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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 101 08 196 A1 ein Drehratensensor mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehrate bekannt, welche senkrecht auf der Substratebene des Sensors steht. Der Sensor umfasst ein erstes und ein zweites Coriolis-Element, welche über eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel zu einer Antriebsachse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweites Coriolis-Elements parallel zu einer Substratebene aufgrund einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskraft detektieren, so dass die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und einem zweiten Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels abhängig von der Corioliskraft und somit auch abhängig von der Drehrate des Drehratensensors ist. Die Coriolis-Elemente sind dabei über Federelemente beweglich an einen Antriebsrahmen und über den Antriebsrahmen mittelbar an das Substrat angebunden. Die Federelemente sind als U-Federn ausgebildet, welche zwei parallel zueinander verlaufende Biegefedern umfassen, die über ein Kopfstück fest miteinander verbunden sind. Durch eine Verbiegung der Biegefedern wird eine Auslenkung des Antriebsrahmens und des Coriolis-Elements parallel zur Substratebene infolge der Corioliskräfte ermöglicht.
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Darüber hinaus sind Drehratensensoren bekannt, welche zur Detektion einer sich parallel zur Substratebene erstreckenden Drehrate ausgebildet sind. Ein solcher Drehratensensor geht beispielsweise aus der Druckschrift
WO 2005/043 079 A2 hervor. Dieser Drehratensensor weist ein ähnliches Funktionsprinzip auf, wobei die Coriolis-Elemente zu einer Antriebsschwingung um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Drehrate erstreckende Antriebsachse angetrieben werden und aufgrund der Corioliskräfte dann zu Detektionsschwingungen um eine zur Substratebene senkrechte Detektionsachse ausgelenkt werden.
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Bei allen genannten Drehratensensoren sind die Antriebsschwingung und die Detektionsschwingung nicht vollständig voneinander trennbar, so dass sich bedingt durch Fertigungstoleranzen ein Übersprechen von der Antriebsbewegung in die Detektionsbewegung ergibt. Dieses Übersprechen erzeugt nachteiligerweise ein Quadratursignal, dessen Amplitude im Allgemeinen um ein Vielfaches höher ist als das eigentliche Messsignal. Dass Quadratursignal muss in aufwändiger Weise durch geeignete Maßnahmen beim Design des Drehratensensors, beispielsweise aktive beschaltete Kompensationselektroden, und bei der elektrischen Aufbereitung des Messsignals unterdrückt werden. Die Hauptursache für das Quadratursignal bei mikromechanischen Drehratensensoren liegt darin, dass die eingesetzten Federelemente zur Aufhängung der Coriolis-Elemente und Antriebsmittel aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht ideal prozessiert werden können. Werden diese Federelemente durch Kräfte (beispielsweise zum Erzeugen der Antriebsbewegung) belastet, so lenken sie sich nicht nur parallel zur angreifenden Kraft, sondern auch orthogonal zu dieser Richtung (beispielsweise parallel zur Detektionsrichtung) aus, so dass ein Übersprechen der Antriebsbewegung in die Detektionsbewegung erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Quadratursignal erheblich reduziert ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Detektionsfedern im Bereich von Schwingungsknoten auf dem Kraftübertragungsmittel ankoppeln. Vorteilhafterweise bleibt das Kraftübertragungsmittel, wenn die seismische Masse zur Antriebsschwingung angeregt wird, im Bereich der Schwingungsknoten nahezu in Ruhe, so dass eine Verformung der Detektionsfedern aufgrund der Antriebsschwingung unterdrückt wird. Auf diese Weise wird ein Übersprechen der Antriebsschwingung in die Detektionsschwingung unterdrückt, so dass die Bildung eines Quadratursignals minimiert wird. Insbesondere wird somit eine nahezu kraft- und momentfreie Aufhängung des Systems aus seismischer Masse und Kraftübertragungsmittel am Substrat erzielt. Vorteilhafterweise werden somit keine Kompensationsstrukturen oder aufwändige Signalaufbereitung benötigt. Die Detektionsfedern sind jeweils insbesondere mittelbar oder unmittelbar an das Substrat oder an eine Substratverankerung angebunden. Der erfindungsgemäße Drehratensensor 