DE10237410A1 - Drehratensensor - Google Patents

Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis-Element (2a, 2b) vorgeschlagen, wobei das Corioliselement (2a, 2b) über eine Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, wobei Anregungsmittel (12a, 13a, 12b, 13b) vorgesehen sind, durch die das Coriolis-Element (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse (X) anregbar ist, wobei Detektionsmittel (15a, 16a, 15b, 16b, 17) vorgesehen sind, durch die eine Auslenkung der Coriolis-Elemente (2a, 2b) aufgrund der Coriolis-Kraft in einer zweiten Achse (Y), die senkrecht zu der ersten Achse vorgesehen ist, nachweisbar sind, wobei die erste und zweite Achse (X, Y) parallel zur Oberfläche des Substrats sind, wobei gegenüber dem Substrat zumindest teilweise beweglich vorgesehene Sensorelemente (1a, 1b, 1a, 2b, 3a, 3b) vorgesehen sind, wobei kraftvermittelnde Mittel (19, 20) vorgesehen sind, wobei die Mittel (19, 20) vorgesehen sind, eine statische Kraftwirkung zwischen dem Substrat und wenigstens einem der Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) zu vermitteln.

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
• Es sind linearschwingende Vibrationsgyroskope allgemein bekannt. Bei diesen Drehratensensoren werden Teile der Sensorstruktur aktiv in eine Schwingung (Primärschwingung) in eine Richtung, d. h. in einer ersten Achse (x-Achse), versetzt, die parallel zu einer Substratoberfläche orientiert ist. Bei einer äußeren Drehrate um eine ausgezeichnete sensitive Achse werden Corioliskräfte auf die schwingenden Teile ausgeübt. Diese (periodisch mit der Frequenz der Primärschwingung veränderlichen) Corioliskräfte bewirken Schwingungen von Teilen der Sensorstruktur (Sekundärschwingung) ebenfalls parallel zur Substratoberfläche in einer zweiten Richtung bzw. zweiten Achse (y-Achse), die senkrecht zur x-Achse orientiert ist. An der Sensorstruktur sind Detektionsmittel angebracht, welche die Sekundärschwingung detektieren (Coriolis-Messeffekt).
• Vorteile der Erfindung
• Bei der Auslegung der Drehratensensoren wird wie oben beschrieben per Design (durch Wahl geeigneter Symmetrien) ein ausgezeichnetes kartesisches Koordinatensystem K = (x, y) für die Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene vorgegeben. Die Massen- und Federverteilungen werden derart ausgelegt, dass die Hauptachsensysteme der Massen- und Federsteifigkeitstensoren für die Primär- und Sekundärschwingungen exakt mit K übereinstimmen.
• Des weiteren wird bei der Ausführung der Detektionsmittel darauf geachtet, dass durch den Betrieb der Sensoren in der Primärschwingung (ohne äußere Drehrate) keine Signale an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt entstehen. Dazu werden die Detektionsmittel so ausgelegt, dass deren ausgezeichnetes Koordinatensystem KD ebenfalls mit dem Koordinatensystem der Mechanik K übereinstimmt, d. h. also ebenfalls gilt: KD = (x, y). Bei solchen idealen Drehratensensoren entsteht somit keine Überkopplung der Primärschwingung in die Detektionseinrichtung für den Corioliseffekt. Eine derartige Überkopplung wird Quadratur genannt. Quadratursignale sind somit Signale an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt, die auch ohne Relativbewegung des Sensors gegenüber einem äußeren Inertialsystem vorhanden sind, wobei der Sensor in seiner Primärschwingung betrieben wird.
• Der Grund für das Auftreten von Quadratursignalen ist, dass das Koordinatensystem der Sensorelementmechanik K = (x, y) nicht mit dem Koordinatensystem der Detektionsmittel KD = (x', y') zusammenfällt, sondern beide Systeme leicht gegeneinander um einen Winkel theta verdreht sind.
• Typische Ursachen für diese Verdrehung sind z. B. Asymmetrien an der Sensorstruktur aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess. Diese können sich durch asymmetrische Massenverteilungen oder auch asymmetrische Federsteifigkeiten äußern. Als Folge daraus stimmen die Hauptachsensysteme der Masse- bzw. Federsteifigkeitstensoren nicht mehr mit KD überein.
• Das Auftreten von Quadratur ist nicht spezifisch für die bei den hier beschriebenen Drehratensensoren verwendete Silizium- Technologie mit einer Sensorstruktur aus epitaktisch aufgewachsenem Poly-Silizium. Auch bei Vibrationsgyroskopen aus einkristallinem Silizium-Material oder Quarz-Einkristallen treten aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess Quadratursignale auf.
