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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Drehratensensoren sind spezielle mikroelektromechanische Systeme (MEMS), mit welchen Drehraten gemessen werden können. Solche Sensoren sind allgemein bekannt und finden vielfältige Verwendung. Im Betrieb treten bei mikromechanischen Drehratensensoren häufig unerwünschte Bewegungen in die Detektionsrichtung während der Antriebsbewegung auf, insbesondere ein Übersprechen der Antriebsbewegung. Solche unerwünschten Bewegungen werden als Quadratur bezeichnet. Zur Kompensation solcher Quadratureffekte werden bei aus dem Stand der Technik bekannten Drehratensensoren Quadraturkompensationsstrukturen verwendet. Diese bestehen typischerweise aus Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung wird mithilfe solcher Quadraturkompensationsstrukturen der entstehenden Quadratur entgegengewirkt. Allerdings haben aus dem Stand der Technik bekannte Quadraturkompensationen diverse Nachteile. Beispielsweise ist die Kompensation häufig anfällig gegenüber äußeren Einflüssen, wie Temperaturänderungen und Temperaturgradienten. Hierbei können sowohl äußere Einflüsse während der Herstellung oder des Einbaus des Drehratensensors als auch während des Betriebs einen nachteiligen Einfluss auf die Quadraturkompensation haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drehratensensor vorzuschlagen, dessen Quadraturkompensation im Vergleich zum Stand der Technik robuster gegenüber äußeren Einflüssen ist.
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine erste und zweite Kompensationsstruktur, welche zur Quadraturkompensation in unterschiedliche Richtungen ausgebildet sind, örtlich nah aneinander angeordnet sind. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die Quadraturkompensation robust gegenüber äußeren Einflüssen ist. Beispielsweise ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass eine eingestellte Kompensation auch im Falle einer Temperaturänderung noch vorteilhaft funktioniert. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass, für den Fall einer Temperaturänderung, die erste Kompensationsstruktur und die zweite Kompensationsstruktur eine sehr ähnliche oder gleiche Substratdeformation erfahren.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kompensationsstrukturen ist ein solch vorteilhaftes Verhalten nicht gegeben, da Kompensationsstrukturen, die für die Kompensation in unterschiedliche Richtungen ausgebildet sind, typischerweise weit voneinander entfernt sind. Somit erfahren bei aus dem Stand der Technik bekannten Drehratensensoren, die Kompensationsstrukturen, welche zur Kompensation in eine erste Richtung ausgebildet sind, im Falle einer Temperaturänderung eine andere Substratdeformation als die Kompensationsstrukturen, die zur Kompensation in eine zweite Richtung ausgebildet sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Dadurch, dass der Drehratensensor eine Coriolisstruktur aufweist, wobei die erste Kompensationsstruktur eine erste mit einem Teil des Substrats verbundene Elektrodenstruktur und einen ersten Randbereich aufweist, wobei die zweite Kompensationsstruktur eine zweite mit einem Teil des Substrats verbundene Elektrodenstruktur und einen zweiten Randbereich aufweist, wobei der erste Randbereich und der zweite Randbereich jeweils als Teil eines schwebenden Bereichs der Coriolisstruktur ausgebildet sind, wobei der erste und zweite Randbereich derart ausgebildet sind, dass sie sich eine Mittelstruktur insbesondere umfassend einen Balken, teilen, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, dass die erste Kompensationsstruktur in besonders vorteilhafter Weise direkt angrenzend an der zweiten Kompensationsstruktur angeordnet ist, wobei ein Mittelbereich, beispielsweise ein Balken oder eine Anordnung von Balken, sowohl ein Bestandteil der ersten als auch der zweiten Kompensationsstruktur (bzw. des ersten Randbereichs als auch des zweiten Randbereichs) ist. Es ist möglich, dass an der ersten Elektrodenstruktur und an der zweiten Elektrodenstruktur unterschiedliche Spannungen zur Quadraturkompensation anlegbar sind, sodass mithilfe der ersten Kompensationsstruktur eine Quadraturkompensation in eine erste Richtung und mit der zweiten Kompensationsstruktur eine Quadraturkompensation in eine zweite Richtung vollziehbar ist.
