur Messung der ersten Auslenkung und/oder ein zweites Detektionsmittel zur Messung der zweiten Auslenkung aufweist, wobei das erste und/oder das zweite Detektionsmittel bevorzugt als bezüglich des Substrats feststehende Elektrodenanordnung ausgebildet sind, wobei die Elektrodenanordnung mit dem ersten Coriolis-Element eine erste elektrische Kapazität bildet und/oder wobei die Elektrodenanordnung mit dem zweiten Coriolis-Element eine zweite elektrische Kapazität bildet. Dadurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die erste Auslenkung über eine Änderung der ersten elektrischen Kapazität und/oder die zweite Auslenkung über eine Änderung der zweiten elektrischen Kapazität zu vermessen. Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung als Fingerelektrodenstruktur ausgebildet und zum Ineinandergreifen mit der ersten und/oder zweiten Gitterstruktur konfiguriert. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, das erste und/oder das zweite Detektionsmittel derart in den erfindungsgemäßen Drehratensensor zu integrieren, dass ein besonders kompakter Drehratensensor realisierbar ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das erste Coriolis-Element und das zweite Coriolis-Element voneinander galvanisch getrennt sind, wobei das erste Coriolis-Element und das zweite Coriolis-Element eine elektrische Kapazität bilden. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass eine relative Auslenkung zwischen dem ersten und dem zweiten Coriolis-Element über eine Änderung der elektrischen Kapazität bestimmbar ist, wobei die relative Auslenkung ein Maß für eine wirkende Drehrate ist. In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, dass das erste und zweite Coriolis-Element gleichzeitig als Detektionsmittel fungieren, so dass auf ein zusätzliches Detektionsmittel, beispielsweise eine Elektrodenanordnung, verzichtet werden kann und somit der erfindungsgemäße Drehratensensor besonders kostengünstig und kompakt herstellbar ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen

1a,b eine schematische Aufsicht eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements des erfindungsgemäßen Drehratensensor in einer voneinander getrennten Anordnung und einer verschachtelten Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements in einer verschachtelten Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements in einer verschachtelten Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 eine schematische Aufsicht eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements in einer voneinander getrennten Anordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements in einer verschachtelten Anordnung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
In den Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1a ist eine schematische Aufsicht eines ersten Coriolis-Elements 10 und eines zweiten Coriolis-Elements 10' dargestellt, wobei das erste Coriolis-Element 10 und das zweite Coriolis-Element 10` oberhalb eines eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisenden Substrats 2 angeordnet sind, wobei das erste Coriolis-Element 10 einen ersten Massenschwerpunkt S1 und das zweite Coriolis-Element 10` einen zweiten Massenschwerpunkt S2 aufweist. Das erste Coriolis-Element 10 umfasst einen ersten Schichtaufbau, wobei der erste Schichtaufbau eine sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende erste funktionale Ebene 30 und eine sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende zweite funktionale Ebene 40 aufweist, wobei die zweite funktionale Ebene 40 entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Richtung über der ersten funktionalen Ebene 30 angeordnet ist. Die erste funktionale Ebene 30 weist eine erste Teilgitterstruktur mit im Wesentlichen parallel zu einer ersten Teilgitterrichtung angeordneten ersten Stegen 31 auf, wobei die zweite funktionale Ebene 40 eine zweite Teilgitterstruktur mit im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Teilgitterrichtung angeordneten zweiten Stegen 41 aufweist, wobei die erste Teilgitterrichtung senkrecht zur zweiten Teilgitterrichtung verläuft. Die erste Teilgitterstruktur und die zweite Teilgitterstruktur bilden zusammen eine erste Gitterstruktur des ersten Coriolis-Elements 10. Das erste Coriolis-Element 10 ist ferner mittels erster Aufhängungsfedern 20 und erster Verankerungselemente 21 am Substrat 2 aufgehängt, wobei die ersten Aufhängungsfedern 20 vorzugsweise als U-Federn ausgebildet sind. Analog umfasst das zweite Corioliselement 10` einen zweiten Schichtaufbau mit einer sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckenden dritten funktionalen Ebene 30' und einer sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckenden vierten funktionalen Ebene 40`, wobei die vierte funktionale Ebene 40' entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Richtung über der dritten funktionalen Ebene 30' angeordnet ist. Ferner weist die dritte funktionale Ebene 30' eine dritte Teilgitterstruktur mit im Wesentlichen parallel zu einer dritten Teilgitterrichtung angeordneten dritten Stegen 31' auf, wobei die vierte funktionale Ebene 40' eine vierte Teilgitterstruktur mit im Wesentlichen parallel zu einer vierten Teilgitterrichtung angeordneten vierten Stegen 41' aufweist, wobei die dritte Teilgitterrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der vierten Teilgitterrichtung verläuft, so dass die dritte Teilgitterstruktur und die vierte Teilgitterstruktur eine zweite Gitterstruktur des zweiten Coriolis-Elements 10` bilden. Das zweite Coriolis-Element 10' ist weiterhin mittels zweiter Aufhängungsfedern 20' und zweiter Verankerungselemente 21' am Substrat 2 verankert, wobei die zweiten Aufhängungsfedern 20` vorzugsweise als U-Federn ausgebildet sind. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' sind das erste und das zweite Coriolis-Element 10, 10` im Wesentlichen baugleich zueinander ausgebildet.