• Quadratur-Störsignale bei Drehratensensoren aufgrund von Fertigungsimperfektionen sind bekannt und werden bei Drehratensensoren unterschiedlichster Technologien angetroffen. Dabei sind gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Methoden zur Reduktion dieser Störsignale bekannt.
• Ein erstes Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Unterdrückung der Quadratursignale macht sich die unterschiedliche Phasenlage von Drehraten- und Quadratursignal zu nutze. Die Coriolis-Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit der Primärschwingung wohingegen die Quadratur proportional zur Auslenkung der Primärschwingung entsteht. Somit besteht eine Phasenverschiebung von 90° zwischen Drehraten- und Quadratursignal. An den Detektionsmitteln werden Quadratur- und Drehratensignale als mit der Frequenz der Primärschwingung amplitudenmodulierte Signale detektiert. Durch die Methode der Synchrondemodulation, wie sie z. B. in DE 197 26 006 oder auch in US 5672949 beschrieben wird, können zunächst die Signale wieder in das Basisband demoduliert werden. Zusätzlich kann durch geeignete Wahl der Phasenlage des Referenzsignals für die Demodulation das Quadratursignal unterdrückt werden.
• Bei dieser Methode wird das Quadratursignal im Sensorelement selbst nicht beeinflusst. Des weiteren muss das Quadratursignal auch die primären Signalwandlungspfade an den Detektionsmitteln passieren, es kann erst relativ spät im Signalpfad elektronisch unterdrückt werden. Bei im Vergleich zum Drehratenmessbereich großen Quadratursignalen bedeutet dies drastisch erhöhte Anforderungen an den Dynamikbereich der ersten Signalwandlungsstufen und führt oftmals zu erhöhtem Sensorrauschen.
• Eine zweites Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Reduktion der Quadratursignale ist das physikalische Auswuchten der mechanischen Sensorstrukturen. Im Gegensatz zum ersten Verfahren wird hierbei durch Nachbearbeiten der Sensorelemente direkt die Ursache der Quadratur behoben, so dass an den Detektionsmitteln keine Quadratursignale auftreten.
• Bei feinmechanischen Drehratensensoren wird dies aktiv durch iterative mechanische Materialabtragung an unterschiedlichen Stellen im Sensorelement erreicht. Durch dieses Verfahren wird das Hauptachsensystem der Masse- oder Federsteifigkeitstensoren für Primär- und Sekundärschwingung derart modifiziert, dass die zunächst vorhandene Verdrehung des Koordinatensystems der Sensorelementmechanik K gegenüber dem Koordinatensystem der Detektionsmittel KD rückgängig gemacht wird.
• Bei Drehratensensoren aus einkristallinem Quarzmaterial wird teilweise durch Lasertrimmung eine Materialabtragung an ausgezeichneten Stellen im Sensorelement vorgenommen. Auch hier wird der Masse- oder Federsteifigkeitstensor derart modifiziert, dass schlussendlich die Verdrehung von K gegenüber KD im wesentlichen rückgängig gemacht wird.
• Auch bei mikromechanischen Drehratensensoren aus einkristallinem Silizium wird die Lasertrimmung an Massestrukturen verwendet (z. B. VSG bzw. CRS-03 von Silicon Sensing Systems Ltd.). Weiterhin ist allgemein bekannt, für allgemeine Stimmgabel- Drehratensensoren die Lasertrimmung an ausgezeichneten Federstrukturen innerhalb der Sensorstruktur. Mit diesem Verfahren kann im Betrieb der Sensorelemente in der Primärschwingung gezielt das Hauptachsensystem des Federkonstantentensors solange modifiziert werden, bis K und KD übereinstimmen und somit das Quadratursignal eliminiert ist. Die hier beschriebenen Verfahren eliminieren die Quadratur im Sensorelement selbst und sind daher bezüglich Sensorperformance dem ersten Verfahren überlegen. Jedoch stellt das Auswuchten einen aufwendigen und oftmals iterativen sowie langwierigen und damit sehr kostenintensiven Prozess dar.
• Gemäß eines weiteren allgemein bekannten Verfahrens gemäß dem Stand der Technik wird eine elektronische Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren durchgeführt. Hierbei wird die Unterdrückung des Quadratursignals durch gezielte Injektion eines elektrischen Signals in die elektronische Wandlereinheit an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt erzielt. Hierbei wird die Größe des Signals so gewählt, dass es das durch die Quadratur erzeugte Signal an den Detektionsmitteln genau kompensiert.