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 seismischen Masse, der Detektionsfedern und des Kraftübertragungsmittel entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eine Lithographie-, Ätz-, Abscheideund/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 das Kraftübertragungsmittel über Federelemente derart mit der seismischen Masse gekoppelt ist, dass das Kraftübertragungsmittel durch die Antriebsschwingung der seismischen Masse zu einer Schwingungsknoten aufweisenden stehenden Welle anregbar ist. In vorteilhafter Weise ist das Kraftübertragungsmittel derart ausgebildet, dass das Kraftübertragungsmittel durch die Anregung aufgrund der Kopplung des Kraftübertragungsmittels mit der in Form der Antriebsschwingung schwingenden seismischen Masse zu einer stehenden Welle angeregt wird. Die stehende Welle bildet dann die Schwingungsknoten aus, welche im Vergleich zu den restlichen Bereichen des Kraftübertragungsmittels nahezu in Ruhe verbleiben, so dass keine Biegebeanspruchung der Detektionsfedern aufgrund der von der seismischen Masse auf das Kraftübertragungsmittel übersprechenden Antriebsschwingung hervorgerufen wird. Das Kraftübertragungsmittel ist vorzugsweise im Bereich der Antriebsachse mit der seismischen Masse gekoppelt, so dass vorteilhafterweise keine translatorischen Bewegungen des Kraftübertragungsmittels senkrecht zur Haupterstreckungsebene hervorgerufen werden. Eine Ruhelage der Schwingungsknoten wird hierdurch begünstigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehratensensor wenigstens eine benachbarte weitere seismische Masse aufweist, welche mittels weiterer Antriebsmittel zu einer weiteren Antriebsschwingung um eine zur Antriebsachse parallele weitere Antriebsachse anregbar ist, wobei die Antriebsschwingung und die weitere Antriebsschwingung gegenphasig zueinander ausgerichtet sind und wobei die seismische Masse und die weitere seismische Masse vorzugsweise durch wenigstens einen Federbereich federelastisch miteinander verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine differenzielle Auswertung der Drehrate ermöglicht. Die Kopplung der seismischen Masse und der weiteren seismischen Masse über den Federbereich ermöglicht vorzugsweise eine Eingrenzung der Bewegungsfreiheitsgrade, so dass die Ausbildung zusätzlicher Schwingungsmoden und insbesondere einer parasitären Parallelmode unterdrückt wird. Der Federbereich umfasst insbesondere einen die seismische Masse und die weitere seismische Masse miteinander verbindenden Bereich von im Vergleich zur seismischen Masse und weiteren seismischen Masse reduzierter Materialstärke, so dass die Steifigkeit des Federbereichs gegenüber der seismischen Masse und der weiteren seismischen Masse reduziert ist und somit federelastische Verbiegung der seismischen Masse gegenüber der weiteren seismischen Masse ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungsmittel über wenigstens eine Antriebsfeder mit der seismischen Masse gekoppelt ist, wobei die Antriebsfeder eine Biegefeder umfasst, welche sich entlang einer zur Drehrate im Wesentlichen parallelen Sensierrichtung zwischen dem Kraftübertragungsmittel und der seismischen Masse oder zwischen einem Fortsatz des Kraftübertragungsmittel und einem weiteren Fortsatz der seismischen Masse erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich die Antriebsfeder ferner parallel zur Antriebsachse. In vorteilhafter Weise wird somit eine Aufhängung der seismischen Masse am Kraftübertragungsmittel erzielt, welche die Ausbildung der Antriebsschwingung der seismischen Masse um die Antriebsachse ermöglicht. Die Antriebsfeder ist insbesondere nach Art eines Filmscharniers mittelbar oder unmittelbar zwischen der seismischen Masse und dem Kraftübertragungsmittel ausgebildet. In das Kraftübertragungsmittel werden über die Antriebsfedern insbesondere lediglich Drehmomente eingebracht, welche zur Ausbildung der stehenden Welle führen. Ferner dienen die Antriebsfedern dazu, zur Detektion der Drehrate die Detektionsbewegung der seismischen Masse um die Detektionsachse auf das Kraftübertragungsmittel zu übertragen. Vorzugsweise sind die als Antriebsfedern ausgebildeten Blattfedern in einer funktionalen Schicht des Drehratensensors derart dimensioniert, dass die Antriebsfedern keine oder zumindest nur eine minimale inhärente Quadraturbewegung aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionsfedern Biegefedern umfassen, deren einer Endbereich in den Schwingungsknoten der stehenden Welle am Kraftübertragungsmittel angreifen und deren anderer Endbereich an einem substratfesten Verankerungspunkt angreifen, wobei die Biegefedern gegenüber einer Verbiegung um eine zur Detektionsachse parallele Biegeachse weicher als gegenüber einer Verbiegung um eine zur Haupterstreckungsebene parallele Biegeachse sind, wobei die Biegefedern vorzugsweise im Wesentlichen radial zur Detektionsachse angeordnet sind. In vorteilhafter Weise ermöglichen die Detektionsfedern somit eine Rotation des Kraftübertragungsmittels um die Detektionsachse infolge der Detektionsschwingung der seismischen Masse. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig durch die Anbindung der Detektionsfedern in den Schwingungsknoten die Entstehung eines Quadratursignals unterdrückt, auch wenn Biegefedern als Balkenfedern grundsätzlich quadraturbehaftet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse ein erstes Massenelement und ein zweites Massenelement umfasst, wobei die Antriebsachse zwischen dem ersten und dem zweiten Massenelement verläuft und wobei das erste und das zweite Massenelement über einen Kopplungsfeder miteinander gekoppelt sind und wobei das erste und das zweite Massenelement vorzugsweise jeweils über eine Antriebsfeder mit dem Kraftübertragungsmittel gekoppelt sind. Vorzugsweise sind sowohl die Antriebsfedern, als auch der Kopplungsfeder zwischen dem ersten und dem zweiten Massenelement angeordnet. Der Kopplungsfeder umfasst insbesondere einen den ersten und den zweiten Massenbereich miteinander verbindenden Bereich von im Vergleich zum ersten und zweiten Massenbereich reduzierter Materialstärke (senkrecht zur Haupterstreckungsebene), so dass die Steifigkeit des Kopplungsfeder gegenüber dem ersten und zweiten Massenbereich reduziert ist und/oder ein Teilbereich des Kraftübertragungsmittels zwischen dem ersten und dem zweiten Massenbereich verlaufen kann, ohne an den Teilbereich angebunden zu sein. Ferner ist denkbar, dass im Bereich der Kopplungsfeder als Antriebsfedern fungiert, wenn der Teilbereich des Kraftübertragungsmittels an den Kopplungsfeder angebunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehratensensor einen Rahmen aufweist, welcher zwei sich parallel zur Sensierrichtung erstreckende Kraftübertragungsmittel und wenigstens einen sich parallel zur Antriebsachse zwischen den beiden Kraftübertragungsmitteln erstreckenden Zwischenabschnitt umfasst, wobei der Zwischenabschnitt vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Massenelement angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine stabile, verwindungssteife und bauraumkompakte Struktur aus Kraftübertragungsmittel und seismischer Masse erzielt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungsmittel mit einer Detektionsstruktur verbunden ist, welche zur Detektion der Detektionsschwingung konfiguriert ist, wobei die Detektionsstruktur starr mit dem Kraftübertragungsmittel verbundene Detektionselektroden und den Detektionselektroden zugeordnete substratfeste Festelektroden umfasst, wobei vorzugsweise die Detektionselektroden im Wesentlichen parallel zur Antriebsachse oder im Wesentlichen radial zur Detektionsachse angeordnet sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine präzise Detektion der Detektionsbewegung zur Bestimmung der Drehrate erzielt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die seismische Masse mittels den Antriebsmitteln zur Antriebsschwingung um die Antriebsachse angeregt wird, wobei die Antriebsschwingung derart in das Kraftübertragungsmittel eingekoppelt wird, dass eine stehende Welle im Kraftübertragungsmittel erzeugt wird, und wobei das Kraftübertragungsmittel mittels Detektionsfedern an den Schwingungsknoten der stehenden Welle fixiert wird. In vorteilhafter Weise wird das Kraftübertragungsmittel an den Schwingungsknoten der stehenden Welle fixiert, so dass keine durch die Antriebsschwingung hervorgerufenen Verbiegungen der Detektionsfedern entstehen und somit die Bildung von Quadratursignalen unterdrückt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch Corioliskräfte hervorgerufene Detektionsschwingung der seismischen Masse um die Detektionsachse mittels einer mit dem Kraftübertragungsmittel starr verbundenen Detektionsstruktur kapazitiv detektiert wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine präzise Vermessung der Detektionsschwingung zur Bestimmung der Drehrate ermöglicht.
