DE102015216459A1

DE102015216459A1 - Kombi-Elektrode für Antrieb, Antriebsdetektion, Coriolisdetektion und Quadraturkompensation

Info

Publication number: DE102015216459A1
Application number: DE102015216459.4A
Authority: DE
Inventors: Mirko Hattass; Odd-Axel Pruetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02
Also published as: CN106482722B; CN106482722A; US20170059323A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors mit einem Substrat und mit mindestens einer gegenüber dem Substrat beweglichen Struktur und mit mindestens einer an der Struktur befestigten ersten Elektrode und mit mindestens einer substratfesten zweiten Elektrode und mit mindestens einer substratfesten dritten Elektrode und mit mindestens einer an der Struktur befestigten vierten Elektrode und mit mindestens einer substratfesten fünften Elektrode und mit mindestens einer substratfesten sechsten Elektrode vorgeschlagen, wobei die erste Elektrode mindestens teilweise zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode und die vierte Elektrode mindestens teilweise zwischen der fünften Elektrode und der sechsten Elektrode jeweils in einer Ruhelage der Struktur und entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse angeordnet sind, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt die Struktur aus einer Ruhelage der Struktur zu einer Schwingung mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu einer senkrecht zu der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse während mindestens eines ersten Zeitintervalls innerhalb mindestens einer Schwingperiode der Schwingung angeregt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Verfahren eine Reduktion der Anzahl an Strukturen, wie beispielsweise Antriebsstruktur, Antriebsdetektionsstruktur, Coriolisauslenkungsstruktur, Lagerückregelungsstruktur, Resonanzabstimmungsstruktur und Quadraturkompensationsstruktur, in Drehratensensoren ermöglicht. Hierdurch werden kleinere, einfachere, mechanisch robustere und kostengünstigere Drehratensensoren mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringen Substratfläche ermöglicht. Dies wird dadurch erreicht, dass im Gegensatz zum Stand der Technik die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Elektrode derart angesteuert werden, dass durch Spannungsbeaufschlagung der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Elektrode

– die Anregung der Struktur erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird oder
– die Anregung der Struktur erzeugt wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder
– die Anregung der Struktur erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur
aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder
– die Anregung der Struktur erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und die Kraftwirkung detektiert wird oder
– die Anregung der Struktur erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird und die Kraftwirkung detektiert wird. Hierdurch wird insbesondere durch die Zusammenlegung mehrerer Funktionalitäten in die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Elektrode ein Verfahren zum Betrieb von Drehratensensoren mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringen Substratfläche ermöglicht. Eine geringere benötigte Substratfläche wird beispielsweise dadurch erreicht, dass mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Platzgewinn durch weniger Pads, eine geringere Komplexität der Verdrahtung, weniger benötigte separate Rahmen wie beispielsweise Antriebsrahmen, Coriolisrahmen und Detektionsrahmen ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine Messung „vor Ort“ ermöglicht wird, da Antriebsrahmen und Coriolisrahmen beispielsweise zusammenlegbar sind und somit ein Versatz bezüglich Antriebsamplitude und Phase ermöglicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Erzeugung der Anregung der Struktur

– eine eine an der ersten und vierten Elektrode anliegende Referenzspannung unterschreitende erste Spannung an der zweiten und dritten Elektrode angelegt wird und eine die Referenzspannung überschreitende zweite Spannung an der fünften und sechsten Elektrode angelegt wird oder
– eine die Referenzspannung überschreitende erste Spannung an der zweiten und dritten Elektrode angelegt wird und eine die Referenzspannung unterschreitende zweite Spannung an der fünften und sechsten Elektrode angelegt wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass mithilfe der ersten Spannung und der zweiten Spannung sowohl von der ersten, zweiten und dritten Elektrode als auch von der vierten, fünften und sechsten Elektrode jeweils eine die Struktur antreibende Kraft erzeugt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Zeitverläufe der ersten Spannung und der zweiten Spannung so einstellbar sind, dass im Spektrum der Potentialdifferenz ein deutlicher Anteil bei der Frequenz der mechanischen Antriebsmode liegt. Ferner wird auf vorteilhafte Weise ein Antrieb der Struktur entlang zweier entgegengerichteter Richtungen mit Bewegungskomponenten im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ermöglicht. Des Weiteren wird hierdurch ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitgestellt welches durch das Taktschema der Anregung der Struktur Zeitfenster an den Elektroden für weitere Funktionalitäten