• Auch bei dieser Methode (analog zum ersten Verfahren gemäß dem Stand der Technik) wird die mechanische Ursache für das Quadratursignal selbst nicht eliminiert. Im Gegensatz zur ersten Methode wird jedoch hier das Quadratursignal noch vor der primären Signalwandlung unterdrückt. Dies kann die Anforderungen an Dynamikbereich und Rauschen der primären Signalwandlung reduzieren.
• Ein gravierender Nachteil der beschriebenen Methode ist jedoch, dass sie nur für eine ganz spezielle Auslegung der Sensor- Auswerteelektronik geeignet ist: Diese Auswertemethode (Basisbandauswertung) hat jedoch gravierende prinzipiell bedingte Nachteile (elektrisches Übersprechen, etc.) und kann daher für die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Drehratensensoren nicht angewendet werden.
• In der US 6067858 wird ein weiteres Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur elektronischen Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren diskutiert.
• Zwischen beweglichen Kammfingern und feststehenden Elektroden werden unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt.
• Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch ein spezielles Verfahren, basierend auf der gezielten Einwirkung statischer Kräfte, eine Reduktion der Quadratursignale erreicht wird. Dabei werden durch an geeigneten Teilen der Sensorstruktur angebrachte Elektrodenstrukturen durch gezieltes Anlegen von äußeren elektrischen Gleichspannungen zeitlich konstante (statische) elektrostatische Kräfte auf die Sensorstruktur ausgeübt. Durch die geeignete Anbringung der Elektrodenstrukturen (Quadraturkompensationsstrukturen) wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung gedreht wird, wobei der Drehwinkel durch die Höhe der Spannung eingestellt werden kann. Dadurch kann das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis-Effekt in Übereinstimmung gebracht werden und somit die Quadratur unterdrückt werden. Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Quadraturkompensation mittels statischer Kräfte dar. Die Kräfte werden dabei durch an ausgezeichneten Teilen der Sensorstruktur angebrachten Elektrodenstrukturen erzeugt, dergestalt dass eine äußere elektrische Gleichspannung an fest gegenüber dem Substrat aufgehängten Elektroden gegenüber der beweglichen Sensorstruktur angelegt wird. Durch die geeignete Anbringung dieser Elektrodenstrukturen (Quadraturkompensationsstrukturen) wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung derart gedreht wird, dass es exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis-Effekt KD in Übereinstimmung gebracht wird und somit die Quadratur unterdrückt werden kann. Die Erfindung stellt somit ein statisches Verfahren zur Quadraturkompensation dar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt ähnlich wie ein mechanisches Auswuchten der Sensorstruktur. Gegenüber dem physikalischen Auswuchten besitzt es jedoch den Vorteil, dass die Kompensation hier durch Anlegen einer äußeren Spannung (durch Abgleich) erfolgen und somit ein teurer Prozessschritt entfallen kann. Des Weiteren ist das Verfahren kompatibel mit allen denkbaren Sensor-Auswerteelektroniken.
Zeichnung
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 die Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehratensensor in Grobansicht,
• Fig. 2 eine Teilstruktur eines erfindungsgemäßen Drehratensensors in Detailansicht und
• Fig. 3 eine Detailansicht von erfindungsgemäßen Kompensationsstrukturen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
• Im Nachfolgenden wird eine mögliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur statischen Quadraturkompensation beispielhaft an einem mikromechanischen Drehratensensor dargestellt.
• Das Verfahren kann auf eine spezielle Klasse von Drehratensensoren angewendet werden. Dabei handelt es sich um linearschwingende Vibrationsgyroskope. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung erläutert, wobei zunächst die für das Verständnis der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung wesentlichen funktionalen Bauteile des Drehratensensors anhand der Grobdarstellung von Fig. 1 kurz beschrieben werden.
• Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf die strukturierten Teile bzw. der Struktur eines Drehratensensors bzw. eines Drehraten- Sensorelements, wobei das unter der insbesondere mikromechanisch strukturierten Struktur des Drehratensensors liegende Substrat aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist.
• Für das Substrat und die über dem Substrat angeordneten Sensorelemente wird als Material bevorzugt Silizium verwendet, welches durch entsprechende Dotierungen leitend ausgebildet ist. Das Substrat kann durch isolierende Schichten dort, wo es erforderlich ist, elektrisch isoliert werden. Es können aber auch andere Materialien wie Keramik, Glas oder Metalle für den erfindungsgemäßen Drehratensensor verwendet werden.