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Vorzugsweise sind die als Antriebsfedern ausgebildeten Blattfedern in einer funktionalen Schicht des Drehratensensors derart dimensioniert, dass die Antriebsfedern keine oder zumindest nur eine minimale inhärente Quadraturbewegung aufweisen.
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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, 1b und 1c schematische Ansichten und Detailansichten eines Drehratensensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2a, 2b und 2c schematische Ansichten zur Veranschaulichung der Bewegungen eines Drehratensensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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3a, 3b und 3c schematische Ansichten und Detailansichten eines Drehratensensors 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 ist eine schematische Ansicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drehratensensor 1 weist ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 auf. Das Substrat 2 umfasst vorzugsweise ein Silizium-Substrat, welches in einem Halbleiterherstellungsprozess strukturiert wurde. Der Drehratensensor 1 weist ferner eine seismische Masse 50 und zwei weitere seismische Massen 51 auf, wobei die seismische Masse 50 zwischen den zwei weiteren seismischen Massen 51 angeordnet ist. Die benachbarte seismische Masse 50 und weitere seismische Masse 51 sind optional über einen gemeinsamen Federbereich 52 federelastisch miteinander gekoppelt. Die seismische Masse 50 ist um eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele Antriebsachse 102 schwenkbar und mittels nichtabgebildeter Antriebsmittel zu einer Antriebsschwingung 102‘ in Form einer Drehschwingung um die Antriebsachse 102 antreibbar. Analog sind die weiteren seismischen Massen 51 zu einer weiteren Antriebsschwingung jeweils um eine zur Antriebsachse 102 parallele weitere Antriebsachse antreibbar, wobei die weitere Antriebsschwingung jeweils gegenphasig zur Antriebsschwingung 102‘ ist.
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Der Drehratensensor 1 weist ferner einen geschlossenen Rahmen 43 auf, welcher zwei sich geradlinig und parallel zu einer Sensierachse 103 (parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Antriebsachse 102 verlaufend) erstreckenden Kraftübertragungsmitteln 40 umfasst. Die beiden Kraftübertragungsmittel 40 sind über drei parallel zur Antriebsachse 102 verlaufende Zwischenabschnitte 44 verbunden. Die seismische Masse 50 und die beiden weiteren seismischen Massen 51 umfassen jeweils ein erstes Massenelement 53 und ein zweites Massenelement 54. Das erste und das zweite Massenelement 53, 54 sind jeweils über eine Kopplungsfeder 55 federelastisch oder starr miteinander verbunden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Massenelement 53, 54 verläuft jeweils ein Zwischenabschnitt 44, sowie die Antriebsachse 102 bzw. eine weitere Antriebsachse. Das erste und das zweite Massenelement 53, 54 sind ferner jeweils über eine Antriebsfeder 41 mit dem Zwischenabschnitt 44 und somit mit dem Kraftübertragungsmitteln 40 gekoppelt. Die Antriebsfedern 41 umfassen eine sich flächig parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende Biegefeder, welche nach Art eines Filmscharniers fungiert und die Antriebsschwingung 102‘ der seismischen Masse 50 bzw. die weiteren Antriebsschwingung der weiteren seismischen Massen 51 relativ zu den Kraftübertragungsmitteln 40 erlaubt. Die Kraftübertragungsmittel 40 sind dabei im Bereich der Antriebsachse 102 bzw. weiteren Antriebsachsen mit den seismischen Massen 50, 51 gekoppelt, so dass von den Antriebsschwingungen 102‘ im Wesentlichen nur entsprechende Drehmomente in die Kraftübertragungsmittel 40 eingekoppelt werden (schematisch in 2a illustriert). Die Kraftübertragungsmittel 40 sind derart dimensioniert, dass sich aufgrund dieser Drehmomente eine stehende Welle 70 (schematisch in 2b illustriert) in den Kraftübertragungsmitteln 40 ausbildet. Die stehende Welle 70 weist Schwingungsknoten 71 auf, in welchen das Kraftübertragungsmittel 40 sich im Vergleich zu den übrigen Bereichen des Kraftübertragungsmittels 40 nahezu in Ruhe befindet.
