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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensorstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2009 046 506 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehrate bekannt, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Sensorsubstrats erstreckt. Der Sensor umfasst ein erstes und ein zweites Coriolis-Element, welche über einen als Wippe fungierenden starren Koppelbalken und zwei Federn miteinander verbunden sind und zu gegenphasigen Schwingungen parallel und antiparallel zu einer sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckenden Schwingungsachse angeregt werden. Die Coriolis-Elemente sind ferner über weitere Federelemente am Substrat befestigt. Beim Vorliegen einer zur Haupterstreckungsebene parallelen und zur Schwingungsachse senkrechten Drehrate wirken auf das erste und das zweite Coriolis- Element Corioliskräfte, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen und das erste und zweite Coriolis-Element senkrecht zur Haupterstreckungsebene auslenken. Der Drehratensensor weist ferner Detektionsmittel in Form von Flächenelektroden zwischen dem Substrat und den Coriolis-Elementen auf. Die Flächenelektroden überlappen die Coriolis-Elemente senkrecht zur Haupterstreckungsebene, um mit den Coriolis-Elementen eine Plattenkondensatorstruktur zu bilden, welche eine kapazitive Vermessung der Abstandsänderung zwischen den Coriolis-Elementen und den Flächenelektroden ermöglicht. Aus der vermessenden Abstandsänderung wird die Auslenkung der beiden Coriolis-Elemente bestimmt und hieraus die Drehrate differenziell berechnet. Die Nutzung zweier getrennter seismischer Massen ermöglicht dabei eine Unterscheidung zwischen anliegender Drehrate und anliegender Beschleunigung, wobei durch die Kopplung über die Wippe eine gemeinsame Schwingfrequenz für beide seismischen Massen erzielt wird und nur ein Antriebs- und Detektionskreis notwendig ist. Dies ist insbesondere wichtig, da solche Sensorstrukturen üblicherweise resonant bei den jeweiligen Frequenzen betrieben werden. Neben den gewünschten Nutzmoden „Antriebsmode" und „Detektionsmode", gibt es jeweils unerwünschte Parallelmoden, die sich in der Frequenzlage im Stand der Technik nur wenig von den gewünschten antiparallelen Nutzmoden unterscheiden. Vor allem die parallele Detektionsmode kann bei externer Anregung auf Grund der Resonanzüberhöhung zu großen Auslenkungen und somit zu einem Fehlsignal führen. Das ist aufgrund der Anfälligkeit auf Störfrequenzen meist unerwünscht. Daher sind Ausführungsformen für die Anwendung, insbesondere im Automobilbereich, von Interesse, bei denen die Parallelmode in ihrer Frequenzlage möglichst weit über der antiparallelen Nutzmode liegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensorstruktur und der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß den nebengeordneten Ansprüche haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Frequenzabstand zwischen den gewünschten antiparallelen Detektionsmoden und den unerwünschten parallelen Detektionsmoden vergrößert wird. In vorteilhafter Weise wird die Sensorstruktur hierdurch stabiler gegenüber externen Störvibrationen. Die genannten Vorteile werden dadurch erzielt, dass wenigstens die erste seismische Masse über den im Wesentlichen starren Koppelbalken an das Substrat angebunden wird. Der Koppelbalken fungiert dann als eine Art Führungsschiene, der eine starke Auslenkung des äußeren Bereichs, d.h. dem von der Kopplungswippe abgewandten Bereich, unterdrückt. Eine parasitäre Parallelschwingung würde zu einer Verbiegung der Koppelbalkens führen, so dass die parallele Detektionsmode in ihrer Auslenkung stark unterdrückt ist und zu höheren Frequenzen verschoben ist. Insbesondere wird die parasitäre parallele Detektionsmode zu höheren Frequenzen als die gewünschte antiparallele Detektionsmode verschoben. Die Vibrationsempfindlichkeit wird somit gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesteigert. Die wenigstens eine erste Aufhängungsfeder ist insbesondere mittelbar oder unmittelbar an das Substrat angebunden. Die Sensorstruktur weist vorzugsweise ein erstes und zweites Detektionsmittel auf, wobei besonders bevorzugt das erste Detektionsmittel eine mit der ersten seismischen Masse in Auslenkungsrichtung überlappende erste Flächenelektrode und das zweite Detektionsmittel eine mit der zweiten seismischen Masse in Auslenkungsrichtung überlappende zweite Flächenelektrode umfasst. Die erste Flächenelektrode ist insbesondere substratfest zwischen dem Substrat und der ersten seismischen Masse angeordnet und bildet mit der ersten seismischen Masse einen Plattenkondensator zur kapazitiven Vermessung der Auslenkung der ersten seismischen Masse. Analog ist die zweite Flächenelektrode insbesondere substratfest zwischen dem Substrat und der zweiten seismischen Masse angeordnet und bildet mit der zweiten seismischen Masse einen Plattenkondensator zur kapazitiven Vermessung der Auslenkung der zweiten seismischen Masse. Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanic System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der ersten und zweiten beweglichen Masse, der Kopplungswippe und des wenigstens einen Kopplungselements entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eine Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite seismische Masse mittels einer zweiten Aufhängungsfeder am Substrat aufgehängt ist, wobei die Sensorstruktur einen im Wesentlichen starren zweiten Kopplungsbalken umfasst, welcher zwischen der zweite Aufhängungsfeder und zweiten seismischen Masse angeordnet ist, wobei der zweite Kopplungsbalken einer Ruhelage der ersten und zweiten seismischen Masse im Wesentlichen parallel zum ersten Kopplungsbalken ausgerichtet ist. In vorteilhafter Weise werden somit eine wirksame Unterdrückung der parallelen Detektionsmode und insbesondere eine Verschiebung der parallelen Detektionsmode zu höheren Frequenzen erzielt, da sich bei der parallelen Detektionsmode sowohl der erste Kopplungsbalken, als auch der zweite Kopplungsbalken verbiegen müssen. Der erste und der zweite Kopplungsbalken sind aber im Wesentlich starr gegenüber Verbiegungen ausgebildet, so dass eine Unterdrückung dieser Schwingungsmode erzielt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erster Endbereich des ersten Kopplungsbalkens an der ersten seismischen Masse und ein zweiter Endbereich des ersten Kopplungsbalkens an der ersten Aufhängungsfeder befestigt sind, wobei der Kopplungsbalken sich in einer Ruhelage der seismischen Masse im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Wippachse erstreckt. In vorteilhafter Weise wird die erste seismische Masse durch den ersten Kopplungsbalken ferner am Substrat aufgehängt. Die erste Aufhängungsfeder ist insbesondere ein einer substratfesten Substratverankerung befestigt. Der Begriff Ruhelage bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere jene Lage der Sensorstruktur, in welchem die erste und die zweite seismische Masse im Wesentlichen den gleichen Abstand zum Substrat aufweisen (also keine Auslenkung um die Wippachse vorliegt).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Kopplungsbalken im ersten Endbereich um eine zur Wippachse parallele Biegeachse gegenüber der ersten seismischen Masse verbiegbar ist. In vorteilhafter Weise ist eine leichte Verbiegung oder Verkippung des ersten Kopplungsbalkens gegenüber der ersten seismischen Masse im Übergangsbereich zwischen dem ersten Kopplungsbalken und der seismischen Masse möglich, so dass die Bewegungsfreiheit der seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung nicht zu stark eingeschränkt wird. Der erste Kopplungsbalken ist vorzugsweise parallel zur Wippachse deutlich schmaler ausgeführt, als die erste seismische Masse.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein weiterer erster Endbereich des zweiten Kopplungsbalkens an der zweiten seismischen Masse und ein weiterer zweiter Endbereich des zweiten Kopplungsbalkens an der zweiten Aufhängungsfeder befestigt sind. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der zweite Kopplungsbalken im weiteren ersten Endbereich um eine zur Wippachse parallele weitere Biegeachse gegenüber der zweiten seismischen Masse verbiegbar ist. Der zweite Kopplungsbalken ist somit vorzugsweise symmetrisch zum ersten Kopplungsbalken ausgebildet, so dass die Symmetrie der Sensorstruktur gegenüber einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten und durch die Wippachse verlaufenden Symmetrieebene nicht gestört wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kopplungswippe mittels wenigstens einer sich parallel zur Wippachse erstreckenden Torsionsfeder am Substrat angebunden ist und/oder wobei entlang der Auslenkungsrichtung ein Abstand zwischen dem zweiten Endbereich und dem Substrat im Wesentlichen gleich einem Abstand zwischen dem weiteren zweiten Endbereich und dem Substrat ist. Denkbar ist, dass auch ein Abstand zwischen der Torsionsfeder und dem Substrat im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen dem zweiten Endbereich und dem Substrat ist. In vorteilhafter Weise wird somit die Bewegungsfreiheit der ersten und zweiten seismischen Masse auf eine antiparallele Wippbewegung um die Wippachse eingeschränkt, da bei einer parallelen Bewegung der ersten und zweiten seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung aufgrund des begrenzten verfügbaren Bauraums zwischen den Aufhängungsfedern der erste Koppelbalken, der zweite Koppelbalken und/oder die Kopplungswippe verbogen werden müsste.