• Der in Fig. 1 dargestellte Drehratensensor ist erfindungsgemäß insbesondere zur Herstellung in reiner Oberflächenmikromechanik ausgelegt. Sensiert wird eine Drehung um die Substratnormale (z- Achse), d. h. eine Achse, die senkrecht auf der Substratoberfläche steht und die im folgenden auch als dritte Achse bezeichnet wird. Alle beweglichen Teile der Struktur sind erfindungsgemäß im wesentlichen vollständig lädungsleitend, d. h. elektrisch leitend.
• Die Sensorstruktur umfaßt erfindungsgemäß insbesondere zwei bevorzugt symmetrisch ausgelegten Teilstrukturen, die im linken bzw. rechten Teil der Fig. 1 dargestellt sind und mit den Bezugszeichen 50a und 50b bezeichnet sind. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass die erfindungsgemäße Sensorstruktur lediglich eine solche Teilstruktur 50a umfaßt.
• Jede der Teilstrukturen 50a, 50b umfaßt drei gegenüber dem Substrat, mit dem das Referenzkoordinatensystem verbunden ist, bewegliche Einzelmassen. Hierbei ist innerhalb der Teilstrukturen jeweils eine erste Masse als Antriebsmasse 1a, 1b vorgesehen. Sie ist so mit Federn 5a, 5b mittels Verankerungsmitteln 18a, 18b am Substrat aufgehängt, dass die Antriebsmasse bevorzugt nur eine In-Plane-Bewegung (parallel zur Substratebene) in einer ersten Richtung bzw. gemäß einer ersten Achse (X-Achse) ausführen kann und eine In-Plane-Bewegung in einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse (Y-Achse) unterdrückt wird. Hierzu sind die Federn 18a, 18b in in x- Richtung weich und in y-Richtung steif. Die erste Achse wird auch Antriebsachse X genannt; die zweite Achse wird auch Detektrionsachse Y genannt.
• Innerhalb der Teilstrukturen 50a, 50b ist weiterhin eine dritte Masse, die im folgenden auch Detektionselement 3a, 3b genannt wird, so mit Federn 6a, 6b gegenüber dem Substrat aufgehängt, dass diese bevorzugt eine In-Plane-Bewegung nur in der Detektionsrichtung Y ausführen kann und eine Bewegung in Antriebsrichtung X unterdrückt wird. Hierzu sind die Federn 6a. 6b in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif.
• Innerhalb der Teilstrukturen 50a, 50b ist jeweils eine zweite Masse als Corioliselement 2a, 2b mit der ersten Masse 1a, 1b und der dritten Masse 3a, 3b mit Federn 7a, 7b, 8a, 8b derart verbunden, dass das Corioliselement 2a, 2b gegenüber der Antriebsmasse 1a, 1b eine In-Plane-Relativbewegung bevorzugt nur in Detektionsrichtung ausführen kann und eine Relativbewegung in Antriebsrichtung unterdrückt wird, und dass das Corioliselement 2a, 2b gegenüber dem Detektionselement 3a, 3b eine In-Plane- Relativbewegung bevorzugt nur in x-Richtung ausführen kann und eine Relativbewegung in y-Richtung unterdrückt wird, derart, dass das Corioliselement 2a, 2b sowohl eine Bewegung in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung ausführen kann. Hierzu sind die Federn 7a, 7b zwischen dem Corioliselement 2a, 2b und dem Detektionselement 3a, 3b in X-Richtung weich vorgesehen und in Y-Richtung steif vorgesehen. Die Federn 8a, 8b zwischen dem Corioliselement 2a, 2b und der Antriebsmasse 1a, 1b sind in y- Richtung weich vorgesehen und in x-Richtung steif vorgesehen.
• Die Antriebmasse 1a, 1b, das Corioliselement 2a, 2b und das Detektionselement 3a, 3b werden im folgenden gemeinsam auch als bewegliche Sensorelemente 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b bezeichnet, da sie gegenüber dem Subtrat eine gewisse - durch die Federelemente eingeschränkte - Beweglichkeit aufweisen. Die Sensorelemente 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b sind erfindungsgemäß insbesondere als im wesentlichen rechteckige, rahmenförmige Strukturen vorgesehen, wobei das Corioliselement 2a, 2b, das Detektionselement 3a, 3b umgibt und wobei die Antriebsmasse 1a, 1b das Corioliselement 2a, 2b umgibt.
• Bei einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur mit zwei Teilstrukturen 50a, 50b sind beide Corioliselemente 2a, 2b über Federn 11 so verbunden, dass eine direkte mechanische Kopplung beider Teilstrukturen 50a, 50b sowohl in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung vorliegt, derart dass es zur Ausbildung von parallelen und antiparallelen Schwingungsmoden in x-Richtung (unter Beteiligung der Antriebsmassen 1a, 1b und der Corioliselemente 2a, 2b kommt (Nutzmoden Antrieb, Primärschwingung) und dass es zur Ausbildung von parallelen und antiparallelen In-Plane-Schwingungsmoden in y-Richtung (unter Beteiligung der Corioliselemente 2a, 2b und der Detektionselemente 3a, 3b) kommt (Nutzmoden Detektion, Sekundärschwingung).