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Der Drehratensensor 1 weist ferner vier Detektionsfedern 30 auf, welche zur Aufhängung des Rahmens 43 am Substrat 2 dienen. Die Detektionsfedern 30 sind hierfür mit dem Kraftübertragungsmitteln 40 derart gekoppelt, dass jeweils ein Endbereich 31 der Detektionsfedern 30 im Bereich eines Schwingungsknotens 71 am Kraftübertragungsmitteln 40 angreift, während ein dem Endbereich 31 abgewandter anderen Endbereich der Detektionsfedern 30 mittelbar oder unmittelbar mit dem Substrat 2 verbunden ist. Aufgrund dieser Positionierung der Detektionsfedern 30 werden keine von den Antriebsschwingungen hervorgerufenen Kräfte oder Momente von den Kraftübertragungsmitteln 40 in die Detektionsfedern 30 eingeleitet, so dass die Detektionsfedern 30 sich auch nicht infolge Antriebsschwingungen verbiegen und die Entstehung von Quadratursignalen somit unterdrückt wird. Gleichzeitig ermöglichen die Detektionsfedern 30 jedoch eine Rotation des Rahmens 43 um eine zur Haupterstreckungsebene 100 senkrecht verlaufende Detektionsachse 101, da die Detektionsfedern 30 gegenüber einer Verbiegung um eine zur Detektionsachse 101 parallele Biegeachse weicher als gegenüber einer Verbiegung um eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele Biegeachse ausgebildet sind.
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Beim Vorliegen einer Drehrate 103‘ parallel zur Sensierachse 103 wirken auf die um die Antriebsachsen 102 schwingenden seismischen Massen 50, 51 Coriolis-Kräfte um die Detektionsachse 101 (schematisch in 2c illustriert), so dass der Rahmen 32 über die Antriebsfedern 41 zu einer Detektionsschwingung 101‘ um die Detektionsachse 101 angeregt wird. Die Kraftübertragungsmittel 40 sind jeweils mit einer Detektionsstruktur 60 verbunden. Jede der beiden Detektionsstrukturen 60 umfasst mit den Kraftübertragungsmitteln 40 starr verbundene Detektionselektroden 61 und entsprechende substratfeste Festelektroden, wobei die Detektionselektroden 61 sich im Wesentlichen radial um die Detektionsachse 101 erstrecken. Eine Detektionsbewegung 101‘ um die Detektionsachse 101 führt somit zu einer Abstandsänderung zwischen den Detektionselektroden 61 und den Festelektroden, welche kapazitiv und differenziell ausgewertet wird und zur Bestimmung der Drehrate 103‘ verwendet wird.
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In 1b ist eine Detailansicht des Drehratensensors 1 gemäß der in 1a illustrierten ersten Ausführungsform dargestellt, wobei die Detailansicht eine seismische Masse 51 und einen Zwischenabschnitt 44 aufweist. In der 1a ist ein Mittelabschnitt 200 zu sehen, in welchem das erste und zweite Massenelement 53, 54 über den im Wesentlichen starren Kopplungsfeder 55 miteinander verbunden sind. Der Kopplungsfeder 55 ist dabei nicht unmittelbar mit dem Zwischenabschnitt 44 verbunden, sondern vom Zwischenabschnitt 44 beabstandet. In den an den Mittelabschnitt 200 angrenzenden Seitenabschnitten 201 sind das erste und zweite Massenelement 53, 54 über Antriebsfedern 41 unmittelbar miteinander und mit dem Zwischenabschnitt 44 gekoppelt. Die Antriebsfeder 41 ist dabei insbesondere als Blattfeder ausgebildet. In 1c ist eine Detailansicht des in 1b illustrierten Mittelabschnitts 200 dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Zwischenabschnitt 44 nicht unmittelbar mit dem Koppelbereich 55 verbunden ist, sondern dass im Mittelabschnitt 200 ein Freiraum 202 zwischen dem Zwischenabschnitt 44 und dem Koppelbereich 55 ausgebildet ist.
