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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl auch beliebige mikromechanische Bauelemente anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnungen für Kraftfahrzeuge erläutert.
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Während im Bereich der Consumerelektronik die Verwendung von dreiachsigen Drehratensensoren üblich ist, werden für Automotive-Anwendungen typischerweise einachsige Drehratensensoren verwendet.
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Für komplexere Automotive-Anwendungen, wie z.B. Inertialnavigation für automatisiertes Fahren oder für satellitengestützte Navigation, Lagebestimmung von Kamera- oder LIDAR-basierter Umweltsensorik oder auch für Zweiradanwendungen sind robuste dreiachsige Drehratensensoren erforderlich.
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Die
DE 10 2010 062 095 A1 und die
WO 96/39615 offenbaren zweiachsige Drehratensensoreinrichtungen mit zwei Rotoreinrichtungen, welche um eine erste Achse gegenphasig oszillierend antreibbar sind und um eine zweite und dritte Achse antisymmetrisch verkippbar sind.
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Die
DE 10 2010 061 755 A1 offenbart einen Drehratensensor mit einem ersten Corioliselement, einem zweiten Corioliselement, einem dritten Corioliselement und einem vierten Corioliselement, wobei das erste Corioliselement und das vierte Corioliselement gleichsinnig parallel zu einer sich zur Haupterstreckungsebene parallel und senkrecht zur ersten Achse erstreckenden zweiten Achse antreibbar sind und wobei das erste und das zweite Corioliselement gegensinnig parallel zur zweiten Achse antreibbar sind und wobei das erste Corioliselement und das dritte Corioliselement gegensinnig parallel zur zweiten Achse antreibbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 15.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Verbindung eines einachsigen und eines zweiachsigen Drehratensensors über einen gemeinsamen Antriebsmechanismus. Der resultierende dreiachsige Drehratensensor ist robust gegenüber äußerer Linear- und Drehbeschleunigung, so dass insbesondere die Anforderungen für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automotive-Umfeld erfüllt sind.
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Die erfindungsgemäße mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung mit dem gemeinsamen Antriebsmechanismus für alle drei Messachsen bietet mehrere Vorteile gegenüber drei einzelnen Drehratensensoren. Da es nur einen Antriebsmechanismus gibt, können im Sensorkern Antriebsstrukturen sowie Anschlusspads und die dazugehörigen Verdrahtungen eingespart werden. Somit kann auch der ASIC kompakt gebaut werden, weil nur ein Antriebsregelkreis zur Verfügung gestellt werden muss. Besonders vorteilhaft ist die Vermeidung von unterschiedlichen Antriebsfrequenzen für die verschiedenen Drehratensensoren, sodass eine gegenseitige Beeinflussung, z.B. durch parasitäres Übersprechen der Antriebskräfte, vermieden werden kann. Zudem wird die Verpackung einfacher, und mögliche Fehlstellungen der einzelnen Drehratensensoren zueinander sind durch das Design der erfindungsgemäßen Drehraten-Sensoranordnung ausgeschlossen.
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Störmoden, die auf verschiedene Arten zu einem Fehlsignal eines dreiachsigen Drehratensensors führen können, z.B. durch (resonante) Anregung mittels äußeren Kräften (Vibration), oder durch nichtlineares Übersprechen in der Mechanik oder der Elektrostatik des Systems auftreten könnten, lassen sich vermeiden. Verwendet man hingegen drei identische einachsige Drehratensensoren, so haben alle Drehratensensoren die gleichen Störmoden, die prozessbedingt bei unterschiedlichen Frequenzen liegen, sodass sich insgesamt die Zahl der Störmoden in einem betrachteten Frequenzbereich verdreifacht. In einem mehrachsigen Drehratensensor ist es somit möglich, eine Reduzierung der Störmoden weiterhin dadurch zu erreichen, dass dieselben Detektionsstrukturen jeweils für mehr als nur eine Messachse sensitiv ausgelegt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung eine erste Rotoreinrichtung, welche um die erste Achse oszillierend antreibbar ist, und eine zweite Rotoreinrichtung, welche um die erste Achse gegenphasig zur ersten Rotoreinrichtung oszillerend antreibbar ist, auf. Die erste Rotoreinrichtung ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse und durch die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse(x) verkippbar ist und wobei die zweite Rotoreinrichtung durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse(x) antiparallel zur ersten Rotoreinrichtung verkippbar ist. Eine erste Kopplungseinrichtung, die eine erste Federeinrichtung aufweist, über die die erste Rotoreinrichtung und die zweite Rotoreinrichtung derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die zweite Achse unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die zweite Achse ermöglicht ist, und eine zweite Kopplungseinrichtung, über die die erste Rotoreinrichtung und die zweite Rotoreinrichtung derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die dritte Achse unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die dritte Achse ermöglicht ist, sind vorgesehen. Eine erste Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung um die zweite Achse, und eine zweite Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung um die dritte Achse. Eine derartige Drehratensensoreinrichtung ist robust herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die linear antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung eine Rahmeneinrichtung mit einem ersten Rahmen und einem zweiten Rahmen auf, wobei der zweite Rahmen zumindest teilweise vom ersten Rahmen umgeben ist, wobei der erste Rahmen entlang der dritten Achse oszillierend antreibbar ist und wobei der zweite Rahmen entlang der dritten Achse gegenphasig zum ersten Rahmen oszillierend antreibbar ist, wobei der erste und zweite Rahmen durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse gegenphasig entlang der zweiten Achse oszillierend auslenkbar sind, und wobei der erste Rahmen einen ersten Teilrahmen und einen zweiten Teilrahmen und der zweite Rahmen einen dritten Teilrahmen und einen vierten Teilrahmen aufweist. Eine dritte Kopplungseinrichtung, über die der erste Teilrahmen und der dritte Teilrahmen derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens entlang der dritten Achse unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens entlang der dritten Achse ermöglicht ist, und eine vierte Kopplungseinrichtung, über die der zweite Teilrahmen und der vierte Teilrahmen derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens entlang der dritten Achse unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens entlang der dritten Achse ermöglicht ist, sind vorgesehen. Eine dritte Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines gegenphasigen Auslenkens des ersten und zweiten Rahmens entlang der zweiten Achse. Eine derartige Drehratensensoreinrichtung kann gut mit der rotatorisch antreibbaren ersten Drehratensensoreinrichtung gekoppelt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der erste Antriebsrahmen einen ersten Teilantriebsrahmen und einen zweiten Teilantriebsrahmen und der zweite Antriebsrahmen einen dritten Teilantriebsrahmen und einen vierten Teilantriebsrahmen auf, wobei der erste Teilantriebsrahmen und zweite Teilantriebsrahmen über eine fünfte Kopplungseinrichtung mit gegenüberliegenden Seiten der ersten Rotoreinrichtung verbunden sind, und wobei der dritte Teilantriebsrahmen und vierte Teilantriebsrahmen über eine sechste Kopplungseinrichtung mit gegenüberliegenden Seiten der zweiten Rotoreinrichtung verbunden sind. Dies ermöglicht einen symmetrischen Antrieb.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der dritte Teilantriebsrahmen über eine siebente Kopplungseinrichtung mit dem ersten Teilrahmen verbunden, wobei der vierte Teilantriebsrahmen über eine achte Kopplungseinrichtung mit dem zweiten Teilsrahmen verbunden ist. So lässt sich eine effektive lineare Kopplung des ersten und zweiten Teilrahmens erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine neunte Kopplungseinrichtung zum Verbinden des ersten Teilantriebsrahmens und des zweiten Teilantriebsrahmens und eine zehnte Kopplungseinrichtung zum Verbinden des dritten Teilantriebsrahmens und des vierten Teilantriebsrahmens vorgesehen. So lässt sich eine effektive lineare Kopplung der Teilantriebsrahmen erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine elfte Kopplungseinrichtung zum Verbinden des ersten Teilantriebsrahmens und des dritten Teilantriebsrahmens und eine zwölfte Kopplungseinrichtung zum Verbinden des zweiten Teilantriebsrahmens und des vierten Teilantriebsrahmens vorgesehen. So lässt sich eine effektive lineare Kopplung der weiteren Teilantriebsrahmen erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebseinrichtung einen ersten Antrieb zum Antreiben des ersten Antriebsrahmens und einen zweiten Antrieb zum Antreiben des zweiten Antriebsrahmens auf. Dies ermöglicht einen symmetrischen Antrieb.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebseinrichtung einen einzigen gemeinsamen Antrieb zum Antreiben des ersten Antriebsrahmens und zum Antreiben des zweiten Antriebsrahmens auf. Dies spart Raum im Design.