• Die Anregung bzw. der Antrieb der Struktur (Primärschwingung) erfolgt bevorzugt in der antiparallelen Antriebsmode (die erste Masse 1a der ersten Teilstruktur 50.a bewegt sich gegenphasig zu der ersten Masse 1b der zweiten Teilstruktur 50b). Die bei einer äußeren Drehrate um die z-Achse auftretenden Coriolis- Beschleunigungen sind dann ebenfalls gegenphasig und führen bei geeigneter Auslegung der Strukturen zu einer Anregung der antiparallelen Detektionsmode (Sekundärschwingung). Der dadurch erzeugte erwünschte Messeffekt kann dann durch geeignete Auswertung direkt unterschieden werden von einem (unerwünschten) Messeffekt, hervorgerufen durch äußere Linearbeschleunigungen in y-Richtung, welche gleichphasig auf die Detektion beider Teilstrukturen wirken würden.
• Die Anregung der Primärschwingung erfolgt über interdigitale Kammantriebe (Comb-Drives) an den Antriebsmassen 1a, 1b; ebenso die Detektion der Antriebsbewegung. Hierzu ist erfindungsgemäß eine erste Elektrode 12a, 12b und eine zweite Elektrode 13a, 13b vorgesehen, die die Primärschwingungen erzeugen. Die erste Elektrode 12a, 12b ist mit dem Substrat starr verbunden aber elektrisch isoliert vorgesehen. Die zweite Elektrode 13a, 13b ist mit der Antriebsmasse 1a, 1b mechanisch starr und elektrisch leitend verbunden. Die erste Elektrode 12a, 12b und die zweite Elektrode 13a, 13b greifen hierbei fingerartig ineinander und bilden so Kammstrukturen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden ist es somit möglich, vom Substrat eine Kraft auf die Antriebsmasse 1a, 1b auszuüben.
• Die Detektion der Coriolis-Beschleunigung erfolgt an Detektionsmitteln insbesondere in Form von dritten und vierten Elektroden innerhalb des Detektionselementes 3a, 3b. Das Detektionselement 3a, 3b ist dazu so ausgelegt, dass es die vierte Elektrode als den beweglichen Teil 16a, 16b einer Plattenkondensatoranordnung bildet. Als dritte Elektrode wird ein fester Teil 15a, 16b der Plattenkondensatoranordnung bezeichnet und ist mechanisch starr (aber elektrisch isoliert) mit dem Substrat verbunden. Dabei ist der feste Teil als aufgespaltete Elektrode ausgelegt, so dass die gesamte Anordnung einen Differenz-Plattenkondensator bildet.
• In der Sensorstruktur erfolgt die Detektion an einer ruhenden Struktur (Detektion "in Ruhe"). Dies besagt, dass das Detektionselement 3a, 3b und somit die bewegliche Elektrode 16a, 16b der Plattenkondensatoranordnung, im wesentlichen keine Antriebsbewegung ausführt. Durch die Aufteilung der Teilstrukturen 50a, 50b des Drehratensensors in Antriebsmasse 1a, 1b, Corioliselement 2a, 2b und Detektionselement 3a, 3b wird eine zweifache Entkopplung der Detektionsbewegung von der Antriebsbewegung erreicht.
• In Fig. 2 ist die linke Teilstruktur 50a aus Fig. 1 eines erfindungsgemäßen Drehratensensors in Detailansicht dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dabei nur eine Teilstruktur (links) des Sensorelements gezeichnet.
• Bei der Auslegung der Drehratensensoren wird per Design (durch Wahl geeigneter Symmetrien) ein ausgezeichnetes kartesisches Koordinatensystem K = (x, y) für die Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene vorgegeben. Die Massen- und Federverteilungen sollten idealerweise derart ausgelegt werden, dass die Hauptachsensysteme der Massen- und Federsteifigkeitstensoren für die Primär- und Sekundärschwingungen exakt mit K übereinstimmen.
• Des weiteren wird bei der Ausführung der Detektionsmittel darauf geachtet, dass durch den Betrieb der Sensoren in der Primärschwingung (ohne äußere Drehrate) keine Signale an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt entstehen. Dazu sollten die Detektionsmittel so ausgelegt werden, dass deren ausgezeichnetes Koordinatensystem KD ebenfalls mit dem Koordinatensystem der Mechanik K übereinstimmt, d. h. es gilt: KD = (x, y).
