DE102012207937A1

DE102012207937A1 - Drehratensensor

Info

Publication number: DE102012207937A1
Application number: DE102012207937A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Kuhlmann; Daniel Christoph Meisel; Benjamin Schmidt; Rolf Scheben; Thorsten BALSLINK
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14
Also published as: ITMI20130672A1; US9651375B2; US20130298672A1; CN103630127A; CN103630127B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat zur Detektion einer Drehrate um eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene erstreckenden ersten Richtung, wobei der Drehratensensor eine Antriebseinrichtung, eine erste Coriolismasse und eine zweite Coriolismasse aufweist, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, wenigstens einen Teil der ersten Coriolismasse und wenigstens einen Teil der zweiten Coriolismasse parallel zu einer senkrecht zur ersten Richtung sich erstreckenden Antriebsrichtung anzutreiben, wobei wenigstens der Teil der ersten Coriolismasse und wenigstens der Teil der zweiten Coriolismasse im Fall einer Drehrate um die erste Richtung eine Coriolisbeschleunigung parallel zu einer sowohl senkrecht auf die Antriebsrichtung als auch senkrecht auf die erste Richtung sich erstreckenden Detektionsrichtung erfährt, wobei der Drehratensensor eine erste Ausgleichsmasse und eine zweite Ausgleichsmasse aufweist, wobei die erste Ausgleichsmasse über eine erste Anbindung am Substrat eine Koppelung mit der ersten Coriolismasse aufweist und wobei die zweite Ausgleichsmasse über eine zweite Anbindung am Substrat eine Koppelung mit der zweite Coriolismasse derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der ersten Coriolismasse und zweiten Coriolismasse parallel zur Detektionsrichtung zu einer jeweils gegensinnigen Auslenkung der ersten und zweiten Ausgleichsmasse führt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 03064975 A1 ein Drehratensensor mit zwei schwingenden Massenelementen bekannt. Mikromechanische Drehratensensoren zur Messung von Drehraten um eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats des Sensors werden üblicherweise mit planar schwingende Massen oder als in der Ebene rotierende Massen ausgeführt, die bei Auftreten einer Drehbewegung um die Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene eine Corioliskraft in einer Detektionsrichtung, d.h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene, erfahren. Diese Corioliskraft wird dabei entweder über die zur Lagerückregelung nötige elektrostatische Gegenkraft (closed-loop Regelung) ermittelt oder beispielsweise über die Kapazitätsänderung aufgrund der Abstandsänderung zum Substrat gemessen (open-loop Betrieb). Typischerweise weisen solche bekannten Drehratensensoren zwei schwingfähige Massen (Teilschwinger) auf, welche zu einer antiparallelen Mode angetrieben werden. Bei Vorliegen einer Drehrate wird durch die Corioliskraft eine antiparallele Detektionsschwingung angeregt, welche kapazitiv erfasst wird und mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet wird. Es ist Stand der Technik, dass ein Teilschwinger aus einem Antriebsschwinger und einem Coriolisschwinger aufgebaut ist. Der Antriebsschwinger macht nur die Antriebsbewegung mit und nicht die Detektionsschwingung. Das Corioliselement macht sowohl die Antriebsschwingung als auch die Detektionschwingung mit. Neben der Corioliskraft gibt es für praktisch relevante Einsatzfälle weitere Kräfte, denen Sensoren bzw. Teile davon ausgesetzt sind und die ebenfalls ein Signal hervorrufen können bzw. die das der Corioliskraft zugeordnete Signal verfälschen können, insbesondere Trägheitskräfte hervorgerufen durch Linearbeschleunigungen und durch Drehbeschleunigungen. Das Auftreten dieser Kräfte führt nachteilig zu Fehlsignalen im Betrieb, weil beispielsweise eine Drehbeschleunigung, zum Beispiel in Form einer Rotationsschwingung um die empfindliche Achse, direkt zu einem Drehratensignal führt. Insbesondere, wenn die Rotationsschwingung mit der Frequenz erfolgt, mit der der Drehratensensor angetrieben wird und in Phase mit einer Corioliskraft erfolgt, resultiert eine besonders große Störbarkeit. Ferner führt auch eine Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung zu einer ungewollten Auslenkung der Teilschwinger.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor und ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und unempfindlich ist sowohl gegenüber Linearbeschleunigungen parallel zur Detektionsrichtung als auch gegenüber Drehbeschleunigungen gemäß der empfindlichen Richtung des Drehratensensors.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäßen Drehratensensoren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie unempfindlich sind gegenüber Störbeschleunigungen in Form von Drehbeschleunigungen bezüglich Drehungen um eine Richtung, die der ersten Richtung entspricht (d.h. derjenigen Richtung, die der empfindlichen bzw. Messrichtung des Drehratensensors entspricht), und in Form von Linearbeschleunigungen parallel zur Detektionsrichtung des Drehratensensors. Erfindungsgemäß werden Ausgleichsgewichte vorgesehen, welche durch eine Drehbeschleunigung gegensinnig zum Coriolisschwinger bzw. zur Coriolismasse ausgelenkt werden und somit eine Auslenkung der Corioliskraftmasse aufgrund einer Drehbeschleunigung verhindern. Die Ausgleichsgewichte bzw. die Ausgleichsmassen in Verbindung mit wippenartigen Koppelelementen führen zu einer verbesserten Störempfindlichkeit, insbesondere gegenüber Drehbeschleunigungen. Die Ausgleichsgewichte sind so ausgeführt, dass eine Drehrate hingegen erfasst werden kann. Ferner sind die Ausgleichsgewichte bzw. Ausgleichsmassen auch derart mit den Coriolismassen verbunden, dass eine Auslenkung der Coriolismasse auch bei einer Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung verhindert wird. Erfindungsgemäß ist die Coriolismasse mit der Ausgleichsmasse über eine Anbindung am Substrat derart verbunden, dass eine Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung und eine Drehbeschleunigung entlang der empfindlichen Richtung des Drehratensensors zu einer Trägheitskraft führt, die auf die Ausgleichsmassen und die Coriolismassen (bzw. den angetriebenen Teilt der Coriolismassen) gleichermaßen wirkt, so dass sich über diese wippenartige Kopplung die Kraftwirkung gerade aufhebt. Hierdurch wird erfindungsgemäß bewirkt, dass der Drehratensensor eine solche Drehbeschleunigung bzw. eine solche Linearbeschleunigung nicht wahrnimmt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drehratensensors besteht darin, dass die Koppelung der Coriolismassen mit den Ausgleichsmassen über die Anbindungen am Substrat zu einer verbesserten Robustheit gegenüber Linearbeschleunigungen parallel zur Detektionsrichtung führt, das heißt die Schwinger werden nicht entlang der Detektionsrichtung ausgelenkt.
Vorzugsweise wird die Masse und/oder das Trägheitsmoment des Ausgleichsgewichtes auf die Masse und/oder das Trägheitmoment des Corioliselementes abgestimmt. Dabei sind die Hebelverhältnisse zu berücksichtigen, das heisst die Abstände der Schwerpunkte von Ausgleichsgewicht und Corioliselement vom Drehpunkt des wippenartigen Koppelelementes.