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebsrahmeneinrichtung einen ersten balkenförmigen Antriebsrahmen und einen zweiten balkenförmigen Antriebsrahmen auf, wobei der erste balkenförmige Antriebsrahmen über eine dreizehnte Kopplungseinrichtung mit einer Seite der ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtung und wobei der zweite balkenförmige Antriebsrahmen über eine vierzehnte Kopplungseinrichtung mit einer gegenüberliegenden Seite der ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtung verbunden ist. Dies ermöglicht die Ausbildung einer einfachen Antriebsrahmeneinrichtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zweite Kopplungseinrichtung eine erste Wippe auf, welche über eine erste Federeinrichtung mit der ersten und zweiten Rotoreinrichtung verbunden ist, und eine zweite Wippe aufweist, welche über eine zweite Federeinrichtung mit der ersten und zweiten Rotoreinrichtung verbunden ist. Dies ist eine effektive antisymmetrische Kopplung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste und/oder zweite Rotoreinrichtung eine oder mehrere Quadraturelektroden aufweisen, welche ausgestaltet sind, mit darunter befindlichen Quadraturelektroden zusammenzuwirken. Dies erhöht die Antriebsgenauigkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Erfassungseinrichtung und die zweite Erfassungseinrichtung eine jeweilige Mehrzahl kapazitiver Plattenelektroden auf, welche unterhalb der ersten und zweiten Rotoreinrichtung angeordnet sind. So lässt sich das Verkippen zuverlässig detektieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die dritte Erfassungseinrichtung eine Mehrzahl von kapazitiven Kammelektroden auf, welche innerhalb des ersten und zweiten Rahmens angeordnet sind. So lässt sich das antisymmetrische Auslenken zuverlässig detektieren
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6a)-c) schematische ebene Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Federaufhängungseinrichtungen für die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart der Kopplung der Rotoreinrichtungen mit dem Antriebsrahmen;
- 8 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart der Kopplung der Rotoreinrichtungen mit dem Antriebsrahmen;
- 9 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 10 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 100 eine rotatorisch um eine erste Achse (z-Achse) oszillierend antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung zum Erfassen einer ersten äußeren Drehrate um eine zweite Achse (y-Achse) und einer zweiten äußeren Drehrate um eine dritte Achse (x-Achse). Die erste, zweite und dritte Achse (z, y, x) sind senkrecht zueinander angeordnet.
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Die rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung 100 weist eine erste Rotoreinrichtung 1a, welche um die erste Achse (z-Achse) oszillierend antreibbar ist, und eine zweite Rotoreinrichtung 1b, welche um die erste Achse (z-Achse) gegenphasig zur ersten Rotoreinrichtung 1a oszillierend antreibbar ist.
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Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform sind die erste Rotoreinrichtung 1a und die zweite Rotoreinrichtung 1b scheibenförmig quadratisch gestaltet, wobei in einer jeweiligen zentralen Aussparung eine zugehörige erste bzw. zweite Aufhängungseinrichtung A1a, A1b angeordnet und verankert sind.
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Die erste Rotoreinrichtung 1a ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse (y-Achse) und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse (x-Achse) verkippbar. Die zweite Rotoreinrichtung 1b ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse (y-Achse) und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse (x-Achse) antiparallel zur ersten Rotoreinrichtung 1a verkippbar.
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Die erste und die zweite Rotoreinrichtung 1a, 1b sind über eine erste Federeinrichtung F13 als erste Kopplungseinrichtung derart gekoppelt, dass ein paralleles Verkippen um die zweite Achse (y-Achse) unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die zweite Achse (y-Achse) ermöglicht ist, und zwar aufgrund einer anisotropen Federkonstante.
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Weiterhin vorgesehen ist eine zweite Kopplungseinrichtung K1, K2, über die die erste Rotoreinrichtung 1a und die zweite Rotoreinrichtung 1b derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die dritte Achse (x-Achse) unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die dritte Achse (x-Achse) ermöglicht ist, und zwar ebenfalls aufgrund einer anisotropen Federkonstante der zweiten Kopplungseinrichtung K1, K2.
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Die zweite Kopplungseinrichtung K1, K2 weist einen ersten Teil K1 mit einer ersten Wippe 3a auf, welche beiderseits über eine jeweilige Federeinrichtung F61, F62 mit der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b verbunden ist. Die erste Wippe 3a weist eine erste elastische Aufhängung A1 auf, welche an einem (nicht dargestellten) Substrat verankert ist.