• Wenn die Koordinatensysteme K und KD, beispielsweise wegen Fertigungsschwankungen, nicht vollständig übereinstimmen, kann es zu Quadratursignalen kommen.
• Unterschieden wird zwischen positiven und negativen Quadratursignalen in Bezug zum Coriolis-Messeffekt: bei Bewegung der linken Teilstruktur 50a in Fig. 2 in der Primärschwingung in positive x-Richtung und einer positiven äußeren Drehrate um die z-Achse wirkt die Coriolis-Beschleunigung in die negative y- Richtung. Ein positives Quadratursignal wirkt in dieselbe Richtung, ein negatives Quadratursignal in die entgegengesetzte Richtung.
• Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor werden durch an geeigneten Teilen - insbesondere der Antriebsmasse 1a, 1b, dem Corioliselement 2a, 2b und dem Detektionselement 3a, 3b - der Sensorstruktur angebrachten Elektrodenstrukturen durch gezieltes Anlegen von äußeren elektrischen Gleichspannungen zeitlich konstante (statische) elektrostatische Kräfte auf die Sensorstruktur ausgeübt. Durch die geeignete Anbringung dieser Elektrodenstrukturen, die im folgenden auch als Quadraturkompensationsstrukturen bzw. als Kompensationsstrukturen bezeichnet werden, wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung gedreht wird, wobei der Drehwinkel durch die Höhe der Spannung eingestellt werden kann. Dadurch kann das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis- Effekt KD in Übereinstimmung gebracht werden, und somit die Quadratur unterdrückt werden. Die Erfindung stellt demzufolge ein statisches Verfahren zur Quadraturkompensation dar.
• In Fig. 2 sind elektrostatische Quadraturkompensationsstrukturen 19, 20 beispielhaft innerhalb dem Corioliselement 2a dargestellt. Die Kompensationsstrukturen sind erfindungsgemäß in Form von zwei Unterstrukturen vorgesehen, wobei eine erste Unterstruktur 19 die positiven Quadratursignale kompensiert und wobei eine zweite Unterstruktur die negativen Quadratursignale kompensiert. Solche zwei Unterstrukturen sind insbesondere deshalb sinnvoll, weil - da erfindungsgemäß über elektrostatische Kräfte insbesondere attraktive Kräfte ausgeübt werden - dann eine Drehung des Koordinatensystems K sowohl in positiver als auch in negativer Richtung bewirkt werden kann.
• In Fig. 3 sind Detailansichten auf die Kompensationsstrukturen 19, 20 am Beispiel ihrer Realisierung am Corioliselement 2a dargestellt. Fig. 3a stellt eine Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a ohne Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage (d. h. die Verschiebung des Corioliselements 2a in X-Richtung verschwindet) dar, d. h. X = 0. Fig. 3b stellt die Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a mit einer Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage in positiver X-Richtung dar, d. h. X = +Xo. Fig. 3c stellt die Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a mit einer Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage in negativer X-Richtung dar, d. h. X = -Xo.
• Jede der Unterstrukturen 19, 20 der Kompensationsstruktur ist erfindungsgemäß insbesondere als Kondensatoranordnung mit einer fünften Elektrode und einer sechsten Elektrode vorgesehen. Aus dem Corioliselement 2a sind geeignete Bereiche 60 ausgeschnitten, die im folgenden auch als Ausschnitte 60 bezeichnet werden. Die Ausschnitte 60 sind erfindungsgemäß insbesondere als rechteckige Ausschnitte 60 vorgesehen. Die Seitenwände dieser Ausschnitte 60 bilden jeweils die sechste Elektrode (19b, 20b) der elektrostatischen Kompensationsstruktur 19, 20. In den Ausschnitten 60 sind als fünfte Elektroden mechanisch starr mit dem Substrat verankerte Gegenelektroden (Plattenkondensatorstrukturen) (19a, 20a) vorgesehen. Die fünften Elektroden 19a und die ebenfalls fünften Elektroden 20a sind erfindungsgemäß, insbesondere über Leiterbahnen unterhalb der beweglichen Strukturen des Drehratensensors, jeweils elektrisch miteinander verbunden - wobei jedoch die fünften Elektroden 19a von den fünften Elektroden 20a elektrisch isoliert vorgesehen sind -, jedoch elektrisch isoliert gegenüber dem Substrat ausgeführt, so dass an diese Elektroden 19a, 20a von außen gewünschte elektrische Potenziale gegenüber der beweglichen Sensorstruktur angelegt werden können.