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In 2a, 2b und 2c sind Ansichten des Drehratensensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematische und vereinfacht dargestellt, um die Funktionsweise und die Bewegungen von Teilen des Drehratensensors zu veranschaulichen. Die seismischen Massen 50, 51 sind durch die Federbereiche 52 derart miteinander verbunden, dass eine gleichphasige Bewegung deutlich oberhalb der Resonanzfrequenz einer gegenphasigen Bewegung liegt. Weiterhin sind die Antriebsfedern 41 und die Kopplungsfedere 55 als bei der Antriebsschwingung quadraturfreie ausgeführt, damit diese Federn kein Quadratursignal erzeugen. Die Antriebsschwingung ist in 2a in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Es ist zu sehen, dass die seismische Masse 50 um die Antriebsachse 102 und die weiteren seismischen Massen 51 gegenphasig um die weiteren Antriebsachsen schwingen. In den Drehpunkten, d.h. im Bereich der Antriebsachsen 102 und weiteren Antriebsachsen, sind die Kraftübertragungsmittel 40 mit den seismischen Massen 50, 51 über die Antriebsfedern 41 gekoppelt. Die seismischen Massen 50, 51 werden zu den Antriebsschwingungen 102‘ beispielsweise mittels Antriebsmitteln in Form von Flächenelektroden zwischen den seismischen Massen 50, 51 und dem Substrat 2 kapazitiv angeregt (nach Art eines Plattenkondensatorantriebs). In den Kraftübertragungsmittel 40 bildet sich eine stehende Welle 70 aus, welche schematisch in 2b dargestellt ist. Die seismischen Masse 50, 51 die Kraftübertragungsmittel 40 und die Antriebsfedern 41 sind derart ausgebildet, dass die Summe aller in die Kraftübertragungsmittel 40 eingekoppelten Drehmomente und Kräfte im Wesentlichen null ist. Damit werden keine Kräfte auf den Rahmen 43 ausgekoppelt, die ihn in eine Richtung beschleunigen. Allerdings wird an jeder seismischen Masse 50, 51 ein Moment auf die Kraftübertragungsmittel 40 übertragen. Bei geeigneter Kopplung der seismischen Massen 50, 51 die Koppelbereiche 55 ergibt sich eine Schwingungsmode, bei der diese Momente nicht zu einer Pendelbewegung führen sondern die Kraftübertragungsmittel 40 in eine Schwingung versetzen. Im Detail wird der Rahmen 43 dann durch die aufgeprägten Momente einer Biegebelastung ausgesetzt. Fasst man die Kraftübertragungsmittel 40, in denen die schwingenden seismischen Massen 50, 51 verankert sind, als Biegebalken auf, so lässt sich die Biegelinie des Balkens bestimmen. Die Lösung ergibt die in 2b dargestellte Verformung in Form der stehenden Welle 70. Da sich die Momente sinusförmig mit der Schwingfrequenz der Antriebsschwingungen 102‘ ändern entsteht auf den Kraftübertragungsmitteln 40 des Rahmens 43 die stehende Welle mit drei Schwingungsknoten 71 und die resultierenden Biegemomente der Schwingung der Kraftübertragungsmittel 40 kompensieren die von den seismischen Massen 50, 51 in die Kraftübertragungsmittel 40 eingekoppelten Momente. Die Amplitude der stehenden Welle 70 ist maßgeblich durch die Steifigkeit des Rahmens 43 bestimmt, liegt jedoch bei geeignet gewählten Abmessungen deutlich unterhalb von 1 % der Amplitude der Antriebsschwingung 102‘. Die Aufhängung des Rahmens 43 erfolgt durch die Detektionsfedern 30, die in der Regel als quadraturbehaftete Balkenfedern ausgeführt werden müssen. Die Quadratur des vorgestellten Drehratensensors 1 ist daher durch die antriebsproportionale Bewegung an den Detektionsfedern 30 definiert. Die Aufhängepunkte für die Struktur aus dem Rahmen 43 und der seismischen Massen 50, 51 werden durch die Biegung der Kraftübertragungsmittel 40 festgelegt und liegen in den Schwingungsknoten 71, da die Schwingungsknoten 71 bei reiner Antriebsbewegung in Ruhe verbleiben und die Detektionsfedern 30 daher nicht mehr durch antriebsproportionale Kräfte belastet werden. Vorteilhafterweise ist hierdurch das Quadratursignal vernachlässigbar, obwohl die Detektionsfedern 30 als (prinzipiell quadraturbehaftete) Balkenfedern ausgeführt sind.