bereitstellt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Erfassung der Auslenkung eine die an der ersten und vierten Elektrode anliegende Referenzspannung überschreitende dritte Spannung an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode angelegt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass in kurzen Zeitschlitzen eine Spannung, welche eine Differenz zum Mittelmassenpotential auf die erste und vierte Elektrode aufweist, an den Elektroden derart anliegt, dass ein Auslesen von Kapazitäten und damit beispielsweise ein Auslesen der Eintauchtiefe der beweglichen Elektroden ermöglicht wird. Des Weiteren wird hierdurch ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitgestellt welches durch das Taktschema der Erfassung der Auslenkung der Struktur Zeitfenster an den Elektroden für weitere Funktionalitäten bereitstellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Abstimmung der ersten Frequenz mit der zweiten Frequenz eine die an der ersten und vierten Elektrode anliegende Referenzspannung überschreitende zeitlich konstante vierte Spannung an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode angelegt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass über alle Elektroden über eine Schwingperiode im zeitlichen Mittel eine effektive Spannungsdifferenz zum Mittelmassenpotential anliegt, die beispielsweise der theoretischen Mitkoppelspannung als DC-Wert entspricht. Beispielsweise ist einer von mehreren freien Parametern zur Erreichung dieses Ziels das DC-Niveau der Antriebsspannung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Detektion der Kraftwirkung eine die an der ersten und vierten Elektrode anliegende Referenzspannung überschreitende fünfte Spannung an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode angelegt wird. In vorteilhafter Weise werden somit in kurzen Zeitschlitzen die Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt, die eine Differenz zum Mittelmassenpotential auf die erste und vierte Elektrode aufweist, um das Auslesen einer Kapazität und damit beispielsweise einer Seitwärtsbewegung der beweglichen Elektroden im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse ermöglicht. Beispielsweise wird die Information über die Seitwärtsbewegung als Maß der Coriolisauslenkung oder als Maß der Quadraturbewegung im ASIC (application-specific integrated circuit) ausgewertet. Des Weiteren wird hierdurch ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitgestellt welches durch das Taktschema der Detektion der Kraftwirkung Zeitfenster an den Elektroden für weitere Funktionalitäten bereitstellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine der Kraftwirkung im Wesentlichen gegenphasig entgegenwirkende weitere Kraftwirkung auf die Struktur in einem fünften Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten und/oder dritten Zeitintervall disjunkten fünften Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise eine Spannung an die Elektroden gelegt, sodass einer Seitwärtsbewegung aufgrund der Corioliskraft entgegengewirkt wird. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitgestellt, welches durch das Taktschema einer Lagerückregelung Zeitfenster an den Elektroden für weitere Funktionalitäten bereitstellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Bewirkung der weiteren Kraftwirkung eine die an der ersten und vierten Elektrode anliegende Referenzspannung überschreitende sechste Spannung an der zweiten und fünften Elektrode oder eine die Referenzspannung überschreitende siebte Spannung an der dritten und sechsten Elektrode angelegt wird. Auf vorteilhafte Weise wird somit der Betrieb von im Vergleich zum Stand der Technik kleineren, einfacheren, mechanisch robusteren und kostengünstigeren Drehratensensoren ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine dritte Kraftwirkung auf die Struktur entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse aufgrund der Auslenkung in einem sechsten Verfahrensschritt während mindestens eines sechsten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Quadraturkompensationsfunktionalität für den Betrieb von im Vergleich zum Stand der Technik kleinen Drehratensensoren umfasst.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Bewirkung der dritten Kraftwirkung eine die an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse verbreiterten ersten Bereich der ersten Elektrode und an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse verbreiterten zweiten Bereich der vierten Elektrode anliegende Referenzspannung überschreitende oder unterschreitende achte Spannung an einem ersten Teilbereich der zweiten Elektrode und an einem zweiten Teilbereich der sechsten Elektrode und/oder eine die Referenzspannung überschreitende oder unterschreitende neunte Spannung an einem dritten Teilbereich der dritten Elektrode und an einem vierten Teilbereich der fünften Elektrode angelegt wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Weise eine Quadraturkompensationsfunktionalität für den Betrieb von im Vergleich zum Stand der Technik kleinen Drehratensensoren umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren ersten Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren zweiten Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbare Spannungsbeaufschlagung von Elektroden eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren Drehratensensors.