• Die feststehenden fünften Elektroden (19a, 20a) sind asymmetrisch innerhalb der ausgeschnittenen Bereiche vorgesehen. Dies bedeutet, dass für die erste Unterstruktur 19 einer Kompensationsstruktur die fünfte Elektrode 19a beispielsweise näher am rechten Rand des entsprechenden Ausschnitts 60 vorgesehen ist und dass für die zweite Unterstruktur 20 einer Kompensationsstruktur die sechste Elektrode 20a beispielsweise näher am linken Rand des entsprechenden Ausschnitts 60 vorgesehen ist. In Ruhelage des Coriolislements 2a werden dadurch bei angelegten äußeren Quadraturkompensationsspannungen (elektrische Gleichspannungen) zwischen den fünften und sechsten Elektroden 19a, 20a, 19b, 20b statische Kräfte auf das Corioliselement 2a in y-Richtung ausgeübt. Die Größe dieser Kräfte kann erfindungsgemäß über die Gleichspannung zwischen den fünften und sechsten Elektroden insbesondere kontinuierlich verändert werden. Die Richtung der Kräfte ist durch die Asymmetrie der Anordnung vorgegeben. Hierbei ist die erste Unterstruktur 19 der in Fig. 3 dargestellten Kompensationsstruktur erfindungsgemäß in der Lage, Kräfte nach links auszuüben, was in Fig. 3a mit einem im Bereich einer zum Bezugszeichen 19 gehörenden geschweiften Klammer nach links weisenden Pfeil dargestellt ist. Die zweite Unterstruktur 20 der in Fig. 3 dargestellten Kompensationsstruktur ist erfindungsgemäß in der Lage, Kräfte nach rechts auszuüben, was in Fig. 3a mit einem im Bereich einer zum Bezugszeichen 20 gehörenden geschweiften Klammer nach rechts weisenden Pfeil dargestellt ist.
• Zur Kompensation von Quadratursignalen im Sensorelement ist es erfindungsgemäß vorgesehen, an einer der Unterstrukturen 19, 20 eine elektrische Kompensationsspannung beispielsweise gegenüber dem Corioliselement 2a anzulegen, um eine statische Kraftwirkung auf das Corioliselement 2a zu erzielen. Erfindungsgemäß ist es aber auch vorgesehen, die Kompensationsstrukturen 19, 20 so vorzusehen, dass eine statische Kraftwirkung auf eine andere oder mehrere der Sensorstrukturen erzielt wird.
• Durch die Kraftwirkung der Kompensationsstrukturen 19, 20 ändern sich bei einer Bewegung des Corioliselements 2a in der Primärschwingung mit der Amplitude x₀ die resultierenden Kräfte auf die Struktur nicht. Daher werden diese Kräfte auch statische Kompensationskräfte genannt.
• In Fig. 2 ist die Wirkung der Kompensationskräfte näher erläutert. Die Richtung der statischen Kompensationskräfte ist dabei wiederum durch nach links weisende Pfeile im Bereich der ersten Unterstruktur 19 und durch nach rechts weisende Pfeile im Bereich der zweiten Unterstruktur 20 dargestellt.
• Durch die geeignete Anordnung der Kompensationsstrukturen (19, 20) wird erreicht, dass durch die resultierenden Kräfte auf die CorMasse (2a) ein Drehmoment um den in Fig. 2 mit dem Bezugzeichen S bezeichneten Schwerpunkt des Corioliselements 2a erzeugt wird, jedoch kein linearer Kraftanteil in y-Richtung vorliegt. Erfindungsgemäß ist die Kraftwirkung durch die an die Kompensationsstrukturen angelegten Spannungen derart, dass eine Verdrehung des - im betrachteten Beispiel - Corioliselements 2a und damit auch eine Verdrehung des Hauptachsensystems des Corioliselements 2a gegenüber dem Substrat bewirkt wird. In Fig. 2 ist die erste Unterstruktur 19 auf einer ersten Seite des Corioliselements 2a (welche in der Fig. 2 im oberen Figurbereich dargestellt ist) eher im rechten Bereich der Figur vorgesehen und die zweite Unterstruktur 20 ist auf der ersten Seite eher im linken Bereich der Fig. 2 vorgesehen. Auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Corioliselements 2a (in der Fig. 2 im unteren Figurbereich dargestellt) ist es umgekehrt: die erste Unterstruktur 19 ist eher im linken Bereich der Fig. 2 vorgesehen und die zweite Unterstruktur 20 ist eher im rechten Bereich der Fig. 2 vorgesehen. Daher kommt es durch Anlegen einer Spannung an der ersten Unterstruktur 19 zu einer Verdrehung des bzw. zu einem Drehmoment auf das Corioliselements 2a im Uhrzeigersinn in der Fig. 2 und durch Anlegen einer Spannung an der zweiten Unterstruktur 20 zu einer Verdrehung des bzw. zu einem Drehmoment auf das Corioliselements 2a entgegen des Uhrzeigersinns in der Fig. 2. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich eine durch Fertigungsimperfektionen usw. vorgegebene Verdrehung zwischen dem Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K und dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel KD, welche insbesondere zu Quadraturkompensation führt, zu kompensieren.