Erfindungsgemäß kann der Drehratensensor entweder derart ausgebildet sein, dass eine Drehrate um eine parallel zur Haupterstreckungsebene sich erstreckende erste Richtung detektiert wird (erste Ausführungsform: Fall eines Ω_y-Sensors (d.h. eines Drehratensensors, dessen sensitive Richtung eine Drehung um eine erste parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung ist), bzw. eines um 90° um die z-Richtung gedrehten Ω_y-Sensors, d.h. eines Ω_x-Sensors). In diesem Fall ist eine Antriebseinrichtung vorhanden, die die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse parallel zu der sich senkrecht zur ersten Richtung erstreckenden Antriebsrichtung (insbesondere gegensinnig) antreibt, wobei die Antriebsrichtung ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Die Detektionsrichtung erstreckt sich bei der ersten Ausführungsform dann senkrecht zur Haupterstreckungsebene. Bei der ersten Ausführungsform des Drehratensensors kann gemäß einer ersten Variante lediglich eine erste Coriolismasse (und entsprechend lediglich eine erste Ausgleichsmasse und eine erste Anbindung) (bzw. lediglich eine Coriolismasse, eine Ausgleichsmasse und eine Anbindung) vorhanden sein oder aber auch – gemäß einer zweiten Variante – sowohl eine erste Coriolismasse und eine zweite Coriolismasse, eine erste Ausgleichsmasse und eine zweite Ausgleichsmasse und eine erste und zweite Anbindung). Erfindungsgemäß kann der Drehratensensor jedoch auch derart ausgebildet sein (zweite Ausführungsform: Fall eines Ω_z-Sensors), dass die erste Richtung sich nicht parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt, sondern senkrecht zur Haupterstreckungsebene. In diesem Fall ist die Antriebseinrichtung vorgesehen, die erste und zweite Coriolismasse parallel zu der sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckenden Antriebsrichtung anzutreiben, wobei die Detektionsrichtung sich dann ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckt, jedoch senkrecht zur Antriebsrichtung. Bei der zweiten Ausführungsform des Drehratensensors kann gemäß einer ersten Variante lediglich eine erste Coriolismasse (und entsprechend lediglich eine erste Ausgleichsmasse und eine erste Anbindung) (bzw. lediglich eine Coriolismasse, eine Ausgleichsmasse und eine Anbindung) vorhanden sein oder aber auch – gemäß einer zweiten Variante – sowohl eine erste Coriolismasse und eine zweite Coriolismasse, eine erste Ausgleichsmasse und eine zweite Ausgleichsmasse und eine erste und zweite Anbindung). Gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors (Fall eines Ω_xy-Sensors) kann es alternativ zu einem linearen Antrieb durch die Antriebseinrichtung auch vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse zu einer Drehschwingung um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene sich erstreckende Richtung anzutreiben, wobei ein Teilbereich der ersten Coriolismasse im Fall einer Drehrate um die erste Richtung eine Coriolisbeschleunigung parallel zu einer senkrecht auf die erste Richtung und senkrecht zur Haupterstreckungsebene sich erstreckenden Detektionsrichtung erfährt und wobei ein zweiter Teilbereich die erste Coriolismasse im Fall einer Drehrate um die zweite Richtung eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung erfährt.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, insbesondere der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist es vorgesehen, dass die erste Coriolismasse eine erste Teilmasse und eine zweite Teilmasse aufweist, dass die zweite Coriolismasse eine dritte Teilmasse und eine vierte Teilmasse aufweist, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Teilmasse der ersten Coriolismasse und die dritte Teilmasse der zweiten Coriolismasse parallel zu der Antriebsrichtung anzutreiben, wobei die erste Teilmasse der ersten Coriolismasse im Fall einer Drehrate um die erste Richtung eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung erfährt und dabei auch die zweite Teilmasse der ersten Coriolismasse auslenkt, wobei die dritte Teilmasse der zweiten Coriolismasse im Fall einer Drehrate um die erste Richtung eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung erfährt und dabei auch die vierte Teilmasse der zweiten Coriolismasse auslenkt, wobei die erste Ausgleichsmasse über die erste Anbindung am Substrat eine Koppelung mit der zweiten Teilmasse der ersten Coriolismasse aufweist und wobei die zweite Ausgleichsmasse über die zweite Anbindung am Substrat eine Koppelung mit der vierten Teilmasse der zweiten Coriolismasse derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der zweiten Teilmasse der ersten Coriolismasse und der vierten Teilmasse der zweiten Coriolismasse parallel zur Detektionsrichtung zu einer jeweils gegensinnigen Auslenkung der ersten und zweiten Ausgleichsmasse führt. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass die zweite und vierte Teilmasse die Antriebsbewegung nicht mitmachen und (aufgrund ihrer relativ starren bzw. starken Koppelung mit der ersten bzw. dritten Teilmasse (auf welche die Corioliskraft wirkt) entlang der Detektionsrichtung) ausschließlich die Bewegung in der Detektionsrichtung ausführen, wodurch eine bessere Signalauswertung möglich ist.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung, insbesondere der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist vorgesehen, dass die erste Richtung und die Antriebsrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufen, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung sich erstreckenden Antriebsrichtung anzutreiben, wobei die Detektionsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft und wobei gemäß alternativer Ausführungsvarianten hinsichtlich der mechanischen Struktur der beweglichen Elemente des Drehratensensors insbesondere vorgesehen ist, dass:

– entlang der Antriebsrichtung die erste und zweite Coriolismasse im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Ausgleichsmasse im Randbereich angeordnet ist, wobei bevorzugt die erste Ausgleichsmasse durch zwei Masseelemente gebildet ist und die zweite Ausgleichsmasse ebenfalls durch zwei Masseelemente gebildet ist, oder dass
– entlang der Antriebsrichtung die erste und zweite Ausgleichsmasse im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Coriolismasse im Randbereich angeordnet ist oder dass
– entlang der ersten Richtung die erste und zweite Coriolismasse im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Ausgleichsmasse im Randbereich angeordnet ist, wobei bevorzugt die erste Ausgleichsmasse durch zwei Masseelemente gebildet ist und die zweite Ausgleichsmasse ebenfalls durch zwei Masseelemente gebildet ist.

Dadurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die erfindungsgemäßen Vorzüge bei verschiedenen mechanischen Strukturen zu realisieren.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung, insbesondere gemäß der zweiten Ausführungsform, ist vorgesehen, dass die erste Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung sich erstreckenden Antriebsrichtung anzutreiben, wobei im Fall einer Drehrate um die erste Richtung die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung erfährt, wobei über die erste Anbindung und über die zweite Anbindung auch die erste Ausgleichsmasse mit der zweiten Coriolismasse und die zweite Ausgleichsmasse mit der ersten Coriolismasse gekoppelt ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, die erfindungsgemäße Kopplung zwischen den Coriolismassen und den Ausgleichsmassen auch für den Fall eines Ω_z-Sensors (d.h. eines Drehratensensors, dessen sensitive Richtung eine Drehung um die auf die Haupterstreckungsebene senkrecht stehende Richtung ist) zu realisieren. Hierbei stellt eine solche Ausführungsform in vorteilhafter Weise eine Realisierung dar, bei der die die Ausgleichsmassen bildenden beweglichen Strukturen des Drehratensensors gleichzeitig auch die Funktion der zweiten und vierten Teilmasse bilden, d.h. die Funktion von Detektionselementen bilden, denen – als Teil von verschiedene Elemente umfassende Coriolismassen – die Antriebsbewegung nicht aufgezwungen wird, sondern lediglich die Bewegung parallel zur jeweiligen Detektionsrichtung aufgezwungen wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung, insbesondere gemäß der zweiten Ausführungsform, ist vorgesehen, dass die erste Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung sich erstreckenden Antriebsrichtung anzutreiben, wobei im Fall einer Drehrate um die erste Richtung die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung erfährt, wobei über eine dritte Anbindung am Substrat die erste und zweite Coriolismasse gekoppelt sind und/oder wobei über eine vierte Anbindung am Substrat die erste und zweite Ausgleichsmasse gekoppelt sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass durch die Wirkung der Ausgleichsmassen Störsignale vermieden werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung, insbesondere gemäß der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform, ist vorgesehen, dass

– die erste Coriolismasse in Form eines geschlossenen Rahmens vorgesehen ist und die erste Ausgleichsmasse innerhalb des Rahmens der ersten Coriolismasse angeordnet ist und die zweite Coriolismasse ebenfalls in Form eines geschlossenen Rahmens vorgesehen ist und die zweite Ausgleichsmasse innerhalb des Rahmens der zweiten Coriolismasse angeordnet ist, und/oder dass
– die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse und die zweite Coriolismasse in Antriebsrichtung jeweils gegensinnig zueinander anzutreiben oder dass die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Teilmasse der ersten Coriolismasse und die dritte Teilmasse der zweiten Coriolismasse in Antriebsrichtung jeweils gegensinnig zueinander anzutreiben, und/oder dass
– die Antriebseinrichtung einen Antriebsrahmen aufweist, wobei der Antriebsrahmen vier winkelförmige Elemente aufweist, die in den Ecken des Rahmens rotatorisch auslenkbar an dem Substrat angebunden sind jeweils zwei der winkelförmigen Element miteinander über U-förmige Federelemente miteinander verbunden sind.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 und 2 jeweils eine Prinzipdarstellung eines herkömmlichen Drehratensensors als Ω_y-Sensor gemäß dem Stand der Technik, 3 eine Prinzipdarstellung der vorliegenden Erfindung, 4 bis 7 und 21 jeweils verschiedene Ausführungsvarianten eines Ω_y-Sensors, 8 bis 13 sowie 22 und 23 jeweils verschiedene Ausführungsvarianten eines Ω_z-Sensors, Figuren 14 bis 17 eine Ausführungsvariante einer Antriebseinrichtung, 18 eine Ausführungsvariante eines dreiachsigen Drehratensensors und 19 und 20 jeweils verschiedene Ausführungsvarianten eines Ω_xy-Sensors.
Ausführungsform(en) der Erfindung
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.
In den 1 und 2 sind jeweils Prinzipdarstellungen von herkömmlichen, insbesondere mikromechanisch hergestellten, Drehratensensoren 100 dargestellt, die zur Erfassung von Drehraten um eine erste Richtung OR (im Beispiel der 1 und 2 eines Ω_y-Sensors entspricht dies der y-Achse) vorgesehen sind und die auf einem Substrat 101 realisiert sind, welches eine Haupterstreckungsebene 110 aufweist und diese auch dem Sensor bzw. Drehratensensor vorgibt. Das Substrat 101 und die Haupterstreckungsebene 110 sind lediglich bei der 1 eingezeichnet, sind jedoch bei sämtlichen 1, 2, sowie 4 bis 23 gleichfalls vorhanden, da alles diese Figuren Draufsichten auf die Sensorstrukturen darstellen, d.h. die Zeichenebene entspricht der Haupterstreckungsebene 110. Solche Drehratensensoren umfassen zwei schwingfähige Massen (Teilschwinger), welche zu einer antiparallelen Mode entlang einer senkrecht zur ersten Richtung OR stehenden Antriebsrichtung AR (im Beispiel der 1 und 2 entspricht dies der x-Achse) angetrieben werden. Bei Vorliegen einer Drehrate wird durch die Corioliskraft eine antiparallele Detektionschwingung (parallel zu einer Detektionsrichtung DR, die sowohl senkrecht auf die erste Richtung OR als auch senkrecht auf die Antriebsrichtung AR steht) angeregt, welche kapazitiv erfasst wird und mittels einer Auswerteelektronik in eine Drehrate umgerechnet wird. Herkömmlicherweise umfasst ein solcher Teilschwinger eines Drehratensensors einen Antriebsschwinger als Antriebseinrichtung 1 und einen Coriolisschwinger als eine erste Coriolismasse 5. Der andere Teilschwinger umfasst eine zweite Coriolismasse 5‘. Die Antriebseinrichtung 1 treibt wenigstens einen Teil der ersten Coriolismasse 5 und wenigstens einen Teil der zweiten Coriolismasse 5‘ parallel (und gemäß der antiparallelen Schwingungsmode) zur Antriebsrichtung AR an. Gemäß der Ausführungsvariante nach 1 wird die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ vollständig sowohl in Antriebsrichtung AR als auch in Detektionsrichtung DR bewegt, während die erste Coriolismase 5 gemäß der Ausführungsvariante nach 2 eine erste Teilmasse 15 und eine zweite Teilmasse 9 aufweist sowie die zweite Coriolismase 5‘ eine dritte Teilmasse 15‘ und eine vierte Teilmasse 9‘ aufweist, wobei in Antriebsrichtung AR lediglich die erste Teilmasse 15 der ersten Coriolismasse 5 und die dritte Teilmasse 15‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ angetrieben wird, wobei die erste Teilmasse 15 der ersten Coriolismasse 5 im Fall einer Drehrate um die erste Richtung OR eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung DR erfährt und dabei auch die zweite Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 auslenkt und wobei die dritte Teilmasse 15‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ im Fall dieser Drehrate (um die erste Richtung OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung DR erfährt und dabei auch die vierte Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ auslenkt.
Bei beiden Ausführungsvarianten gemäß 1 und 2 ist der Antriebsschwinger mittels Federn 2 über Ankerpunkte 3 am Substrat 101 verankert. Die Federn 2 sind U-förmig und entlang der x-Richtung (im Beispiel entsprechend der Antriebsrichtung AR) weich. Entlang der y-Richtung (im Beispiel entsprechend der ersten Richtung OR) sind sie steif. Entlang der z-Richtung (im Beispiel entsprechend der Detektionsrichtung DR) sind sie ebenfalls steif ausgelegt, indem die Schichtdicke größer eingerichtet wird als die Balkenbreite. Die Antriebseinrichtung 1 wird insbesondere mittels Interdigitalstrukturen (nicht dargestellt) elektrostatisch mit seiner Eigenfrequenz resonant angetrieben. Die Pfeile 4 weisen in Richtung der Antriebsbewegung, wobei die Teilschwinger, d.h. die erste und zweite Coriolismassen 5, 5‘, relativ zueinander gegenphasig schwingen, d.h. der eine Teilschwinger bewegt sich – zumindest teilweise – in negative x-Richtung, wenn sich der andere Teilschwinger – zumindest teilweise – in positive x-Richtung bewegt und umgekehrt. Über Koppelfedern 6 ist die erste bzw. zweite Coriolismasse 5, 5‘ mit der Antriebseinrichtung 1 verbunden, so dass die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ (bzw. gemäß der 2 die erste und dritte Teilmasse 15, 15‘ der ersten und zweiten Coriolismassen 5, 5‘) sowohl die Antriebsbewegung 4 als auch die Detektionsbewegung ausführen kann. Die Detektionsbewegung entlang der z-Achse kommt aufgrund einer Coriolisbeschleunigung bzw. Corioliskraft zustande, die aus der Drehrate Ω_y um die y-Achse und der Geschwindigkeit v_x entlang der x-Achse gemäß F_Coriolis = 2·m·v_x×Ω_y resultiert. Mittels einer Koppelstruktur 7 zwischen der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ wird sowohl die Antriebsbewegung als auch die Detektionsbewegung der beiden Teilschwinger gekoppelt. Die Detektionselektroden (nicht dargestellt) befinden sich beispielsweise unterhalb der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ auf dem Substrat 101.