1b zeigt eine schematische Aufsicht des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10', wobei das erste und das zweite Coriolis-Element 10, 10' ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei das erste und das zweite Coriolis-Element 10, 10` ferner über Koppelelemente 50 miteinander gekoppelt sind. Durch die verschachtelte Anordnung von erstem und zweitem Coriolis-Element 10, 10' ist der erfindungsgemäße Drehratensensor 1 besonders bauraumkompakt realisierbar, wobei ferner der erste und zweite Massenschwerpunkt S1, S2 einen vorteilhaft geringen Abstand zueinander aufweisen, so dass der erfindungsgemäße Drehratensensor 1 vergleichsweise unempfindlich gegenüber Störmoden ist. Es versteht sich für den Fachmann, dass im Herstellungsprozess des erfindungsgemäßen Drehratensensors 1 durch lokale Variation der Materialdichten des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Massenschwerpunkt S1, S2 vergleichsweise einfach minimiert werden kann.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ähnlich wie in 1b dargestellt das erste und zweite Coriolis-Element 10, 10' ineinander verschachtelt angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das erste und das zweite Coriolis-Element 10, 10' galvanisch voneinander getrennt sind, wobei die zweiten Stege 41 als Elektroden fungieren, wobei die vierten Stege 41' als Gegenelektroden fungieren, so dass die zweiten Stege 41 und die vierten Stege 41' eine elektrische Kapazität 60 bilden. Erfindungsgemäß ist es hierdurch vorteilhaft möglich, eine relative Auslenkung entlang einer Detektionsrichtung 200 zwischen erstem und zweitem Coriolis-Element 10, 10` über eine Änderung der elektrischen Kapazität 60 zu vermessen.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die zweite Ausführungsform der ersten Ausführungsform ähnelt, wobei das erste und zweite Coriolis-Element 10, 10' ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei die zweite Ausführungsform eine Elektrodenanordnung aus bezüglich des Substrats 2 feststehenden Gegenelektroden 70 vorsieht, wobei die Gegenelektroden 70 vorzugsweise am Substrat 2 fest verankert sind. Die Elektrodenanordnung ist als Fingerelektrodenstruktur ausgebildet und zum Ineinandergreifen mit der ersten Gitterstruktur des ersten Coriolis-Elements 10 und der zweiten Gitterstruktur des zweiten Coriolis-Elements 10` derart konfiguriert, dass die zweiten Stege 41 mit den Gegenelektroden 70 eine erste elektrische Kapazität 61 bilden, wobei die vierten Stege 41' mit den Gegenelektroden 70 eine zweite elektrische Kapazität 61' bilden. Erfindungsgemäß ist es dadurch vorteilhaft möglich, dass eine erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements 10 entlang der Detektionsrichtung 200 über eine Änderung der ersten elektrischen Kapazität 61 bestimmbar ist, wobei eine zweite Auslenkung des zweiten Coriolis-Elements 10' entlang der Detektionsrichtung 200 über eine Änderung der zweiten elektrischen Kapazität 61' bestimmbar ist.