Ausführungsformen 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 1 ist eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren ersten Drehratensensors 1, bzw. eines von mehreren nicht dargestellten gekoppelten Teilschwingern, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drehratensensor 1 umfasst ein Substrat 3, eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche Struktur 5, eine an der Struktur 5 befestigte ersten Elektrode 7, eine substratfeste zweite Elektrode 9, eine substratfeste dritte Elektrode 11, eine an der Struktur 5 befestigte vierten Elektrode 13, eine substratfeste fünften Elektrode 15 und eine substratfeste sechste Elektrode 17. Hierbei sind die erste Elektrode 7 mindestens teilweise zwischen der zweiten Elektrode 9 und der dritten Elektrode 11 und die vierte Elektrode 13 mindestens teilweise zwischen der fünften Elektrode 15 und der sechsten Elektrode 17 jeweils entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse X angeordnet. Beispielsweise werden die Elektroden 7, 9, 11, 13, 15, 17 auch als Multifunktions-Elektroden bezeichnet. In 1 ist nur je ein Elektrodenpärchen oben und unten dargestellt. Bei einer konkreten Umsetzung würden diese beispielsweise vervielfältigt werden.
Der in 1 beispielhaft dargestellte Drehratensensor wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt betrieben:

– In einem ersten Verfahrensschritt wird die Struktur 5 aus einer in 1 dargestellten Ruhelage der Struktur 5 zu einer Schwingung mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse Y während mindestens eines ersten Zeitintervalls innerhalb mindestens einer Schwingperiode der Schwingung angeregt.
– In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Kraftwirkung auf die Struktur 5 entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse X aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors 1 um eine Achse im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse Z während mindestens eines zweiten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode detektiert. Hierbei werden die Elektroden 7, 9, 11, 13, 15, 17 derart angesteuert, dass durch Spannungsbeaufschlagung der Elektroden 7, 9, 11, 13, 15, 17
– die Anregung der Struktur 5 erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur 5 aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse Y in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird oder
– die Anregung der Struktur 5 erzeugt wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder
– die Anregung der Struktur 5 erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur 5 aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse Y in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder
– die Anregung der Struktur 5 erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur 5 aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse Y in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und die Kraftwirkung detektiert wird oder
– die Anregung der Struktur 5 erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur 5 aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse Y in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird und die Kraftwirkung detektiert wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird Platz gespart und somit kleinere und kostengünstigere Drehratensensor-Designs ermöglicht. Dies wird insbesondere durch das Zusammenlegen mehrerer Funktionalitäten in die Elektroden, welche sich beispielsweise durch Vervielfältigung der Elektroden in X-Richtung zu Fingerstrukturen bzw. zu einer Kammstruktur ausbilden, ermöglicht. Das Zusammenlegen mehrerer Funktionalitäten in eine Fingerstruktur bietet beispielsweise die Möglichkeit Platz durch weniger Pads und geringere Komplexität der Verdrahtung zu gewinnen. Ferner wird ein Platzgewinn durch topologische Vorteile erreicht, da keine separaten Rahmen, wie beispielsweise bei einem Ω_Z Drehratensensor, welcher einen Antriebs-, einen Coriolis- und einen Detektionsrahmen umfasst, mehr notwendig sind. Des Weiteren bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass eine Messung „vor Ort“ ermöglicht wird, da Antriebs- und Coriolisstruktur zusammenlegbar sind und daher ein Versatz bezüglich Antriebsamplitude und Phase minimierbar bzw. vermeidbar ist.