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Eine Draufsicht auf den Drehratensensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist 2c dargestellt. Beim Vorliegen einer Drehrate 103‘ entlang der Sensierrichtung 103, welche den Antriebsschwingungen entlang den Antriebsachsen überlagert ist, wirken auf die seismischen Massen 50, 51 Corioliskräfte 300, wodurch auf die seismischen Masse 50, 51 entsprechende Drehmomente 301 um parallel zur Detektionsachse 101 verlaufende Achsen. Die Summation über diese Drehmomente 301 ergibt ein auf den Rahmen 43 wirkendes resultierendes Drehmoment, welches den Rahmen 43 in eine Detektionsschwingung um die Detektionsachse 101 versetzt. Diese Detektionsschwingung wird dann mittels der Detektionsstrukturen 60 detektiert. Um ein Detektionssignal zu erhalten müssen die Koppelbereiche 55 zwischen den seismischen Massen 50, 51 und/oder die Antriebsfedern 41 so ausgeführt werden, dass keine Scherbewegungen der seismischen Massen 50, 51 oder der ersten und zweiten Massenelemente 53, 54 gegeneinander möglich sind und eine zur Antriebsbewegung analoge Schwingungsmode unterdrückt wird. Dann reagiert die gesamte Sensorstruktur bezüglich der Coriolismomente als steifer Körper und beginnt bei anliegender Drehrate 103‘ zu rotieren. Eine maximal steife Auslegung der Koppelbereiche 55 und der Antriebsfedern 41 entlang der zur Antriebsachse 102 parallelen Richtung führt zu einem maximalen Messefekt. Diese Eigenschaft wird beispielsweise von (quadraturfreien) den in 1b illustrierten und als Scharnier-Federn ausgebildeten Antriebsfedern 41 erfüllt. Das direkte Entstehen eines Quadratursignals durch eine Biegebelastung der Detektionsfedern 61 ist bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor 1 vernachlässigbar. Eine weitere mögliche Einkopplung eines antriebsproportionalen Signals ist jedoch durch die Biegung der Kraftübertragungsmittel 40 gegeben: Die daran befestigten Detektionselektroden 61 bewegen sich entsprechend der Rahmenbiegung proportional zur Antriebsbewegung und können so ein unerwünschtes antriebsproportionalen Signal einbringen. Durch die symmetrische Ausführung der Detektionselektroden 61 auf beiden Seiten des Kraftübertragungsmittels 40 wird jedoch eine Kompensation dieser Bewegung erzielt. die rotatorische Detektionsbewegung lenkt die beiden Elektrodenflächen 61 gegenphasig aus, wobei alle zur Antriebsbewegung proportionalen Elektrodenbewegungen aufgrund der Verbiegung der Kraftübertragungsmittel 40 in beiden Detektionsstrukturen 60 gleichgerichtet sind. Durch eine differentielle Auswertung wird dieses unerwünschte Signal somit kompensiert und erscheint nicht als Drehratensignal.
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In 3a, 3b und 3c sind schematische Ansichten und Detailansichten eines Drehratensensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 1a illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei im Unterschied der Drehratensensor 1 gemäß der zweiten Ausführungsform keine Zwischenabschnitte 44 aufweist und die seismischen Massen 50, 51 nicht aus ersten und zweiten Massenelementen 53, 54 zusammengesetzt sind. Die Kraftübertragungsmittel 40 weisen für jede seismische Masse 50, 51 jeweils zwei Fortsätze 42 auf, welche in Richtung der seismischen Massen 50, 51 von den Kraftübertragungsmitteln 40 abstehen und zwischen welchen ein entsprechender weiterer Fortsatz 56 der jeweiligen seismischen Masse 50, 51 angeordnet ist. Zwischen den beiden Fortsätzen 42 und dem weiteren Fortsatz 56 sind jeweils die als Blattfedern ausgebildeten Antriebsfedern 41 ausgebildet. Eine Detailansicht dieser Aufhängung ist in 3b abgebildet. Die seismische Masse 50 ist mit den benachbarten weiteren seismischen Massen 51 über einen Federbereich 52 federelastisch gekoppelt, welcher in 3c im Detail dargestellt ist. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind ferner die Detektionselektroden 61 nicht radial zur Detektionsachse 101, sondern stattdessen parallel zur Antriebsachse 102 ausgebildet. Ferner weist der Drehratensensor 1 zwei zusätzliche Antriebsfedern 30‘ auf, welche jeweils im Bereich des mittleren Schwingungsknotens 71 an den Kraftübertragungsmitteln 40 angreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10108196 A1 [0002]
- WO 2005/043079 A2 [0003]