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Weiterhin weist die zweite Kopplungseinrichtung K1, K2 einen zweiten Teil K2 auf, welcher eine zweite Wippe 3b umfasst, die über eine jeweilige Federeinrichtung F63, F64 mit der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b verbunden ist. Die die zweite Wippe 3b weist eine zweite elastische Aufhängung A2 auf, welche an dem (nicht dargestellten) Substrat verankert ist.
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Eine erste Erfassungseinrichtung CPY, CNY, CPY', CNY' dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b um die zweite Achse (y-Achse). Eine zweite Erfassungseinrichtung CPX, CNX, CPX', CNX' dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b um die dritte Achse (x-Achse).
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Die erste Erfassungseinrichtung CPY, CNY, CPY', CNY' und die zweite Erfassungseinrichtung CPX, CNX, CPX', CNX' weisen beispielsweise eine jeweilige Mehrzahl kapazitiver Plattenelektroden auf, welche unterhalb der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b angeordnet sind, wie in 1 durch jeweilige Kreise schematisch angedeutet.
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Eine Antriebseinrichtung AT1, AT2, beispielsweise eine (nur schematisch dargestellte) Kammantriebseinrichtung, welche einen ersten Antrieb AT1 und einen zweiten Antrieb AT2 aufweist, ist für einen linear oszillierenden Antrieb entlang der dritten Achse (x-Achse) vorgesehen.
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Die erste Antrieb AT1 ist mit einem ersten Antriebsrahmen RA1a, RA1B, welcher einen ersten Teilantriebsrahmen RA1a und einen zweiten Teilantriebsrahmen RA1B aufweist, verbunden.
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Die zweite Antrieb AT2 ist mit einem zweiten Antriebsrahmen RA2a, RA2B, welcher einen dritten Teilantriebsrahmen RA2a und einen dritten Teilantriebsrahmen RA2B aufweist, verbunden.
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Der erste Antriebsrahmen RA1a, RA1b und der zweite Antriebsrahmen RA2a, RA2b sind winkelförmig ausgestaltet und verlaufen seitlich von der ersten Rotoreinrichtung 1a in deren Ebene.
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Der erste Teilantriebsrahmen RA1a ist über Federn F1, F2 mit einem (nicht dargestellten) Substrat verbunden. Der zweite Teilantriebsrahmen RA1b ist über Federn F3, F4 mit dem Substrat verbunden. Weiterhin sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b über eine Feder F5 miteinander verbunden. Die Federn F1 bis F5 sind derart gestaltet, dass eine oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x-Achse) bevorzugt ist.
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Der dritte Teilantriebsrahmen RA2a ist über Federn F6, F7 mit dem (nicht dargestellten) Substrat verbunden. Der vierte Teilantriebsrahmen RA2b ist über Federn F8, F9 mit dem Substrat verbunden. Weiterhin sind der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b über eine Feder F10 miteinander verbunden. Die Federn F6 bis F10 sind ebenfalls derart gestaltet, dass eine oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x Achse) bevorzugt ist.
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Der erste Teilantriebsrahmen RA1a ist über einen Steg S1 und eine Feder F51 mit einer Seite der ersten Rotoreinrichtung 1a verbunden. Der zweite Teilantriebsrahmen RA1b ist über einen Steg S3 und eine Feder F53 mit einer gegenüberliegenden Seite der ersten Rotoreinrichtung 1a verbunden.
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Die Federn F10, F14 verbinden den dritten Teilantriebsrahmen RA2a und den vierten Teilantriebsrahmen RA2b.
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Der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b umgeben die zweite Rotoreinrichtung 1b und eine linear oszillierend entlang der dritten Achse (x-Achse) antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung 200 zum Erfassen einer dritten äußeren Drehrate um die erste Achse (z-Achse), welche weiter unten erläutert wird.
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Weiterhin erstrecken sich der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b in einen Zwischenraum zwischen der ersten Drehratensensoreinrichtung 100 und der zweiten Drehratensensoreinrichtung 200, wo sie über die Feder F14 miteinander verbunden sind.
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Der dritte Teilantriebsrahmen RA2a ist über einen Steg S2 und eine Feder F52 mit der gleichen Seite der zweiten Rotoreinrichtung 1b verbunden, und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b ist über einen Steg S4 und eine Feder F54 mit der gleichen gegenüberliegenden Seite der zweiten Rotoreinrichtung 1b verbunden.