Bei dem in 1 dargestellten Drehratensensor ist die Struktur 5 beispielsweise über in 1 nicht dargestellte Antriebs- und Detektionsfedern so aufgehängt, dass eine Antriebsbewegung in Y-Richtung und eine Detektionsbewegung in X-Richtung möglich ist. Ferner handelt es sich bei dem in 1 dargestellten Drehratensensor beispielsweise um einen Drehratensensor zur Detektion einer Drehrate um die Z-Achse. Die vorliegende Erfindung ist jedoch beispielsweise auch anwendbar für die Detektion einer Drehrate um die X-Achse oder Y-Achse oder für die Detektion von Drehraten um mehrere der genannten Achsen.
Beispielsweise wird ferner der in 1 dargestellte Drehratensensor derart betrieben, dass eine der Kraftwirkung im Wesentlichen gegenphasig entgegenwirkende weitere Kraftwirkung auf die Struktur 5 in einem fünften Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten und/oder dritten Zeitintervall disjunkten fünften Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren zweiten Drehratensensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der in 2 dargestellte Drehratensensor 1 im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Drehratensensor 1 entspricht. Jedoch ist der in 2 dargestellte Drehratensensor des Weiteren derart betreibbar, dass eine dritte Kraftwirkung auf die Struktur 5 entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse X aufgrund der Auslenkung in einem sechsten Verfahrensschritt während mindestens eines sechsten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird. Bei dem in 2 beispielhaft dargestellten Drehratensensor sind in einer Funktionsschicht verschiedene elektrisch getrennte bzw. isolierte Bereiche realisiert. Hierbei sind insbesondere die zweite Elektrode 9 von einem ersten Teilbereich 19, die dritte Elektrode 11 von einem dritten Teilbereich 23, die fünfte Elektrode 15 von einem vierten Teilbereich 25 sowie die sechste Elektrode 17 von einem zweiten Teilbereich 21 jeweils elektrisch getrennt, bzw. elektrisch isoliert, vorgesehen. Somit ist eine Erweiterung um die Funktionalität der Quadraturkompensation möglicht.
Beispielsweise ist nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass mehrere Funktionalitäten in ein und demselben Elektrodenpärchen zusammengelegt werden. Beispielhaft kombinierbare Funktionalitäten sind Antriebskraft, Antriebsdetektion, Resonanzabstimmung, Coriolisdetektion, Lagerückregelung und Quadraturkompensation. Vorteilhaft ist auch eine Kombination mit weiteren Funktionalitäten denkbar. Beispielhafte und nicht abschließende Kombinationen beinhalten Antriebskraft + Antriebsdetektion, Antriebskraft + Resonanzabstimmung, Antriebskraft + Antriebsdetektion + Resonanzabstimmung, Antriebskraft + Antriebsdetektion + Coriolisdetektion, Antriebskraft + Antriebsdetektion + Resonanzabstimmung + Coriolisdetektion, sowie weitere.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere entscheidend, dass für die gewünschte Kombination von Funktionalitäten beispielsweise eine entsprechende Signalgenerierungs- und Signalauswerte-Sequenz einer elektronischen Ansteuerung implementiert ist. Diese ist denkbar, indem über Zeitmultiplex entsprechende DC- und AC-Spannungen auf den Elektroden überlagert werden.
In 3 ist in schematischer Darstellung eine für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbare Spannungsbeaufschlagung von Elektroden eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbaren Drehratensensors im Sinne von gegenüber der Zeit aufgetragenen elektrischen Potentialen dargestellt. Hierbei handelt es sich um ein beispielhaftes Taktschema einer möglichen Beschaltung. Für den Antrieb werden hier beispielhaft Rechteckpulse mit kurzen Unterbrechungen verwendet. Beispielsweise werden in den Zeitschlitzen der Unterbrechungen die verschiedenen Funktionen für Antriebsdetektion, Coriolisdetektion und Lagerückregelung realisiert. Des Weiteren werden beispielsweise in den Zeitschlitzen auch Spannungen zur Quadraturkompensation angelegt bei einer Verwendung einer Struktur wie in 2. Dies ist in 3 jedoch nicht dargestellt.