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Dadurch, dass der erste Randbereich die erste Elektrodenstruktur in einer Ebene im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrats umschließt, wobei der zweite Randbereich die zweite Elektrodenstruktur in der Ebene umschließt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine besonders effiziente Quadraturkompensation für den Drehratensensor realisierbar ist. Es ist besonders bevorzugt, dass der erste Randbereich im Wesentlichen S-förmig um die erste Elektrodenstruktur ausgebildet ist und dass der zweite Randbereich im Wesentlichen S-förmig um die zweite Elektrodenstruktur ausgebildet ist.
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Dadurch, dass die erste Kompensationsstruktur mit Bezug auf eine Symmetrieebene im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur zweiten Kompensationsstruktur ausgebildet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Kompensationsstrukturenpaar eine Spiegelsymmetrie (bezüglich der Symmetrieebene) aufweist.
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Es ist dabei gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass sich die Symmetrieebene senkrecht zur Oberfläche des Substrats und in eine Haupterstreckungsrichtung der ersten Elektrodenstruktur und/oder der zweiten Elektrodenstruktur und/oder einer Kompensationsstrukturanordnung, welche das Kompensationsstrukturenpaar umfasst, erstreckt. Dadurch ist es insbesondere möglich, dass die erste Kompensationsstruktur im Wesentlichen auf einer Seite der Symmetriebeende ausgebildet ist und die zweite Kompensationsstruktur im Wesentlichen auf der anderen (entgegengesetzten) Seite der Symmetrieebene ausgebildet ist.
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Alternativ ist es erfindungsgemäß ebenso denkbar, dass die erste und zweite Kompensationsstruktur nicht symmetrisch zueinander ausgebildet sind.
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Dadurch, dass der Drehratensensor eine Kompensationsstrukturanordnung umfasst, wobei die Kompensationsstrukturanordnung das Kompensationsstrukturenpaar umfasst, wobei die Kompensationsstrukturanordnung zusätzlich mindestens ein, bevorzugt drei, besonders bevorzugt fünf, weiter besonders bevorzugt eine Vielzahl von weiteren Kompensationsstrukturenpaaren umfasst, wobei die weiteren Kompensationsstrukturenpaare im Wesentlichen die gleichen Merkmale aufweisen wie das Kompensationsstrukturenpaar, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Kompensationsstrukturenpaar als Teil einer Kompensationsstrukturanordnung ausgebildet ist, welche weitere Kompensationsstrukturenpaare aufweist. Hierdurch kann eine für den jeweiligen Drehratensensor optimierte Anzahl an einzelnen Kompensationsstrukturenpaaren zu einer Kompensationsstrukturanordnung zusammengefasst werden, wodurch eine für den jeweiligen Sensor optimierte Quadraturkompensation erreichbar ist.