4 zeigt eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die dritte Ausführungsform der zweiten Ausführungsform ähnelt, wobei das erste Coriolis-Element 10 einen ersten Coriolis-Rahmen 11, ein erstes Detektions-Element 12 und ein erstes Antriebselement 80 umfasst, wobei der erste Coriolis-Rahmen 11 mittels erster Aufhängungsfedern 20 und erster Verankerungselemente 21 am Substrat 2 verankert ist, wobei das erste Detektions-Element 12 mittels erster Anbindungsfedern 22 am Substrat 2 verankert ist, wobei das erste Antriebselement 80 mechanisch starr mit dem ersten Coriolis-Rahmen 11 verbunden ist, wobei das erste Antriebselement 80 ferner über erste Antriebsfedern 51 mit dem ersten Detektions-Element 12 verbunden ist. Das erste Antriebsmittel 80 umfasst vorzugsweise einen Plattenkondensatorantrieb mit einer Fingerstruktur (sogenannte Interdigitalstruktur) und treibt das erste Coriolis-Element 10 zu einer ersten Antriebsschwingung entlang einer Antriebsrichtung 300 an. Analog umfasst das zweite Coriolis-Element 10` einen zweiten Coriolis-Rahmen 11', ein zweites Detektions-Element 12' und ein zweites Antriebselement 80', wobei der zweite Coriolis-Rahmen 11' mittels zweiter Aufhängungsfedern 20' und zweiter Verankerungselemente 21' am Substrat 2 verankert ist, wobei das zweite Detektions-Element 12' mittels zweiter Anbindungsfedern 22' am Substrat 2 verankert ist, wobei das zweite Antriebselement 80` mechanisch fest mit dem zweiten Coriolis-Rahmen 11' verbunden ist, wobei das zweite Antriebselement 80' ferner über zweite Antriebsfedern 51' mit dem zweiten Detektions-Element 12' verbunden ist, wobei das zweite Antriebselement 80' das zweite Coriolis-Element 10` zu einer zweiten Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung 300 antreibt. Das erste Coriolis-Element 10 ist ferner mit dem zweiten Coriolis-Element 10` über nicht dargestellte Koppelelemente 50 verbunden. Die ersten und zweiten Aufhängungsfedern 20, 20' sind vorzugsweise weich entlang der Antriebsrichtung 300 und steif entlang einer zur Antriebsrichtung 300 senkrecht verlaufenden Detektionsrichtung 200 ausgebildet, so dass der erste und zweite Coriolis-Rahmen 11, 11' im Wesentlichen lediglich entlang der Antriebsrichtung 300 beweglich sind. Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die ersten und zweiten Antriebsfedern 51, 51' steif entlang der Antriebsrichtung 300 und weich entlang der Detektionsrichtung 200 ausgebildet sind, so dass das erste und zweite Detektions-Element 12, 12' sowohl entlang der Antriebsrichtung 300 als auch entlang der Detektionsrichtung 200 beweglich ist. Gemäß der abgebildeten dritten Ausführungsform ist der Drehratensensor 1 beispielsweise als Ω_z-Sensor ausgebildet, so dass die Detektionsrichtung 200 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 verläuft. Eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 wirkende Drehrate bewirkt demnach eine Coriolis-Kraft derart, dass das erste und das zweite Detektions-Element 12, 12' entlang der parallel zur Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Detektionsrichtung 200 ausgelenkt werden, wobei die Auslenkung des ersten und des zweiten Detektions-Elements 12, 12' mittels der Gegenelektroden 70 über eine Änderung der ersten und zweiten elektrischen Kapazität 61, 61' bestimmbar ist. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die erste Antriebsschwingung gegenphasig zur zweiten Antriebsschwingung ist. In vorteilhafter Weise sind dadurch die durch die Coriolis-Kraft bewirkte erste und zweite Auslenkung entlang der Detektionsrichtung 200 entgegengesetzt zueinander, so dass eine differenzielle und somit besonders störungsresistente Messung des erfindungsgemäßen Drehratensensors 1 ermöglicht wird. Es versteht sich für den Fachmann, dass der erfindungsgemäße Drehratensensor 1 ebenso auch als Ω_x-Sensor ausgebildet sein kann.