Herkömmliche Drehratensensoren können konstruktiv bedingt eine Beschleunigungsempfindlichkeit und eine Drehbeschleunigungsempfindlichkeit aufweisen. Das bedeutet, dass eine Drehbeschleunigung, beispielsweise in Form einer Rotationsschwingung um die empfindliche Achse (erste Richtung OR, im Beispiel die y-Achse) direkt zu einem Drehratensignal führt. Insbesondere wenn die Rotationsschwingungen mit der Frequenz f_A erfolgt (mit der der Drehratensensor angetrieben wird) und in Phase mit einer Corioliskraft erfolgt, resultiert eine besonders große Störbarkeit. Eine Drehbeschleunigung um die erste Richtung OR (hier die y-Achse) führt ebenfalls zu einer äquivalenten Kraft, welche typischerweise nicht von einer Corioliskraft zu unterscheiden ist. Ferner führt eine Linearbeschleunigung entlang der Detektionsrichtung DR (hier die z-Achse) zu einer ungewollten Auslenkung der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ entlang der Detektionsrichtung DR (im Beispiel die z-Achse).
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass Ausgleichsgewichten bzw. Ausgleichsmassen zu jeder Coriolismasse 5, 5‘ vorhanden sind, d.h. eine erste Ausgleichsmasse 10 zur ersten Coriolismasse 5 und eine zweite Ausgleichsmasse 10‘ zur zweiten Coriolismasse 5‘. Dies ist für den Ruhezustand und für eine Drehrate Ω_y um die y-Achse in der oberen Hälfte der 3 schematisch dargestellt, wobei die Zeichenebene der xz-Ebene entspricht (d.h. der Antriebsrichtung AR (x-Richtung) und der Detektionsrichtung DR (y-Richtung)) und wobei eine Drehrate Ω_y zu einer (aufgrund der gegensinnigen Anregung durch die Antriebseinrichtung 1) gegensinnigen Auslenkung der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ und damit auch (aufgrund der Tatsache, dass die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ keine Coriolisbeschleunigung erfahren) der ersten und zweiten Ausgleichsmasse 10, 10‘. Die Coriolismassen 5, 5‘ werden zu einer Bewegung entlang der Antriebsrichtung AR angetrieben, die Ausgleichsmassen 10, 10‘ hingegen werden nicht angetrieben und sind (entlang der Antriebsrichtung AR) in Ruhe. Bei einer Drehrate Ω_y wirkt auf die angetriebenen Coriolismassen 5, 5‘ die Corioliskraft (F_cor entsprechend der eingezeichneten Pfeile), auf die nicht angetriebenen (ruhenden) Ausgleichsmassen 10, 10‘ wirkt keine äußere Kraft. Die Ausgleichsmassen 10, 10‘ werden lediglich von den Coriolismassen 5, 5‘ über die wippenartige Kopplung der ersten Anbindung 11 und der zweiten Anbindung 11‘ entlang der Detektionsrichtung DR mit bewegt, d.h. in entgegengesetzter Richtung parallel zur Detektionsrichtung DR ausgelenkt. Liegt eine Drehbeschleunigung um die y-Richtung (erste Richtung OR) vor oder auch eine Linearbeschleunigung parallel zur Detektionsrichtung DR, dann wirkt die daraus resultierende Trägheitskraft auf alle Massen gleichermaßen (auf angetriebene Coriolismassen 5, 5‘ ebenso wie auf ruhende Ausgleichsmassen 10, 10‘), so dass sich über die wippenartige Kopplung der ersten und zweiten Anbindung 11, 11‘ die Kraftwirkung gerade aufhebt, was in der unteren Hälfte der 3 (entsprechend der Pfeile F_dΩy/dt bzw. der Pfeile F_az) schematisch dargestellt ist. Der Drehratensensor nimmt dann die Drehbeschleunigung bzw. die Linearbeschleunigung gewissermaßen nicht wahr. Die erfindungsgemäße erste und zweite Anbindung am Substrat 101 durch die wippenartige Kopplung zwischen den Coriolismasse und den Ausgleichsmassen führt erfindungsgemäß weiterhin in vorteilhafter Weise zu einer verbesserten Robustheit gegenüber Linearbeschleunigungen entlang der z-Richtung, das heißt die Coriolismasse werden nicht entlang der z-Achse ausgelenkt.
Die wippenartige Ausbildung der ersten und zweiten Anbindung 11, 11‘ am Substrat 101 ist erfindungsgemäß derart ausgeführt, dass die Koppelung zwischen der ersten Coriolismasse 5 und der ersten Ausgleichsmasse 10 (bzw. die Koppelung zwischen der zweiten Coriolismasse 5‘ und der zweiten Ausgleichsmasse 10‘) derart erfolgt, dass eine Auslenkung der ersten Coriolismasse 5 entlang der Detektionsrichtung DR zu einer gegensinnigen Auslenkung der ersten Ausgleichsmasse 10 entlang der Detektionsrichtung DR führt und umgekehrt (bzw. dass eine Auslenkung der zweiten Coriolismasse 5‘ entlang der Detektionsrichtung DR zu einer gegensinnigen Auslenkung der zweiten Ausgleichsmasse 10‘ entlang der Detektionsrichtung DR führt und umgekehrt).
Erfindungsgemäß führt daher im Gegensatz zu einer Drehrate (um die Ω_y-Richtung) eine Drehbeschleunigung dΩ_y/dt (beispielsweise in Form einer Rotationsschwingung) um die empfindliche Achse (erste Richtung OR, im Beispiel die y-Achse) dazu, dass die Ausgleichsmassen 10, 10‘ eine gleichsinnige Kraftwirkung im Vergleich zu jeweils der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ (d.h. die erste Ausgleichsmasse 10 gleichsinnig zur ersten Coriolismasse 5 und die zweite Ausgleichsmasse gleichsinnig zur zweiten Coriolismasse 5‘) erfahren, so dass erfindungsgemäß eine Auslenkung der Coriolismassen aufgrund einer Drehbeschleunigung verhindert wird. In Verbindung mit der ersten Anbindung 11 und der zweiten Anbindung 11‘, insbesondere in Form einer wippenartigen Koppelung mit dem Substrat 101, führen die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ zu einer verbesserten Störempfindlichkeit, insbesondere gegenüber Drehbeschleunigungen. Die Ausgleichsgewichte sind so ausgeführt, dass eine Drehrate hingegen erfasst werden kann.