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Dadurch, dass der Drehratensensor zusätzlich mindestens ein, bevorzugt drei, besonders bevorzugt fünf, weiter besonders bevorzugt eine Vielzahl von weiteren Kompensationsstrukturanordnungen aufweist, wobei die weiteren Kompensationsstrukturanordnungen im Wesentlichen die gleichen Merkmale aufweisen wie die Kompensationsstrukturanordnung, jedoch insbesondere jeweils um eine Drehachse senkrecht zur Oberfläche des Substrats um einen beliebigen Winkel relativ zur Kompensationsstrukturanordnung gedreht sind, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass mehrere Kompensationsstrukturanordnungen an verschiedenen Seiten des Drehratensensors angebracht sind. Da die Kompensationsstrukturanordnungen jeweils (ein oder mehrere) Kompensationsstrukturenpaare aufweisen, ist es dennoch in vorteilhafter Weise möglich, dass der Drehratensensor robust gegenüber äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturänderungen ist, weil jeweils eine erste und zweite Kompensationsstruktur (als Teil eines Kompensationsstrukturenpaares) örtlich nah aneinander angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehratensensor oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors beschriebenen Vorteile.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt schematisch ein Kompensationsstrukturenpaar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dargestellt sind eine Coriolisstruktur 2 und eine Detektionsstruktur 60 des Drehratensensors1. Bei bekannten Drehratensensoren 1 werden Kompensationsstrukturreihen verwendet. Innerhalb einer Kompensationsstrukturreihe befinden sich dabei nur Kompensationsstrukturen, welche zur Quadraturkompensation in die gleiche Richtung ausgebildet sind. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Drehratensensoren wird demnach eine erste Kompensationsstrukturreihe (gekennzeichnet durch das Oval im oberen rechten Bereich der 1) zur Quadraturkompensation in eine erste Richtung verwendet und eine zweite Kompensationsstrukturreihe (gekennzeichnet durch das Oval im unteren rechten Bereich der 1) zur Quadraturkompensation in eine zweite Richtung. Derartige Drehratensensoren haben den Nachteil, dass die Kompensation anfällig gegenüber äußeren Einflüssen ist, was sich in vielen Situationen negativ auf das Verhalten des Sensors auswirken kann.
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In 2 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Drehratensensor 1 ist ein in-plane Drehratensensor mit einem Substrat. Dargestellt ist insbesondere nur ein Teilbereich des Drehratensensors 1, insbesondere ein Teilbereich einer Coriolisstruktur 2 und einer Detektionsstruktur 60. Typischerweise umfasst ein derartiger Drehratensensor auch eine Antriebsstruktur (nicht gezeigt). Als Teil der Coriolisstruktur 2 ist eine Kompensationsstrukturanordnung 40 ausgebildet. Die Kompensationsstrukturanordnung 40 umfasst in der gezeigten Ausführungsform vier Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'", welche alle jeweils im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die vier Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'" sind aneinandergereiht in die Haupterstreckungsrichtung 400 der Kompensationsstrukturanordnung 40 angeordnet und grenzen jeweils direkt aneinander. Es ist alternativ aber ebenso möglich, dass zwischen jeweils zwei Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'" eine andere Struktur angeordnet ist, sodass die Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'" zumindest teilweise nicht direkt aneinander angrenzen. Die Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'" umfassen jeweils eine erste Kompensationsstruktur 10 und eine zweite Kompensationsstruktur 20. Die ersten und zweiten Kompensationsstrukturen 10, 20 sind derart ausgebildet, dass sie eine Quadraturkompensation in zwei unterschiedliche Richtungen ermöglichen. Die ersten Kompensationsstrukturen 10 umfassen jeweils eine erste Elektrodenstruktur 11 und einen ersten Randbereich 12. Die ersten Elektrodenstrukturen 11 sind mit dem Substrat verbunden, wobei es möglich ist, an die ersten Elektrodenstrukturen 11 eine Spannung anzulegen, um eine Quadraturkompensation in eine erste Richtung zu erzielen. Die zweiten Kompensationsstrukturen 20 umfassen jeweils eine zweite Elektrodenstruktur 21 und einen zweiten Randbereich 22. Die zweiten Elektrodenstrukturen 21 sind mit dem Substrat verbunden, wobei es möglich ist an die zweiten Elektrodenstrukturen 21 eine Spannung anzulegen, um eine Quadraturkompensation in eine zweite Richtung zu erzielen. Die ersten Randbereiche 12 sind jeweils als Teil eines schwebenden Bereichs der Coriolisstruktur 2 ausgebildet. Die zweiten Randbereiche 22 sind ebenso jeweils als Teil eines schwebenden Bereichs der Coriolisstruktur 2 ausgebildet. Der erste Randbereich 12 und der zweite Randbereich 22 eines Kompensationsstrukturenpaares 30, 30', 30", 30'" teilen sich jeweils eine Mittelstruktur 25, welche in der gezeigten Darstellung aus Balken besteht. Die Kompensationsstrukturenpaare 30, 30', 30", 30'" sind jeweils spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 100 ausgebildet. Die Symmetrieebene 100 steht senkrecht auf der Oberfläche des Substrats und erstreckt sich zusätzlich in eine Haupterstreckungsrichtung 110 der ersten Elektrodenstruktur 11 und der zweiten Elektrodenstruktur 21. In der gezeigten Darstellung ist die Haupterstreckungsrichtung 110 der ersten Elektrodenstruktur 11 und der zweiten Elektrodenstruktur 21 ebenso die Haupterstreckungsrichtung 400 der Kompensationsstrukturanordnung 40.