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste seismische Masse ein erstes Coriolis-Element umfasst, welches mittels erster Antriebsmittel zu einer ersten Antriebsschwingung parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Wippachse antreibbar ist, und wobei die zweite seismische Masse ein zweites Coriolis-Element umfasst, welches mittels zweiter Antriebsmittel zu einer zur ersten Antriebsschwingung antiparallen zweiten Antriebsschwingung antreibbar ist. In vorteilhafter Weise ist somit ein Betrieb der Sensorstruktur als Coriolissensor möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Antriebsmittel einen das erste Coriolis-Element parallel zur Haupterstreckungsebene zumindest teilweise umschließenden ersten Antriebsrahmen umfasst, wobei der erste Antriebsrahmen eine erste Öffnung zur Durchführung des ersten Koppelbalkens und eine zweite Öffnung zur Durchführung der Koppelwippe aufweist, und/oder wobei das zweite Antriebsmittel einen das zweite Coriolis-Element parallel zur Haupterstreckungsebene zumindest teilweise umschließenden zweiten Antriebsrahmen umfasst, wobei der zweite Antriebsrahmen eine weitere erste Öffnung zur Durchführung des zweiten Koppelbalkens und eine weitere zweite Öffnung zur Durchführung der Koppelwippe aufweist. In vorteilhafter Weise wird somit ein vergleichsweise bauraumkompakter Aufbau der Sensorstruktur ermöglicht.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Drehratensensor der eine erfindungsgemäße Sensorstruktur aufweist. Vorteilhafterweise wird somit ein Drehratensensor zur Vermessung von Drehraten um eine zur Wippachse parallele Drehachse realisiert, welcher im Vergleich zum Stand der Technik eine reduzierte Vibrationsempfindlichkeit aufweist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1a und 1b eine schematische Draufsicht und eine Schnittbildansicht einer Sensorstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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2a, 2b und 2c schematische Perspektivansichten einer Sensorstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1a und 1b sind eine schematische Draufsicht und eine Schnittbildansicht einer Sensorstruktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensorstruktur 1 weist ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100, eine relativ zum Substrat 2 bewegliche erste seismische Masse 10 und eine relativ zum Substrat 2 bewegliche zweite seismische Masse 20 auf. Die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 sind über Verbindungsfedern 32 jeweils mit einer gemeinsamen und im Wesentlichen starren Kopplungswippe 30 gekoppelt. Die Kopplungswippe 30 ist mittels Torsionsfedern 33 derart an einer substratfesten Substratverankerung 34 befestigt, dass eine Wippbewegung der Kopplungswippe 30 um eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele Wippachse 31 ermöglicht wird. Auf einer der Torsionswippe 33 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Richtung abgewandte Seite ist die erste seismische Masse 10 mit einem ersten Endbereich eines im Wesentlichen starren ersten Kopplungsbalken 12 verbunden. Ein zweiter Endbereich des ersten Kopplungsbalkens 12 ist mit einer ersten Aufhängungsfeder 11 verbunden, welche an einer weiteren substratfesten Substratverankerung 17 angreift. In analoger Weise weist die Sensorstruktur 1 einen zweiten Kopplungsbalken 22 auf, welcher mit einem ersten Endbereich an einer der Torsionswippe 33 entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Richtung abgewandten Seite der zweiten seismischen Masse 20 und welcher mit einem zweiten Endbereich an einer zweiten Aufhängungsfeder 21 befestigt ist. Die zweite Aufhängungsfeder 21 ist an einer weiteren substratfesten Substratverankerung 27 befestigt. In 1a ist zu erkennen, dass die Erstreckung des ersten Kopplungsbalkens 12, des zweiten Kopplungsbalkens 22 und der Kopplungswippe 30 parallel zur Wippachse 31 geringer ist, als die Erstreckung der ersten seismischen Masse 10 und der zweiten seismischen Masse 20. Aus der 1b geht hervor, dass die erste und zweite seismische Masse 10, 20 bei einer Wippenbewegung der Kopplungswippe 30 um die Wippachse 31 sich antiparallel entlang der Auslenkungsrichtung 101 bewegen. Vorzugsweise werden die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 mittels nicht dargestellter Antriebsmittel zu antiparallelen Antriebsschwingungen entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen und zur Wippachse 31 senkrechten Antriebsrichtung 