In den 1, 2, 4 bis 14 sowie 21 bis 23 sind jeweils Ausführungsvarianten von erfindungsgemäßen Drehratensensoren dargestellt, die sowohl eine erste Coriolismasse als auch eine zweite Coriolismasse aufweisen. Alternativ ist es erfindungsgemäß jedoch auch möglich, entsprechende Drehratensensoren vorzusehen, bei denen lediglich einer der beiden Teilschwinger (mit der ersten Coriolismasse, der ersten Ausgleichsmasse und der ersten Anbindung) ausgebildet ist und der andere Teilschwinger zwecks Platzersparnis und damit Kostenreduktion nicht vorhanden ist.
Die 4 bis 7 und 21 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsvarianten eines Ω_y-Sensors 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht. In 4 sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ relativ zu den Coriolismassen 5, 5‘ derart angeordnet, dass entlang der Antriebsrichtung AR die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ im Randbereich angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ weiter weg von der parallel zur y-Richtung verlaufenden Symmetrieachse des Drehratensensors entfernt, das heißt weiter außen angeordnet bzw. im Randbereich. Im Ausführungsbeispiel gemäß der 4 wird die erste Ausgleichsmasse 10 durch zwei einzelne Masseelemente und die zweite Ausgleichsmasse 10‘ ebenfalls durch zwei einzelne Masseelemente gebildet, wobei jeweils die beiden einzelnen Masseelemente durch einen Antriebsbalken, mittels welchem die erste und zweite Coriolismassen 5, 5‘ durch die Antriebseinrichtung 1 angetrieben werden, getrennt sind. In 5 sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ relativ zu den Coriolismassen 5, 5‘ derart angeordnet, dass entlang der Antriebsrichtung AR die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ im Randbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ im Zentralbereich angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ näher an der parallel zur y-Richtung verlaufenden Symmetrieachse des Drehratensensors angeordnet als die Coriolismassen 5, 5‘, das heißt weiter innen angeordnet bzw. im Zentralbereich. In 6 sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ relativ zu den Coriolismassen 5, 5‘ derart angeordnet, dass entlang der ersten Richtung OR die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ im Randbereich angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Ausgleichsmassen 10, 10‘ weiter weg von der parallel zur x-Richtung verlaufenden Symmetrieachse des Drehratensensors entfernt, das heißt weiter außen angeordnet bzw. im Randbereich. Im Ausführungsbeispiel gemäß der 6 wird ebenfalls die erste Ausgleichsmasse 10 durch zwei einzelne Masseelemente und die zweite Ausgleichsmasse 10‘ ebenfalls durch zwei einzelne Masseelemente gebildet, wobei jeweils die beiden einzelnen Masseelemente symmetrisch zur parallel zur x-Richtung verlaufenden Symmetrieachse des Sensors angeordnet sind. In 7 ist eine Ausführungsvariante eines Ω_y-Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der die erste Coriolismasse 5 in Form eines geschlossenen Rahmens vorgesehen ist und die erste Ausgleichsmasse 10 innerhalb des Rahmens der ersten Coriolismasse 5 angeordnet ist und die zweite Coriolismasse 5‘ ebenfalls in Form eines geschlossenen Rahmens vorgesehen ist und die zweite Ausgleichsmasse 10‘ innerhalb des Rahmens der zweiten Coriolismasse 5‘ angeordnet ist. In 21 ist eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Ω_y-Sensors dargestellt, bei der die erste Coriolismasse 5 eine erste Teilmasse 15 und eine zweite Teilmasse 9 aufweist, bei der die zweite Coriolismasse 5‘ eine dritte Teilmasse 15‘ und eine vierte Teilmasse 9‘ aufweist, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Teilmasse 15 der ersten Coriolismasse 5 und die dritte Teilmasse 15‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ parallel zu der Antriebsrichtung AR anzutreiben, wobei die erste Teilmasse 15 der ersten Coriolismasse 5 im Fall einer Drehrate um die erste Richtung OR eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung DR (senkrecht zur Zeichenebene) erfährt und dabei auch die zweite Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 auslenkt, wobei die dritte Teilmasse 15‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ im Fall einer Drehrate um die erste Richtung OR eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung DR erfährt und dabei auch die vierte Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ auslenkt, wobei die erste Ausgleichsmasse 10 über die erste Anbindung 11 am Substrat 101 eine Koppelung mit der zweiten Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 aufweist und wobei die zweite Ausgleichsmasse 10‘ über die zweite Anbindung 11‘ am Substrat 101 eine Koppelung mit der vierten Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der zweiten Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 und der vierten Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ parallel zur Detektionsrichtung DR zu einer jeweils gegensinnigen Auslenkung der ersten und zweiten Ausgleichsmasse 10, 10‘ führt. Bei der Ausführungsvariante gemäß der 21 ist es beispielhaft vorgesehen, dass sowohl die erste Teilmasse 15 als auch die zweite Teilmasse 9 rahmenförmig (jeweils in Form eines geschlossenen Rahmens) vorgesehen sind und die zweite Teilmasse 9 innerhalb des Rahmens der ersten Teilmasse 15 der ersten Coriolismasse 5 sowie die erste Ausgleichsmasse 10 innerhalb des Rahmens der zweiten Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 angeordnet ist (und dass ferner dass sowohl die dritte Teilmasse 15‘ als auch die vierte Teilmasse 9‘ rahmenförmig (jeweils in Form eines geschlossenen Rahmens) vorgesehen sind und die vierte Teilmasse 9‘ innerhalb des Rahmens der dritten Teilmasse 15‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ sowie die zweite Ausgleichsmasse 10‘ innerhalb des Rahmens der vierten Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘ angeordnet ist). Alternativ zu der gemäß 21 dargestellten Ausführungsvariante kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass für die erste Coriolismasse 5 die erste Ausgleichsmasse 10 seitlich neben der zweiten Teilmasse 9 (d.h. nicht innerhalb (eines Rahmens) der zweiten Teilmasse 9) angeordnet ist, etwa auch aufgeteilt auf zwei einzelne Masseelemente (die sich beispielsweise entlang der x-Richtung oder entlang der y-Richtung jeweils seitlich neben der zweiten Teilmasse 9 befinden) bzw. dass für die zweite Coriolismasse 5‘ die zweite Ausgleichsmasse 10‘ seitlich neben der vierten Teilmasse 9‘ (d.h. nicht innerhalb (eines Rahmens) der zweiten Teilmasse 9‘) angeordnet ist, etwa auch aufgeteilt auf zwei einzelne Masseelemente (die sich beispielsweise entlang der x-Richtung oder entlang der y-Richtung jeweils seitlich neben der vierten Teilmasse 9‘ befinden).