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In 3 ist schematisch ein Kompensationsstrukturenpaar 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Kompensationsstrukturenpaar 30 umfasst eine erste Kompensationsstruktur 10 und eine zweite Kompensationsstruktur 20, welche zur Quadraturkompensation in unterschiedliche Richtungen ausgebildet sind. Die erste Kompensationsstruktur 10 besteht aus einer ersten Elektrodenstruktur 11 und einem ersten Randbereich 12. Die erste Elektrodenstruktur 11 ist mit dem Substrat verbunden und derart ausgebildet, dass eine elektrische Spannung an der ersten Elektrodenstruktur 11 angelegt werden kann. Der erste Randbereich 12 ist Teil einer Coriolisstruktur 2, insbesondere eines schwebenden Teils der Coriolisstruktur 2. Der erste Randbereich 12 umschließt die erste Elektrodenstruktur 11 in einer Ebene, welche parallel zur Substratoberfläche (an der Drehratensensor ausgebildet ist) angeordnet ist. Bevorzugt besteht der erste Randbereich 12 aus Balken. Die zweite Kompensationsstruktur 20 besteht aus einer zweiten Elektrodenstruktur 21 und einem zweiten Randbereich 22. Die zweite Elektrodenstruktur 21 ist mit dem Substrat verbunden und derart ausgebildet, dass eine elektrische Spannung an der zweiten Elektrodenstruktur 21 angelegt werden kann. Der zweite Randbereich 22 ist Teil einer Coriolisstruktur 2, insbesondere eines schwebenden Teils der Coriolisstruktur 2. Der zweite Randbereich 22 umschließt die zweite Elektrodenstruktur 21 in einer Ebene, welche parallel zur Substratoberfläche (an/in deren Umgebung der Drehratensensor 1 ausgebildet ist) angeordnet ist. Bevorzugt besteht der zweite Randbereich 22 aus Balken. Der erste und zweite Randbereich 12, 22 weisen einen gemeinsamen Mittelbereich 25 auf. Das Kompensationsstrukturenpaar 30 ist derart ausgebildet, dass es eine Spiegelsymmetrie zu einer Symmetrieebene 100 aufweist, welche senkrecht auf der Substratoberfläche steht und sich in eine Haupterstreckungsrichtung 110 der ersten und zweiten Elektrodenstruktur 11, 21 erstreckt.
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Dadurch, dass jeweils eine erste und zweite Kompensationsstruktur 10, 20 in räumlicher Nähe zueinander als Kompensationsstrukturenpaar 30 ausgebildet sind, ist es erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass diese in räumlicher Nähe angeordnete erste und zweite Kompensationsstruktur 10, 20 eine zumindest sehr ähnliche Substratausdehnung erfahren, wenn sich die Temperatur des Substrats (am oder in der Nähe des Drehratensensors 1) ändert. Dadurch bleibt die durch Anlegen von elektrischen Spannungen erreichte Quadraturkompensation in vorteilhafter Weise mit hoher Güte erhalten, selbst wenn sich die äußeren Einflüsse, welchen der Drehratensensor 1 ausgesetzt ist, ändern.