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Weiterhin sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a über eine Feder F11 verbunden, und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b sind über eine Feder F12 miteinander verbunden. Die Federn F11, F12 sind derart ausgestaltet, dass eine gegenphasig oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x-Achse) bevorzugt ist und eine gleichphasige Bewegung unterdrückt wird. Die jeweilige Richtung der Antriebsbewegung AB des ersten und zweiten Antriebsrahmens RA1a, RA1b, RA2a, RA2b ist durch entsprechende Pfeile dargestellt.
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Die zweite Drehratensensoreinrichtung 200 weist eine Rahmeneinrichtung mit einem ersten Rahmen R1a, R1b und einem zweiten Rahmen R2a, R2b auf, wobei der erste Rahmen R1a, R1b einen ersten Teilrahmen R1a und einen zweiten Teilrahmen R1b und der zweite Rahmen R2a, R2b einen dritten Teilrahmen R2a und einen vierten Teilrahmen R2b aufweist. Der zweite Rahmen R2a, R2b ist an drei benachbarten Seiten vom ersten Rahmen R1a, R1b umgeben.
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Der erste Rahmen R1a, R1b ist entlang der dritten Achse x vom zweiten Antrieb AT2 über dritten und vierten Teilantriebsrahmen RA2a, RA2b und eine Federeinrichtung F20-F23, F30-F33 oszillierend antreibbar.
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Der zweite Rahmen R2a, R2b ist mittelbar durch den ersten Rahmen R1a, R1b entlang der dritten Achse x gegenphasig zum ersten Rahmen R1a, R1b oszillierend antreibbar, da eine Federeinrichtung F71-F74 vorgesehen ist, über die der erste Teilrahmen R1a und der dritte Teilrahmen R2a derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens R1a, R2a entlang der dritten Achse x unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens R1a, R2a entlang der dritten Achse x ermöglicht ist. Über eine analoge Federeinrichtung F81-F84 sind der zweite Teilrahmen R1b und der vierte Teilrahmen R2b derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens R1b, R2b entlang der dritten Achse x unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens R1b, R2b entlang der dritten Achse x ermöglicht ist.
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Eine anisotrope Federeinrichtung F24, F24, F91, F92 verbindet den dritten Teilrahmen R2a mit dem Substrat, eine anisotrope Federeinrichtung F26, F27, F93, F94 verbindet den vierten Teilrahmen R2b mit dem Substrat, und eine anisotrope Federeinrichtung F15 verbindet das Substrat mit dem dritten Teilrahmen R2a und dem vierten Teilrahmen R2b und den dritten Teilrahmen R2a und den vierten Teilrahmen R2b gegenseitig.
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Der erste und zweite Rahmen R1a, R1b, R2a, R2b sind durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse z gegenphasig entlang der zweiten Achse y oszillierend auslenkbar. Die Richtung der Antriebsbewegung AB und die Richtung der Detektionsbewegung DB sind durch entsprechende Pfeile dargestellt.
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Eine dritte Erfassungseinrichtung EK1, EK2, beispielsweise eine kapazitive Kammstruktur, dient zum Erfassen eines gegenphasigen Auslenkens des ersten und zweiten Rahmens R1a, R1b, R2a, R2b entlang der zweiten Achse y, wobei beim vorliegenden Beispiel nur die gegenseitige Auslenkung des dritten Teilrahmens R2a und vierten Teilrahmens R2b durch die dritte Erfassungseinrichtung EK1, EK2 erfasst werden.
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2 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die zweite Ausführungsform ist analog zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform gemäß 1 aufgebaut und unterscheidet sich lediglich davon, dass der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a nicht direkt miteinander verbunden sind und auch der zweite Teilantriebsrahmen RA1b und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b nicht direkt miteinander verbunden sind. Der erste Teilantriebsrahmen RA1a ist durch eine Feder F2a mit dem Substrat verbunden, der zweite Teilantriebsrahmen RA1b ist über eine Feder F4a mit dem Substrat verbunden, der dritte Teilantriebsrahmen RA2a ist über eine Feder F7a mit dem Substrat verbunden, und der vierte Teilantriebsrahmen ist über eine Feder F9a mit dem Substrat verbunden.