• Die Anordnung der Kompensationsstruktur auf der zweiten Teilstruktur (Fig. 1, rechts) wird durch eine Symmetrieoperation (vorzugsweise Drehung um 180° um den Gesamtschwerpunkt) aus der ersten Teilstruktur erzeugt.
• Weitere Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden im Weiteren kurz aufgeführt. Sie sind prinzipiell gleich dem dargestellten Ausführungsbeispiel und daher nicht weiter durch Abbildungen erläutert:
• Durch eine Anbringung der Kompensationsstruktur 19, 20 innerhalb des Detektionselementes 3a, 3b ist von Vorteil, dass keine Bewegung innerhalb der Kompensationsstruktur während der Primärschwingung vorhanden ist.
• Durch die Anbringung der Kompensationsstruktur 19, 20 innerhalb der Antriebsmassen 1a, 1b ist analog zur beschriebenen Ausführungsform ebenfalls eine Bewegung innerhalb der Kompensationsstruktur während der Primärschwingung vorhanden. Vorteilhaft ist jedoch der größere Hebelarm für die Aufbringung der Drehmomente und somit die erhöhte Kompensationsfähigkeit bei gleichen elektrischen Potenzialen.
• Ein erfindungsgemäßer Drehratensensor weist insbesondere die folgenden Vorteilen auf:
  Es ist erfindungsgemäß möglich, eine Quadraturkompensation durch einen elektrischen Abgleich im Gegensatz zu aufwendigen (iterativen) und kostenträchtigen physikalischen Auswuchtverfahren durchzuführen.
• Die Reduktion der Quadratur erfolgt im Sensorelement selbst. Somit tauchen an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt keine Quadratursignale auf, was deutlich reduzierte Anforderungen an die primäre Sensor-Signalauswertung bzw. verbesserte Sensorperformance zur Folge hat. Die Erfindung beruht auf der Wirkung statischer Kräfte. Hierdurch ist eine leichte Umsetzbarkeit in Oberflächenmikromechanik gegeben. Die Erfindung ist einsetzbar für alle Vibrationsgyroskope, deren Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene verläuft. Darüberhinaus ist die Erfindung kompatibel mit unterschiedlichsten Sensor-Auswerteschaltungskonzepten.

Claims (8)

1. Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis- Element (2a, 2b), das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, wobei das Coriolis-Element (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse (X) anregbar ist, wobei eine Auslenkung des Coriolis-Elements (2a, 2b) aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer zweiten Achse (Y), die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (X) vorgesehen ist, nachweisbar sind, wobei die erste und zweite Achse (X, Y) parallel zur Oberfläche des Substrats vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Substrat zumindest teilweise beweglich vorgesehene Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) vorgesehen sind, wobei kraftvermittelnde Mittel (19, 20) vorgesehen sind, wobei die Mittel (19, 20) vorgesehen sind, eine statische Kraftwirkung zwischen dem Substrat und wenigstens einem der Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) zu vermitteln.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf das Corioliselement (2a, 2b) ausgeübt wird.

3. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf eine Antriebsmasse (1a, 1b) ausgeübt wird.

4. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf ein Detektionselement (3a, 3b) ausgeübt wird.

5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19, 20) derart vorgesehen sind, dass die statische Kraftwirkung einem Drehmoment bezüglich einer im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Substrats stehenden dritten Achse (Z) entspricht.

6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (19, 20) Kompensationsstrukturen mit einer ersten Unterstruktur (19) und einer zweiten Unterstruktur (20) vorgesehen sind.

7. Drehratensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstrukturen (19, 20) asymmetrisch vorgesehen sind.

8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsmitte (12a, 13a, 12b, 13b) vorgesehen sind, durch die das Corioliselement (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu der ersten Achse (X) anregbar ist, und dass Detektionsmittel (15a, 16a, 15b, 16b, 17) vorgesehen sind, durch die eine Auslenkung des Corioliselements (2a, 2b) aufgrund der Corioliskraft in der zweiten Achse (Y) nachweisbar ist.