Für die Funktionalitäten der Antriebskraft, der Antriebsdetektion, sowie der Resonanzabstimmung sind beispielsweise zeitweise die zweite und dritte Elektrode 9, 11 bzw. die fünfte und sechste Elektrode 15, 17 verschaltet.
Beispielsweise wird zur Erzeugung der Anregung der Struktur 5 bzw. zur Generierung einer Antriebskraft

– eine eine an der ersten und vierten Elektrode 7, 13 anliegende Referenzspannung A unterschreitende erste Spannung B an der zweiten und dritten Elektrode 9, 11 angelegt und eine die Referenzspannung A überschreitende zweite Spannung C an der fünften und sechsten Elektrode 15, 17 angelegt oder
– eine die Referenzspannung A überschreitende erste Spannung B an der zweiten und dritten Elektrode 9, 11 angelegt und eine die Referenzspannung A unterschreitende zweite Spannung C an der fünften und sechsten Elektrode 15, 17 angelegt. Hierbei sind beispielsweise die Zeitverläufe der beiden Potentiale auf Elektroden 9, 11 und 15, 17 derart, dass im Spektrum der Potentialdifferenz ein deutlicher Anteil bei der Frequenz der mechanischen Antriebsmode liegt. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt.

Des Weiteren wird beispielsweise zur Erfassung der Auslenkung bzw. Antriebsdetektion eine die an der ersten und vierten Elektrode 7, 13 anliegende Referenzspannung A überschreitende dritte Spannung D an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode 9, 11, 15, 17 angelegt. Hierbei liegt beispielsweise in kurzen Zeitschlitzen, welche sich beispielsweise sechzehn mal während einer Schwingperiode wiederholen, eine Spannung D an, die beispielsweise eine Differenz zum Mittelmassenpotenzial auf die erste und vierte Elektrode 7, 13 derart aufweist, dass das Auslesen der Kapazität und damit der Eintauchtiefe der beweglichen Finger ermöglicht wird. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt.
Zusätzlich wird beispielsweise zur Abstimmung der ersten Frequenz mit der zweiten Frequenz bzw. zur Resonanzabstimmung eine die an der ersten und vierten Elektrode 7, 13 anliegende Referenzspannung A überschreitende zeitlich konstante vierte Spannung an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode 9, 11, 15, 17 angelegt. Hierbei liegt beispielsweise an allen Elektroden über eine Schwingperiode im zeitlichen Mittel eine effektive Spannungsdifferenz zum Mittelmassenpotential an. Diese Spannungsdifferenz entspricht beispielsweise der theoretischen Mitkoppelspannung als DC-Wert. Beispielsweise ist einer von mehreren freien Parametern zur Erreichung dieses Ziels die Wahl des DC-Niveaus der Antriebsspannung.
Für die Funktionalitäten der Lagerückregelung und der Coriolisdetektion sind beispielsweise zeitweise die zweite und fünfte Elektrode 9, 15 bzw. die dritte und sechste Elektrode 11, 17 verschaltet.
Beispielsweise wird zur Detektion der Kraftwirkung bzw. der Coriolisdetektion eine die an der ersten und vierten Elektrode 7, 13 anliegende Referenzspannung A überschreitende fünfte Spannung E an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode 9, 11, 15, 17 angelegt. Hierbei wird in kurzen Zeitschlitzen, welche sich beispielsweise sechzehn mal während einer Schwingperiode wiederholen, jedoch keinen Überlapp mit den Zeitschlitzen der Antriebsdetektion haben, eine Spannung E angelegt, welche eine Differenz zum Mittelmassenpotential auf Elektroden 7, 13 aufweist, um beispielsweise das Auslesen der Kapazität und damit der Seitwärtsbewegung der beweglichen Finger zu ermöglichen. Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt. Beispielsweise kann die Information der Seitwärtsbewegung als Maß für die Coriolisauslenkung oder als Maß für die Quadraturbewegung im ASIC ausgewertet werden.