102 angetrieben. Wenn nun eine Drehrate parallel zur Wippachse 31 an der Sensorstruktur 1 anliegt, wirken auf die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 antiparallele Corioliskräfte entlang der Auslenkungsrichtung 101. Die erste und zweite seismische Masse 10, 20 verursachen somit die Wippbewegung um die Wippachse 31 und werden entlang der Auslenkungsrichtung 101 ausgelenkt. Diese Auslenkungen werden mittels einem ersten und einem zweiten Detektionsmittel 40, 41 vermessen, wobei das erste Detektionsmittel 40 eine mit der ersten seismischen Masse 10 in Auslenkungsrichtung 101 überlappende erste Flächenelektrode und das zweite Detektionsmittel 41 eine mit der zweiten seismischen Masse 20 in Auslenkungsrichtung 101 überlappende zweite Flächenelektrode umfasst. Die erste Flächenelektrode ist dabei substratfest zwischen dem Substrat 2 und der ersten seismischen Masse 10 angeordnet und bildet mit der ersten seismischen Masse 10 einen Plattenkondensator zur kapazitiven Vermessung der Auslenkung der ersten seismischen Masse 10. Analog ist die zweite Flächenelektrode 20 substratfest zwischen dem Substrat 2 und der zweiten seismischen Masse 20 angeordnet und bildet mit der zweiten seismischen Masse 20 einen Plattenkondensator zur kapazitiven Vermessung der Auslenkung der zweiten seismischen Masse 20. Eine differenzielle Auswertung der Signale ist dann ein Maß für die Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 und somit für die anliegende Drehrate. Durch die Führung der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 aufgrund des ersten und zweiten Koppelbalkens 12, 22 wird dabei eine gemeinsame und parallele Bewegung der seismischen Massen 10, 20 in Richtung des Substrat 2 oder vom Substrat 2 weg unterdrückt, da sich hierfür der erste und zweite Koppelbalken 12, 22 verbiegen müssten. Mit anderen Worten: Die parasitäre Parallelschwingung der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 wird zu höheren Frequenzen verschoben und entfernt sich somit von der antiparallelen Detektionsschwingung.
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In 2a, 2b und 2c sind schematische Perspektivansichten einer Sensorstruktur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlich der anhand 1a und 1b illustrierten ersten Ausführungsform gleicht und wobei die erste Ausführungsform im Unterschied einen ersten und zweiten Antriebsrahmen 14, 24 zum Antrieb der Antriebsschwingungen entlang der Antriebsrichtung 102 aufweist. Der erste Antriebsrahmen 14 wird mittels erster Kammelektrodenantriebe 18 in eine zur Antriebsrichtung 102 parallele Schwingung versetzt und überträgt diese Schwingung mittels Federn 19 auf die erste seismische Masse 10. Der erste Antriebsrahmen 14 umrahmt dabei teilweise nur die erste seismische Masse 10, da der erste Antriebsrahmen 14 eine erste Öffnung 15 zur Durchführung des ersten Koppelbalkens 12 und eine zweite Öffnung 16 zur Durchführung der Kopplungswippe 30 aufweist. Analog wird der zweite Antriebsrahmen 24 mittels zweiter Kammelektrodenantriebe 28 in eine zur Schwingung des ersten Antriebsrahmens 14 antiparallele Schwingung versetzt. Der zweite Antriebsrahmen 24 überträgt diese antiparallele Schwingung mittels weiterer Federn 29 auf die zweite seismische Masse 20. Der zweite Antriebsrahmen 24 umrahmt die zweite seismische Masse 20 dabei ebenfalls nur teilweise, da der zweite Antriebsrahmen 24 eine weitere erste Öffnung 25 zur Durchführung des zweiten Koppelbalkens 22 und eine weitere zweite Öffnung 26 zur Durchführung der Kopplungswippe 30 aufweist. In 2b ist eine antiparallele Detektionsschwingung, die sogenannte Nutzmode, beim Vorliegen einer Drehrate dargestellt. Es ist zu sehen, dass die antiparallele Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 durch den ersten und zweiten Kopplungsbalken 12, 22 nicht behindert wird. In 2c ist hingegen die ungewünschte parallele Detektionsbewegung, die sogenannte parasitäre Parallelmode, der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 entlang der Auslenkungsrichtung 101 dargestellt. In 2c ist zu sehen, dass eine Verbiegung der Kopplungswippe 30, des ersten Kopplungsbalkens 12 und/oder des zweiten Kopplungsbalkens 22 notwendig ist, um eine solche parasitäre Parallelschwingung zu erzielen. Die parallele Detektionsbewegung ist somit stark unterdrückt und zu hohen Frequenzen verschoben. Durch die Verwendung des getrennten ersten und zweiten Antriebsrahmens 14, 24 ist ferner eine teilweise Entkopplung der Antriebs- und Detektionsbewegung erzielbar, so dass ein Überkoppeln von der Antriebsbewegung in die Detektionsbewegung reduziert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046506 A1 [0002]