Die wippenartige Ausbildung der ersten und zweiten Anbindung 11, 11‘ am Substrat 101 weist gemäß sämtlicher der 4 bis 7 sowie 21 erfindungsgemäß zwischen der Anbindung am Substrat 101 und der jeweiligen Coriolismasse Federn 20 auf, die durch geeignete Wahl von Balkenbreiten, Balkenhöhen und Balkenlängen so eingerichtet sind, dass eine lineare Bewegung der Coriolismasse entlang der x-Richtung (d.h. entlang der Antriebsrichtung AR) zulassen und die Bewegung in z-Richtung (d.h. entlang der Detektionsrichtung DR) der Coriolismasse und der Ausgleichsmasse miteinander koppeln. Die mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnete Feder ist als eine Torsionsfeder für eine Torsion um die y-Richtung realisiert. Unterhalb und/oder oberhalb der Strukturen befinden sich nicht dargestellte Elektroden bzw. Gegenelektroden, mittels derer die Drehrate bestimmt werden kann und auch die Eigenschaften des schwingungsfähigen Systems (d.h. der Coriolismasse und der Ausgleichsmasse) beeinflusst werden kann. Zwischen den Elektrodenfingern der Antriebseinrichtung 1 befinden sich nicht dargestellte, am Substrat 101 befestigte Gegenelektroden zur Anregung der Antriebsschwingung und Elektroden zur Erfassung der Antriebsschwingung. Die wippenartige erste und zweite Anbindung 11, 11‘ ist durch die mäandrierten Federelemente so ausgeführt, dass nur die Detektionsbewegung und nicht die Antriebsbewegung der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ an die ersten und zweiten Ausgleichsmassen 10, 10‘ übertragen werden.
Die 8 bis 13 sowie 22 und 23 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsvarianten eines Ω_z-Sensors 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht. Jeweils ist die erste Coriolismasse 5 über die erste Anbindung 11 mit der ersten Ausgleichsmasse 10 gekoppelt und die zweite Coriolismasse 5‘ über die zweite Anbindung 11‘ mit der zweiten Ausgleichsmasse 10‘ gekoppelt. Bei den Ausführungsvarianten gemäß den 8 bis 13 ist es so, dass die erste Ausgleichsmasse 10 und die zweite Ausgleichsmasse 10‘ über die spezielle Koppelung über die erste und zweite Anbindung 11, 11‘ am Substrat angebunden und mit der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ gekoppelt sind und damit gleichzeitig als Detektionselement (bzw. als zweite Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 bzw. vierte Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘) wirken. Die erste und zweite Anbindung 11, 11‘ ist derart gestaltet, dass die antiparallele Bewegung der ersten Coriolismasse 5 gegenüber der ersten Ausgleichsmasse 10 (bzw. die antiparallele Bewegung der zweiten Coriolismasse 5‘ gegenüber der zweiten Ausgleichsmasse 10‘) bevorzugt stattfindet. Die störende parallele Bewegung, welche aufgrund einer Drehbeschleunigung um die z-Richtung (erste Richtung OR) stattfinden würde, ist unterdrückt. Dies ist bei den Ausführungsvarianten gemäß der 8 bis 13 dadurch gegeben, dass eine erste Wippe 12 und eine zweite Wippe 13 mittels eines Biegebalkens 14 miteinander verbunden sind. In der 8 und in der 13 sind hierzu jeweils im rechten Teil der Figuren eine vergrößerte Darstellung zweier verschiedener Ausführungsvarianten der ersten Anbindung 11 beispielhaft dargestellt. Der Biegebalken 14 ist gegenüber einer einfachen (U-förmigen) ebenen (d.h. in der xy-Ebene bzw. parallel zur Haupterstreckungsebene 110 des Substrats 101) Biegung weicher als gegenüber einer doppelten (S-förmigen) ebenen Biegung. Dadurch ist eine gegensinnige Bewegung der beiden Wippen 12, 13 biegeweicher bzw. niederfrequenter möglich als eine gleichsinnige und somit ist die gegensinnige Bewegung der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ und der ersten und zweiten Ausgleichsmasse 10, 10‘ bevorzugt. Letztere wird durch die Corioliskraft angeregt, die gleichsinnige Bewegung der ersten und zweiten Coriolismasse 5, 5‘ und der ersten und zweiten Ausgleichsmasse 10, 10‘ wird durch eine Drehbeschleunigung um die z-Richtung bzw. durch eine Linearbeschleunigung entlang der y-Richtung. Diese gegensinnige Bewegung der beiden Wippen 12, 13 ist in den 9 bis 11 nochmals veranschaulicht, wobei die 10 dem (ebenfalls in 8 in vergrößerter Form dargestellten) Ruhe- bzw. Gleichgewichtszustand, während die 9 und 11 die beiden (im Sinne einer jeweils gegensinnigen Bewegung bzw. Auslenkung der Wippen 12, 13 bzw. der Coriolismassen 5, 5‘ und der Ausgleichsmasse 10, 10‘) ausgelenkten Zustände darstellen. Erkennbar ist hierbei, dass sich der Biegebalken 14 jeweils lediglich U-förmig verbiegt. Die wippenartige Kopplung zwischen Ausgleichsmassen und Coriolismassen über die erste und zweite Anbindung 11, 11‘ lässt eine Bewegung der Coriolismassen 5, 5‘ in x-Richtung (AR) zu, ohne dies an die Ausgleichsmassen 10, 10‘ zu übertragen. Die Ausgleichsmassen 10, 10‘ (mit der gleichzeitigen Funktion eines Detektionselements, d.h. einer zweiten Teilmasse 9 der ersten Coriolismasse 5 bzw. einer vierten Teilmasse 9‘ der zweiten Coriolismasse 5‘) werden durch die Coriolismassen 5, 5‘ über die Kopplung durch die erste und zweite Anbindung 11, 11‘ bei Vorliegen einer Drehrate Ω_z gegensinnig bewegt. Alle weiteren Wippen dienen der Unterdrückung störender paralleler Schwingungsmoden. Bei der Ausführungsvariante des Drehratensensors gemäß 12 ist die erste und zweite Coriolismasse 5, 5‘ über eine dritte Anbindung 13‘ am Substrat 101 miteinander gekoppelt und es ist die erste und zweite Ausgleichsmasse 10, 10‘ über eine vierte Anbindung 14‘ am Substrat 101 miteinander gekoppelt. In den 22 und 23 sind weitere Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Ω_z-Sensors dargestellt, bei denen es beispielhaft vorgesehen, dass die erste Coriolismasse 5 und die zweite Coriolismasse 5‘ jeweils einen dreiseitig umlaufenden (d.h. einseitig offen) Rahmen bildet (22) bzw. dass die erste Coriolismasse 5 und die zweite Coriolismasse 5‘ jeweils rahmenförmig (in Form jeweils eines geschlossenen Rahmens) vorgesehen sind und die erste Ausgleichsmasse 10 innerhalb des Rahmens der ersten Coriolismasse 5 angeordnet ist (und ferner die zweite Ausgleichsmasse 10‘ innerhalb des Rahmens der zweiten Coriolismasse 5‘ angeordnet ist). Die erste und zweite Anbindung 11, 11‘ (bzw. eine zweite Anbindung 11‘‘) wirken hierbei wie Wippen bzw. Drehkreuze, deren Enden in der Ebene gegensinnig schwingen.