Des Weiteren wird beispielsweise zur Bewirkung der weiteren Kraftwirkung bzw. zur Lagerückregelung eine die an der ersten und vierten Elektrode 7, 13 anliegende Referenzspannung A überschreitende sechste Spannung F an der zweiten und fünften Elektrode 9, 15 oder eine die Referenzspannung A überschreitende siebte Spannung G an der dritten und sechsten Elektrode 11, 17 angelegt. Hierbei wird beispielsweise ähnlich der Coriolisdetektion – jedoch dazu überlappfrei – jeweils eine Spannung F, G an die Elektrode 9, 15 bzw. an die Elektrode 11, 17 gelegt, wobei die Spannung die der Kraftwirkung bzw. der Seitwärtsbewegung aufgrund der Corioliskraft entgegenwirkende weitere Kraftwirkung auf die Struktur 5 erzeugt.
Schließlich wird beispielsweise zur Bewirkung der dritten Kraftwirkung bzw. zur Quadraturkompensation eine die an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse X verbreiterten ersten Bereich 27 der ersten Elektrode 7 und an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse X verbreiterten zweiten Bereich 29 der vierten Elektrode 13 anliegende Referenzspannung A überschreitende oder unterschreitende achte Spannung an einem ersten Teilbereich 19 der zweiten Elektrode 9 und an einem zweiten Teilbereich 21 der sechsten Elektrode 17 und/oder eine die Referenzspannung A überschreitende oder unterschreitende neunte Spannung an einem dritten Teilbereich 23 der dritten Elektrode 11 und an einem vierten Teilbereich 25 der fünften Elektrode 15 angelegt. Beispielsweise wird insbesondere durch die Verbreiterung des ersten und zweiten Bereichs 27, 29, bzw. der Anbindung der beweglichen Finger die Funktion der Quadraturkompensation bereitgestellt. Hierdurch wird ein auslenkungsabhängiger Überlapp jeweils zwischen der ersten Elektrode 7 und dem ersten und dritten Teilbereich 19, 23 sowie zwischen der vierten Elektrode 13 und dem zweiten und vierten Teilbereich 21, 25 bereitgestellt. Somit ist es durch Beschaltung mit unterschiedlichen DC-Spannungen zwischen den Teilbereichen 19, 21, 23, 25 möglich, seitwärts gerichtete Kräfte zu erzeugen, die einem Schiefschwingen, der sogenannten Quadraturbewegung, entgegenwirken.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) mit einem Substrat (3) und mit mindestens einer gegenüber dem Substrat (3) beweglichen Struktur (5) und mit mindestens einer an der Struktur (5) befestigten ersten Elektrode (7) und mit mindestens einer substratfesten zweiten Elektrode (9) und mit mindestens einer substratfesten dritten Elektrode (11) und mit mindestens einer an der Struktur (5) befestigten vierten Elektrode (13) und mit mindestens einer substratfesten fünften Elektrode (15) und mit mindestens einer substratfesten sechsten Elektrode (17), wobei die erste Elektrode (7) mindestens teilweise zwischen der zweiten Elektrode (9) und der dritten Elektrode (11) und die vierte Elektrode (13) mindestens teilweise zwischen der fünften Elektrode (15) und der sechsten Elektrode (17) jeweils in einer Ruhelage der Struktur (5) und entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse (X) angeordnet sind, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt die Struktur (5) aus einer Ruhelage der Struktur (5) zu einer Schwingung mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu einer senkrecht zu der ersten Achse (X) verlaufenden zweiten Achse (Y) während mindestens eines ersten Zeitintervalls innerhalb mindestens einer Schwingperiode der Schwingung angeregt wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt eine Kraftwirkung auf die Struktur (5) entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse (X) aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors (1) um eine Achse im Wesentlichen parallel zu einer senkrecht zu der ersten Achse (X) und senkrecht zu der zweiten Achse (Y) verlaufenden dritten Achse (Z) während mindestens eines zweiten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Elektrode (7, 9, 11, 13, 15, 17) derart angesteuert werden, dass durch Spannungsbeaufschlagung der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Elektrode (7, 9, 11, 13, 15, 17) – die Anregung der Struktur (5) erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur (5) aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse (Y) in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird oder – die Anregung der Struktur (5) erzeugt wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder – die Anregung der Struktur (5) erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur (5) aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse (Y) in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird oder – die Anregung der Struktur (5) erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur (5) aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse (Y) in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und die Kraftwirkung detektiert wird oder – die Anregung der Struktur (5) erzeugt wird und eine Auslenkung der Struktur (5) aus der Ruhelage im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse (Y) in einem dritten Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten Zeitintervall disjunkten dritten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode erfasst wird und eine erste Frequenz der Schwingung mit einer zweiten Frequenz der Kraftwirkung in einem vierten Verfahrensschritt während mindestens eines vierten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode abgestimmt wird und die Kraftwirkung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Anregung der Struktur (5) – eine eine an der ersten und vierten Elektrode (7, 13) anliegende Referenzspannung (A) unterschreitende erste Spannung (B) an der zweiten und dritten Elektrode (9, 11) angelegt wird und eine die Referenzspannung (A) überschreitende zweite Spannung (C) an der fünften und sechsten Elektrode (15, 17) angelegt wird oder – eine die Referenzspannung (A) überschreitende erste Spannung (B) an der zweiten und dritten Elektrode (9, 11) angelegt wird und eine die Referenzspannung (A) unterschreitende zweite Spannung (C) an der fünften und sechsten Elektrode (15, 17) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Auslenkung eine die an der ersten und vierten Elektrode (7, 13) anliegende Referenzspannung (A) überschreitende dritte Spannung (D) an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode (9, 11, 15, 17) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstimmung der ersten Frequenz mit der zweiten Frequenz eine die an der ersten und vierten Elektrode (7, 13) anliegende Referenzspannung (A) überschreitende zeitlich konstante vierte Spannung an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode (9, 11, 15, 17) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der Kraftwirkung eine die an der ersten und vierten Elektrode (7, 13) anliegende Referenzspannung (A) überschreitende fünfte Spannung (E) an der zweiten, dritten, fünften und sechsten Elektrode (9, 11, 15, 17) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kraftwirkung im Wesentlichen gegenphasig entgegenwirkende weitere Kraftwirkung auf die Struktur (5) in einem fünften Verfahrensschritt während mindestens eines mit dem ersten und/oder dritten Zeitintervall disjunkten fünften Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewirkung der weiteren Kraftwirkung eine die an der ersten und vierten Elektrode (7, 13) anliegende Referenzspannung (A) überschreitende sechste Spannung (F) an der zweiten und fünften Elektrode (9, 15) oder eine die Referenzspannung (A) überschreitende siebte Spannung (G) an der dritten und sechsten Elektrode (11, 17) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Kraftwirkung auf die Struktur (5) entlang einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse (X) aufgrund der Auslenkung in einem sechsten Verfahrensschritt während mindestens eines sechsten Zeitintervalls innerhalb der Schwingperiode bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewirkung der dritten Kraftwirkung eine die an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse (X) verbreiterten ersten Bereich (27) der ersten Elektrode (7) und an einem im Wesentlichen in eine Richtung parallel zu der ersten Achse (X) verbreiterten zweiten Bereich (29) der vierten Elektrode (13) anliegende Referenzspannung (A) überschreitende oder unterschreitende achte Spannung an einem ersten Teilbereich (19) der zweiten Elektrode (9) und an einem zweiten Teilbereich (21) der sechsten Elektrode (17) und/oder eine die Referenzspannung (A) überschreitende oder unterschreitende neunte Spannung an einem dritten Teilbereich (23) der dritten Elektrode (11) und an einem vierten Teilbereich (25) der fünften Elektrode (15) angelegt wird.