5 zeigt eine schematische Aufsicht eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements 10, 10' in einer voneinander getrennten Anordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der dritten Ausführungsform ähnelt, wobei im Gegensatz zur dritten Ausführungsform das erste und zweite Detektions-Element 12, 12' jedoch nicht am Substrat 2 verankert sind, sondern lediglich über erste und zweite Federelemente 52, 52' am ersten und zweiten Coriolis-Rahmen 11, 11' aufgehängt sind. Ferner ist gemäß der vierten Ausführungsform das erste und zweite Antriebselement 80, 80' am ersten und zweiten Coriolis-Rahmen 11, 11' lediglich über erste und zweite Antriebsfedern 51, 51' befestigt. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Antriebsfedern 51, 51 ` steif entlang der Antriebsrichtung 300 und weich entlang der Detektionsrichtung 200 ausgebildet, so dass der erste und zweite Coriolis-Rahmen 11, 11' sowohl entlang der Antriebsrichtung 300 als auch entlang der Detektionsrichtung 200 beweglich sind. Ferner sind die ersten und zweiten Federelemente 52, 52' vorzugsweise steif entlang der Detektionsrichtung 200 und weich entlang der Antriebsrichtung 300 ausgebildet, so dass das erste und zweite Detektions-Element 12, 12' im Wesentlichen lediglich eine erste und zweite Detektionsschwingung entlang der Detektionsrichtung 200 ausführt, jedoch keine erste und zweite Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung 300. In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, die erste und zweite Antriebsschwingung von der ersten und zweiten Detektionsschwingung zu entkoppeln, so dass Störmoden erheblich reduzierbar sind.
6 zeigt eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das in 5 beschriebene erste und zweite Coriolis-Element 10, 10` der vierten Ausführungsform ineinander verschachtelt angeordnet sind, wobei das erste und zweite Coriolis-Element 10, 10` über nicht dargestellte Koppelelemente 50 miteinander gekoppelt sind, wobei eine erste und zweite Auslenkung des ersten und zweiten Detektions-Elements 12, 12' entlang der Detektionsrichtung 200 unter Verwendung von Gegenelektroden 70 bestimmbar ist.
7 zeigt eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die sechste Ausführungsform der fünften Ausführungsform ähnelt, wobei die Koppelelemente 50 eine Wippenstruktur 53 aufweisen, wobei die Koppelemente 50 vorzugsweise über Verankerungsfedern am Substrat 2 verankert sind, wobei die Verankerungsfedern vorzugsweise Biegefedern umfassen. Die Wippenstruktur 53 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass gleichphasige Schwingungen zwischen dem ersten und zweiten Coriolis-Element 10, 10` entlang der Detektionsrichtung 200 unterdrückt bzw. zu höheren Frequenzen verschoben werden, wobei gegenphasige Schwingungen zwischen dem ersten und zweiten Coriolis-Element 10, 10` entlang der Detektionsrichtung 200 kaum oder im Wesentlichen nicht beeinflusst werden. Erfindungsgemäß lassen sich dadurch Störmoden vorteilhaft unterdrücken, so dass eine hohe Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Drehratensensors 1 erzielbar ist.
8 zeigt eine perspektivische Darstellung eines ersten und eines zweiten Coriolis-Elements 10, 10' in einer verschachtelten Anordnung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die siebte Ausführungsform der in 2 beschriebenen zweiten Ausführungsform ähnelt, wobei der erste und zweite Schichtaufbau des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' eine sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende fünfte funktionale Ebene 90 und eine sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende sechste funktionale Ebene 90' aufweisen, wobei die fünfte funktionale Ebene 90 und die sechste funktionale Ebene 90` eine fünfte Teilgitterstruktur und eine sechste Teilgitterstruktur aufweisen, wobei die fünfte Teilgitterstruktur im Wesentlichen parallel zu einer fünften Teilgitterrichtung angeordnete fünfte Stege 91 umfasst, wobei die fünfte Teilgitterrichtung im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Teilgitterrichtung verläuft. Analog umfasst die sechste Teilgitterstruktur im Wesentlichen parallel zu einer sechsten Teilgitterrichtung angeordnete sechste Stege 91', wobei die sechste Teilgitterrichtung im Wesentlichen senkrecht zur vierten Teilgitterrichtung verläuft. In vorteilhafter Weise ist es durch diese Anordnung möglich, eine besonders robuste erste und zweite Gitterstruktur des ersten und zweiten Coriolis-Elements 10, 10' zu realisieren und die Verbiegesteifigkeit entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 verlaufenden Richtung zu erhöhen.