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Eine mittelbare Verbindung des ersten Antriebsrahmens RA1a, RA1b und des zweiten Antriebsrahmens RA2a, RA2b ist bei der zweiten Ausführungsform über die oben beschriebenen Komponenten F51 S1, F61 3a, F62 S2, F52 auf der einen Seite der ersten Drehratenerfassungseinrichtung 100 und durch die oben beschriebenen Komponenten F53 S3, F63 3b, F64 S4, F54 auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
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3 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der ersten alternativen Kopplungsart weisen der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a jeweils ein gewinkeltes Ende E1 bzw. E2 auf, wobei zwischen die Enden E1, E2 eine quadratische Feder F12b eingesetzt und im Substrat verankert ist.
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4 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten alternativen Kopplungsart weisen der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der zweite Teilantriebsrahmen RA2a ebenfalls jeweils ein gewinkeltes Ende E1 bzw. E2 auf, wobei zwischen die Enden E1, E2 eine u-förmige Feder F12c gesetzt und im Substrat verankert ist. Zusätzlich vorgesehen sind eine im Substrat verankerte Feder F1c am ersten Ende E1 und eine im Substrat verankerte Feder F2c des zweiten Endes im Substrat.
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5 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a' und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b' nicht winkelförmig ausgeführt, sondern geradlinig und nicht miteinander verbunden, da die Feder F5 entfällt.
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Insbesondere ist bei dieser dritten Ausführungsform lediglich ein Antrieb, hier der zweite Antrieb AT2, vorgesehen, welcher bereits oben beschrieben wurde.
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Im Übrigen kann der erste Antrieb AT1 bei sämtlichen Ausführungsformen weggelassen werden, wo der erste Antriebsrahmen RA1a, RA1b und der zweite Antriebsrahmen RA2a, RA2b linear miteinander gekoppelt sind.
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Weiterhin schematisch dargestellt ist eine an die erste Rotoreinrichtung 1a angesetzte Quadraturelektrode Q1, welche mit einer darunter befindlichen Quadraturelektrode Q2 kapazitiv zusammenwirkt, um Bewegungen außerhalb der xy-Ebene zu verhindern, indem eine entsprechende Spannung angelegt wird. Selbstverständlich können derartige Quadraturelektroden an verschiedenen Stellen beider Rotoreinrichtungen 1a, 1b vorgesehen werden, um den Betrieb der ersten Drehratenerfassungseinrichtung zu stabilisieren.
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6a)-c) zeigen schematische ebene Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Federaufhängungseinrichtungen für die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 6a)-c) sind insbesondere drei verschiedene Ausgestaltungen A', A" und A" der ersten und zweiten Aufhängungseinrichtung A1a, A1b der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b gezeigt.
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Die erste Ausgestaltung weist eine erste gefaltete Feder L1 auf, welche um die erste Achse (z-Achse) rotieren kann und um die zweite Achse (y-Achse) und dritte Achse (x-Achse) kippen kann.
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Die zweite Ausgestaltung weist eine unterschiedliche gefaltete Feder L2 auf, welche die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist.
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Die dritte Ausgestaltung A1''' weist eine Kombination von elastischen Federn L3a, L3b, L3c auf, welche über starre gekrümmte Bogenelemente RK1, RK2 miteinander verbunden sind. Auch die dritte Ausgestaltung A1''' kann um die erste Achse (z-Achse) rotieren und um die zweite Achse (y-Achse) und dritte Achse (x Achse) kippen.
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Jeweils zentral sind die Aufhängungseinrichtungen A', A", A''' am (nicht dargestellten) Substrat verankert.
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7 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart der Kopplung der Rotoreinrichtungen mit dem Antriebsrahmen.
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Bei der alternativen Kopplungsart gemäß 7 sind die Stege S1 bis S4, mit denen die erste Rotoreinrichtung 1a und die zweite Rotoreinrichtung 1b mit dem ersten Antriebsrahmen RA1a, RA1b und dem zweiten Antriebsrahmen RA2a, RA2b verbunden sind mit einer geringeren Dicke D1 ausgeführt, als die daneben befindlichen Federn F51, F52, F53, F54 und die Rotoreinrichtungen 1a, 1b. Dies ist in 7 aus Gründen der Vereinfachung lediglich für den dünnen Steg S1' dargestellt.
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Eine derartige dünne Ausgestaltung des Stegs S1' bzw. der anderen Stege erleichtert das Verkippen um die dritte Achse z.