In den 14 bis 17 ist eine Ausführungsvariante einer Antriebseinrichtung 1 dargestellt, wobei die 15 bis 17 lediglich die Antriebseinrichtung 1 darstellen und die 14 zusätzlich einen Drehratensensor darstellt. Die Antriebseinrichtung 1 gemäß der dargestellten Ausführungsvariante weist einen Antriebsrahmen auf, wobei der Antriebsrahmen vier winkelförmige Elemente 50 aufweist, die in den Ecken des Rahmens rotatorisch auslenkbar am Substrat 101 angebunden sind, wobei jeweils zwei der winkelförmigen Elemente 50 miteinander über U-förmige Federelemente 52 miteinander verbunden sind. Der Antriebsrahmen führt über die vier winkelförmigen Elemente 50 zu einer Frequenzverschiebung der störenden parallelen Antriebsmode zu höheren Frequenzen hin. In der gewollten antiparallelen Antriebsmode schwingen die Coriolismassen 5, 5‘ entlang der x-Achse (Antriebsrichtung AR) gegenphasig aufeinander zu bzw. voneinander weg. Der Antriebsrahmen gemäß der 14 bis 17 kann optional allen Varianten der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden. Die gegensinnige (d.h. antiparallele) Bewegung der Coriolismassen 5, 5‘ ist in den 15 bis 17 nochmals veranschaulicht, wobei die 16 dem (ebenfalls in 14 in vergrößerter Form dargestellten) Ruhe- bzw. Gleichgewichtszustand, während die 15 und 17 die beiden (im Sinne eines jeweils gegensinnigen Antriebs der Coriolismassen 5, 5‘) ausgelenkten Zustände darstellen.
In 18 ist eine Ausführungsvariante eines dreiachsigen bzw. dreikanaligen Ω_xyz-Drehratensensors 100, umfassend – beispielhaft – einen Ω_y-Sensor und einen Ω_x-Sensor (jeweils außen) und einen Ω_z-Sensor (in der Mitte), dargestellt, wobei eine gemeinsame Antriebsstruktur bzw. eine Antriebseinrichtung 1 für alle drei Drehratensensoren vorgesehen ist. Durch Weglassen eines Kanals lassen sich auch Ω_xy-Drehratensensoren oder Ω_xz-Drehratensensoren realisieren.
In den 19 und 20 ist jeweils eine Ausführungsvariante eines Ω_xy-Drehratensensors 100, d.h. gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt. Die 20 stellt hierbei eine Ausführungsvariante in Form eines Ω_xyz-Drehratensensors 100 dar. Bei diesen beiden Ausführungsvarianten der dritten Ausführungsform ist ein an einer zentralen Aufhängung 31 aufgehängter, mittiger Rotor 5 vorgesehen, der zu einer Drehschwingung 30 um den Mittelpunkt (durch nicht dargestellte Antriebsmittel) angetrieben wird. Der Rotor hat die Funktion eines Coriolis-Schwingers, d.h. einer Coriolismasse 5 (bzw. einer „ersten“ Coriolismasse 5). Unter und/oder über dem Rotor 5 befinden sich nicht eingezeichnete Elektroden zur Erfassung einer Auslenkung des Rotors 5, die als Maß für die Coriolisbeschleunigung herangezogen wird, die entlang der z-Richtung wirkt und zwar sowohl für Drehraten um eine erste Richtung OR als auch für Drehraten um eine zweite Richtung 2R, die sich beide parallel zur Haupterstreckungsebene 110 erstrecken und senkrecht aufeinander stehen. Entsprechend dient der Drehratensensor gemäß der 19 und 20 zur Detektion einer ersten Drehrate (um die sich parallel zur Haupterstreckungsebene 110 erstreckende erste Richtung OR) und zur Detektion einer zweiten Drehrate (um die sich parallel zur Haupterstreckungsebene 110 erstreckende zweite Richtung 2R). Der Drehratensensor weist eine Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) und die (erste) Coriolismasse 5 auf, wobei die Antriebseinrichtung konfiguriert ist, die erste Coriolismasse 5 zu einer Drehschwingung 30 um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene 110 sich erstreckende Richtung anzutreiben, wobei ein erster Teilbereich 50 der ersten Coriolismasse 5 im Fall einer Drehrate um die erste Richtung OR eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung DR erfährt, wobei ein zweiter Teilbereich 51 der ersten Coriolismasse 5 im Fall einer Drehrate um die zweite Richtung 2R eine Coriolisbeschleunigung ebenfalls parallel zu der Detektionsrichtung DR erfährt. Erfindungsgemäß weist der Drehratensensor gemäß beider Ausführungsvarianten der dritten Ausführungsform eine erste Ausgleichsmasse 10 und eine zweite Ausgleichsmasse 10‘ aufweist, wobei die erste Ausgleichsmasse 10 über eine erste Anbindung 11 am Substrat 101 eine Koppelung mit einem ersten Teilbereich 50 der ersten Coriolismasse 5 aufweist und wobei die zweite Ausgleichsmasse 10‘ über eine zweite Anbindung 11‘ am Substrat 101 eine Koppelung mit einem zweiten Teilbereich 51 der ersten Coriolismasse 5 derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung des ersten Teilbereichs 50 der ersten Coriolismasse 5 parallel zur Detektionsrichtung DR zu einer gegensinnigen Auslenkung der ersten Ausgleichsmasse 10 führt und dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung des zweiten Teilbereichs 51 der ersten Coriolismasse 5 parallel zur Detektionsrichtung DR zu einer gegensinnigen Auslenkung der zweiten Ausgleichsmasse 10‘ führt. Gegenüber der Ausführungsvariante gemäß 19 sind bei der Ausführungsvariante gemäß 20 zusätzliche Coriolismassen 40 vorhanden, mittels welchen eine Drehrate um die z-Richtung (d.h. zur Detektion einer dritten Drehrate um die sich parallel zur z-Richtung erstreckende dritte Richtung 3R). detektierbar ist und die an der Antriebsbewegung tangential teilnehmen und durch eine Drehrate radial ausgelenkt werden, wobei die zusätzlichen Coriolismassen 40 gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante ebenfalls mit Ausgleichsmassen (über zusätzliche (ebenfalls nicht dargestellte)) Anbindungen gekoppelt werden können. Die Coriolismassen 40 weisen gitterförmig ausgebildete Elektroden auf, mit welchen über nicht eingezeichnete am Susbtrat verankerte Gegenelektroden die Coriolisbeschleunigung erfasst wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03064975 A1 [0002]

Claims

Drehratensensor (100) mit einem eine Haupterstreckungsebene (110) aufweisenden Substrat (101) zur Detektion einer Drehrate um eine sich entweder parallel zur Haupterstreckungsebene (110) oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) erstreckenden ersten Richtung (OR), wobei der Drehratensensor (100) eine Antriebseinrichtung (1), eine erste Coriolismasse (5) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, wenigstens einen Teil der ersten Coriolismasse (5) parallel zu einer senkrecht zur ersten Richtung (OR) sich erstreckenden Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei wenigstens der Teil der ersten Coriolismasse (5) im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu einer sowohl senkrecht auf die Antriebsrichtung (AR) als auch senkrecht auf die erste Richtung (OR) sich erstreckenden Detektionsrichtung (DR) erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (100) eine erste Ausgleichsmasse (10) aufweist, wobei die erste Ausgleichsmasse (10) über eine erste Anbindung (11) am Substrat (101) eine Koppelung mit der ersten Coriolismasse (5) derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der ersten Coriolismasse (5) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der ersten Ausgleichsmasse (10) führt.
Drehratensensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Coriolismasse (5) eine erste Teilmasse (15) und eine zweite Teilmasse (9) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Teilmasse (15) der ersten Coriolismasse (5) parallel zu der Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei die erste Teilmasse (15) der ersten Coriolismasse (5) im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt und dabei auch die zweite Teilmasse (9) der ersten Coriolismasse (5) auslenkt, wobei die erste Ausgleichsmasse (10) über die erste Anbindung (11) am Substrat (101) eine Koppelung mit der zweiten Teilmasse (9) der ersten Coriolismasse (5) derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der zweiten Teilmasse (9) der ersten Coriolismasse (5) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der ersten Ausgleichsmasse (10) führt.
Drehratensensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (OR) und die Antriebsrichtung (AR) parallel zur Haupterstreckungsebene (110) verlaufen, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Coriolismasse (5) parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung (OR) sich erstreckenden Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei die Detektionsrichtung (DR) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) verläuft.
Drehratensensor (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ – entlang der Antriebsrichtung (AR) die erste Coriolismasse (5) im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste Ausgleichsmasse (10) im Randbereich angeordnet ist, wobei bevorzugt die erste Ausgleichsmasse (10) durch zwei Masseelemente gebildet ist, oder – entlang der Antriebsrichtung (AR) die erste Ausgleichsmasse (10) im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste Coriolismasse (5) im Randbereich angeordnet ist oder – entlang der ersten Richtung (OR) die erste Coriolismasse (5) im Zentralbereich des Drehratensensors und die erste Ausgleichsmasse (10) im Randbereich angeordnet ist, wobei bevorzugt die erste Ausgleichsmasse (10) durch zwei Masseelemente gebildet ist.
Drehratensensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Coriolismasse (5) in Form eines geschlossenen Rahmens ausgebildet ist und die erste Ausgleichsmasse (10) innerhalb des Rahmens der ersten Coriolismasse (5) angeordnet ist.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (100) eine zweite Coriolismasse (5‘) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, auch wenigstens wenigstens einen Teil der zweiten Coriolismasse (5‘) parallel zu der Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei wenigstens der Teil der zweiten Coriolismasse (5‘) im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt, wobei der Drehratensensor (100) eine zweite Ausgleichsmasse (10‘) aufweist, wobei die zweite Ausgleichsmasse (10‘) über eine zweite Anbindung (11‘) am Substrat (101) eine Koppelung mit der zweite Coriolismasse (5‘) derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der zweiten Coriolismasse (5‘) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der zweiten Ausgleichsmasse (10‘) führt.
Drehratensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Coriolismasse (5‘) eine dritte Teilmasse (15‘) und eine vierte Teilmasse (9‘) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die dritte Teilmasse (15‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) parallel zu der Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei die dritte Teilmasse (15‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt und dabei auch die vierte Teilmasse (9‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) auslenkt, wobei die zweite Ausgleichsmasse (10‘) über die zweite Anbindung (11‘) am Substrat (101) eine Koppelung mit der vierten Teilmasse (9‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung der vierten Teilmasse (9‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der zweiten Ausgleichsmasse (10‘) führt.
Drehratensensor (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (OR) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) verläuft, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Coriolismasse (5) und die zweite Coriolismasse (5‘) parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung (OR) sich erstreckenden Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) die erste Coriolismasse (5) und die zweite Coriolismasse (5‘) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt, wobei über die erste Anbindung (11) und über die zweite Anbindung (11‘) auch die erste Ausgleichsmasse (10) mit der zweiten Coriolismasse (5‘) und die zweite Ausgleichsmasse (10‘) mit der ersten Coriolismasse (5) gekoppelt ist.
Drehratensensor (100) nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung (OR) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) verläuft, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Coriolismasse (5) und die zweite Coriolismasse (5‘) parallel zu der senkrecht zur ersten Richtung (OR) sich erstreckenden Antriebsrichtung (AR) anzutreiben, wobei im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) die erste Coriolismasse (5) und die zweite Coriolismasse (5‘) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt, wobei über eine dritte Anbindung (13‘) am Substrat (101) die erste und zweite Coriolismasse (5, 5‘) gekoppelt sind und/oder wobei über eine vierte Anbindung (14‘) am Substrat (101) die erste und zweite Ausgleichsmasse (10, 10‘) gekoppelt sind.
Drehratensensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Coriolismasse (5) und die zweite Coriolismasse (5‘) in Antriebsrichtung (AR) jeweils gegensinnig zueinander anzutreiben oder dass die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Teilmasse (15) der ersten Coriolismasse (5) und die dritte Teilmasse (15‘) der zweiten Coriolismasse (5‘) in Antriebsrichtung (AR) jeweils gegensinnig zueinander anzutreiben.
Drehratensensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (1) einen Antriebsrahmen aufweist, wobei der Antriebsrahmen vier winkelförmige Elemente (50) aufweist, die in den Ecken des Rahmens rotatorisch auslenkbar an dem Substrat (101) angebunden sind, wobei jeweils zwei der winkelförmigen Elemente (50) miteinander über U-förmige Federelemente miteinander verbunden sind.
Drehratensensor (100) mit einem eine Haupterstreckungsebene (110) aufweisenden Substrat (101) zur Detektion einer ersten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (110) erstreckenden ersten Richtung (OR) und zur Detektion einer zweiten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (110) erstreckenden zweiten Richtung (2R), wobei sich die erste Richtung (OR) und die zweite Richtung (2R) senkrecht zueinander erstrecken, wobei der Drehratensensor (100) eine Antriebseinrichtung (1) und eine erste Coriolismasse (5) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (1) konfiguriert ist, die erste Coriolismasse (5) zu einer Drehschwingung um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) sich erstreckende Richtung anzutreiben, wobei ein erster Teilbereich der ersten Coriolismasse (5) im Fall einer Drehrate um die erste Richtung (OR) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu einer senkrecht auf die erste Richtung (OR) und senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) sich erstreckenden Detektionsrichtung (DR) erfährt, wobei ein zweiter Teilbereich der ersten Coriolismasse (5) im Fall einer Drehrate um die zweite Richtung (2R) eine Coriolisbeschleunigung parallel zu der Detektionsrichtung (DR) erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (100) eine erste Ausgleichsmasse (10) und eine zweite Ausgleichsmasse (10‘) aufweist, wobei die erste Ausgleichsmasse (10) über eine erste Anbindung (11) am Substrat (101) eine Koppelung mit einem ersten Teilbereich der ersten Coriolismasse (5) aufweist und wobei die zweite Ausgleichsmasse (10‘) über eine zweite Anbindung (11‘) am Substrat (101) eine Koppelung mit einem zweiten Teilbereich der ersten Coriolismasse (5) derart aufweist, dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung des ersten Teilbereichs der ersten Coriolismasse (5) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der ersten Ausgleichsmasse (10) führt und dass eine durch eine Coriolisbeschleunigung bewirkte Auslenkung des zweiten Teilbereichs der ersten Coriolismasse (5) parallel zur Detektionsrichtung (DR) zu einer gegensinnigen Auslenkung der zweiten Ausgleichsmasse (10‘) führt.
Drehratensensor (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (100) – zusätzlich zur Detektion der ersten Drehrate um die erste Richtung (OR) und zur Detektion der zweiten Drehrate um die zweite Richtung (2R) – zur Detektion einer dritten Drehrate um eine sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110) erstreckenden dritten Richtung (3R) ausgebildet ist, wobei der Drehratensensor (100) wenigstens eine zusätzliche Coriolismasse (40) aufweist, wobei die wenigstens eine zusätzliche Coriolismasse (40) von der Bewegung der ersten Coriolismasse (5) angetrieben ist.