Claims

Drehratensensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisendem Substrat (2), einem ersten Coriolis-Element (10) und einem zweiten Coriolis-Element (10'), wobei das erste Coriolis-Element (10) und das zweite Coriolis-Element (10') entlang einer Antriebsrichtung (300) antreibbar sind, wobei eine erste Auslenkung des ersten Coriolis-Elements (10) entlang einer senkrecht zur Antriebsrichtung (300) verlaufenden Detektionsrichtung (200) und eine zweite Auslenkung des zweiten Coriolis-Elements (10') entlang der Detektionsrichtung (200) detektierbar sind, wobei das erste Coriolis-Element (10) einen ersten Massenschwerpunkt (S1) und das zweite Coriolis-Element (10') einen zweiten Massenschwerpunkt (S2) aufweisen, wobei das erste Coriolis-Element (10) entlang der Antriebsrichtung (300) eine erste Ausdehnung und entlang der Detektionsrichtung (200) eine zweite Ausdehnung aufweist, wobei das zweite Coriolis-Element (10`) entlang der Antriebsrichtung (300) eine dritte Ausdehnung und entlang der Detektionsrichtung (200) eine vierte Ausdehnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Antriebsrichtung (300) weniger als 30% der ersten Ausdehnung und weniger als 30% der dritten Ausdehnung beträgt und/oder dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Detektionsrichtung (200) weniger als 30% der zweiten Ausdehnung und weniger als 30% der vierten Ausdehnung beträgt.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Antriebsrichtung (300) weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 % der ersten Ausdehnung und der dritten Ausdehnung beträgt und/oder dass im Ruhezustand des Drehratensensors (1) der Abstand zwischen dem ersten Massenschwerpunkt (S1) und dem zweiten Massenschwerpunkt (S2) entlang der Detektionsrichtung (200) weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5% und ganz besonders bevorzugt weniger als 1 % der zweiten Ausdehnung und der vierten Ausdehnung beträgt
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Coriolis-Element (10) eine erste Gitterstruktur aufweist, wobei das zweite Coriolis-Element (10') eine zweite Gitterstruktur aufweist, wobei die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur zum Ineinandergreifen konfiguriert sind, wobei die erste Gitterstruktur und die zweite Gitterstruktur bevorzugt ineinander verschachtelt sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Coriolis-Element (10) und das zweite Coriolis-Element (10`) im Wesentlichen baugleich zueinander sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Coriolis-Element (10) zu einer ersten Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung (300) antreibbar ist, wobei das zweite Coriolis-Element (10`) zu einer zweiten Antriebsschwingung entlang der Antriebsrichtung (300) antreibbar ist, wobei bevorzugt die erste Antriebsschwingung gegenphasig zur zweiten Antriebsschwingung ist.
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Coriolis-Element (10, 10') mittels Koppelelemente (50) miteinander verbunden sind, wobei die Koppelelemente (50) bevorzugt eine Wippenstruktur (53) aufweisen, wobei die Koppelelemente (50) bevorzugt über Verankerungsfedern am Substrat (2) verankert sind, wobei die Verankerungsfedern besonders bevorzugt Biegefedern umfassen.
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Coriolis-Element (10) einen ersten Coriolis-Rahmen (11) und ein erstes Detektions-Element (12) umfasst, wobei das erste Detektions-Element (12) mittels erster Federelemente (52) mit dem ersten Coriolis-Rahmen (11) verbunden ist, und/oder dass das zweite Coriolis-Element (10') einen zweiten Coriolis-Rahmen (11') und ein zweites Detektions-Element (12') umfasst, wobei das zweite Detektions-Element (12') mittels zweiter Federelemente (52`) mit dem zweiten Coriolis-Rahmen (11') verbunden ist, wobei die ersten Federelemente (52) und/oder die die zweiten Federelemente (52') bevorzugt weich entlang der Antriebsrichtung (300) und steif entlang der Detektionsrichtung (200) ausgebildet sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Coriolis-Element (10) und das zweite Coriolis-Element (10') voneinander galvanisch getrennt sind und eine elektrische Kapazität (60) bilden.