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Ansonsten entspricht der Aufbau der oben beschriebenen ersten bzw. zweiten Ausführungsform.
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8 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart der Kopplung der Rotoreinrichtungen mit dem Antriebsrahmen.
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Bei der zweiten alternativen Kopplungsart der Rotoreinrichtungen, hier mit Bezugszeichen 1a', 1b' bezeichnet, welche beim vorliegenden Beispiel scheibenförmig kreisrund ausgeführt sind, ist eine jeweilige Feder in gegenüberliegende Ausschnitte der Rotoreinrichtungen 1a', 1b' eingeführt und dort verankert, welche andererseits mit den entsprechenden Antriebsrahmen (nicht dargestellt) verbunden sind.
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Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine geänderte Übersetzung der Linearbewegung in die Drehbewegung, was bedeutet, dass die Antriebslänge der Linearbewegung kürzer sein kann, um denselben Drehwinkel zu erreichen.
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Auch diese zweite alternative Kopplungsart ist bei sämtlichen Ausführungsformen, welche hier beschrieben werden, anwendbar.
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9 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der vierten Ausführungsform ist die zweite Drehratenerfassungseinrichtung 200 aus Gründen der vereinfachten Darstellung lediglich schematisch dargestellt. Der Aufbau entspricht jedoch dem bereits oben mit Bezug auf die erste bis vierte Ausführungsform beschriebenen Aufbau der zweiten Drehratensensoreinrichtung 200.
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Bei der vierten Ausführungsform weist die Antriebseinrichtung AT1', AT2' einen ersten Antrieb AT1' und einen zweiten Antrieb AT2' auf, wobei der erste Antrieb AT1' auf einen ersten balkenförmigen Antriebsrahmen RA1' und der zweite Antrieb AT2' auf einen zweiten balkenförmigen Antriebsrahmen RA2' wirkt. Der erste und zweite Antriebsrahmen RA1', RA2' sind parallel auf gegenüberliegenden Seiten der ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtung 100, 200 angeordnet und ebenfalls gegenphasig linear oszillierend entlang der dritten Achse durch die Antriebseinrichtung AT1', AT2' antreibbar.
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Der erste Antriebsrahmen RA1' ist über eine Feder F100, eine Umlenkeinrichtung U1 und Federn F101, F102 mit der ersten Rotoreinrichtung 1a' bzw. der zweiten Rotoreinrichtung 1b' verbunden, deren jeweilige Aufhängungseinrichtung hier mit Bezugszeichen A1a' bzw. A1b' bezeichnet ist.
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Analog ist der zweite Antriebsrahmen RA2' über eine Feder F100, eine zweite Umlenkungseinrichtung U2 und Federn F201, F202 mit der ersten Rotoreinrichtung 1a' bzw. der zweiten Rotoreinrichtung 1b' verbunden.
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So wird der rotatorische Antrieb der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a', 1b' bewirkt.
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Die erste und zweite Umlenkeinrichtung U1, U2 sind über entsprechende Aufhängungen rotatorisch bewegbar im Substrat verankert.
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Die zweite Drehratensensoreinrichtung 200 ist über eine schematisch dargestellte Federeinrichtung F300 mit dem ersten Antriebsrahmen RA1' und über eine schematisch dargestellte Federeinrichtung F400 mit dem zweiten Antriebsrahmen RA2' verbunden, wodurch die lineare gegenphasige Antriebsbewegung des dritten Teilrahmens R2a und vierten Teilrahmens R2b und deren gegenphasige Detektionsbewegung DB entlang der zweiten Achse y erzielbar ist.
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10 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die fünfte Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform, wobei der zweite Antrieb AT2' nicht außerhalb des zweiten Antriebsrahmens RA2a', RA2b' angeordnet ist, sondern innerhalb des zweiten Antriebsrahmens RA2a', RA2b'.
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Weiterhin ist der zweite Antriebsrahmen unterbrochen, wobei die Randbereiche RA2a", RA2b" lediglich über die Federn F7, F9 mit dem Substrat verbunden sind, aber nicht direkt mit dem zweiten Antrieb AT2'.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Die Geometrie und Symmetrie der gezeigten ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtung in den obigen Ausführungsformen nur beispielhaft und kann bedarfsweise variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062095 A1 [0005]
- WO 9639615 [0005]
- DE 102010061755 A1 [0006]
- DE 102011006394 A1 [0007]
