DE19500800A1

DE19500800A1 - Acceleration sensor

Info

Publication number: DE19500800A1
Application number: DE19500800A
Authority: DE
Inventors: Hans-Martin Dipl Phys Kulcke; Siegbert Dr Goetz; Franz Dr Laermer; Michael Dr Dr Ing Offenberg; Karsten Dipl Ing Funk; Andrea Schilp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 1995-12-21
Also published as: DE59510685D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, insbesondere Coriolis-Drehratensensor, nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.The invention relates to an acceleration sensor, especially Coriolis rotation rate sensor, according to the Ober Concept of claim 1.

State of the art

Coriolis-Drehratensensoren sind bekannt. Hierzu wer den beispielsweise Quartzstimmgabeln, eine Kombi nation einer schwingenden Trägerstruktur mit kapazi tiven Beschleunigungsaufnehmern oder in einer Ebene schwingende Oberflächenstrukturen, die als sogenannte seismische Massen ausgebildet sind, durch Coriolis-Beschleunigungen gegen rücktreibende Biegefedern aus gelenkt. Durch die Coriolis-Beschleunigungen werden die Strukturen aus der Schwingebene ausgelenkt, wo durch eine kapazitive Auswertung der Auslenkung mög lich wird. Werden derartige Coriolis-Drehratensen soren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, müssen die kapa zitiven Beschleunigungsaufnehmer relativ kleine Coriolis-Beschleunigungen, im Bereich bis 10 mg (g gleich Erdbeschleunigung) gegenüber relativ großen Linearbeschleunigungen im Bereich bis 1 g erkennen. Die Ausgrenzung von Linearbeschleunigungen geschieht üblicherweise durch eine Differenzbildung von Kapazi tätsunterschieden bei einzelnen Beschleunigungsauf nehmern. Hierdurch können Beschleunigungen, die auf die Beschleunigungsaufnehmer in der gleichen Weise einwirken, rechnerisch eliminiert werden.Coriolis yaw rate sensors are known. About who the quartz tuning forks, for example, a station wagon nation of a vibrating support structure with kapazi tive accelerometers or in one plane vibrating surface structures, the so-called seismic masses are formed by Coriolis accelerations against repelling spiral springs directed. Through the Coriolis accelerations the structures deflected from the vibratory plane where through a capacitive evaluation of the deflection becomes. Such Coriolis rotation rates sensors used in motor vehicles, the kapa quotative accelerometers relatively small Coriolis accelerations, in the range up to 10 mg (g equal to gravitational acceleration) compared to relatively large ones Detect linear accelerations in the range up to 1 g. Linear accelerations are excluded usually by forming a difference between capacitors differences in the individual acceleration takers. This can accelerate on the accelerometers in the same way act, be eliminated arithmetically.

Es ist bekannt, durch gegenphasig oszillierende Schwingstrukturen die Beschleunigungssensoren so aus zubilden, daß die Coriolisbeschleunigung mit entge gengesetzten Vorzeichen auf die kapazitiven Beschleu nigungsaufnehmer einwirkt, so daß durch die oben er wähnte Differenzbildung die drehratenproportionalen Einzelsignale rechnerisch betragsmäßig addiert werden können. Darüber hinaus ist bekannt, die mit den Beschleunigungsaufnehmern erzeugten elektronischen Signale durch phasensensitive Synchrondemodulation so aufzuarbeiten, daß nur die der Schwingfrequenz pro portionale Signalkomponente herausgefiltert wird, so daß eine Signalabweichung durch Linearbeschleuni gungen zusätzlich unterdrückt werden kann. Bei den bekannten Beschleunigungssensoren ist nachteilig, daß durch die Auslenkung aufgrund von Linearbeschleuni gungen eine Verschiebung des Sensorarbeitspunkts und damit der Sensorempfindlichkeit auftritt. Zur Kompen sation dieser Arbeitspunktverschiebung infolge der Linearbeschleunigungen sind Lageregelungen der Be schleunigungsaufnehmer notwendig, die das Sensor element stets in Coriolisbeschleunigungsrichtung in Ruhe halten. Durch eine aktive elektrische Gegenkopp lung soll eine Verschiebung des Sensorarbeitspunkts verhindert werden. Es ist jedoch in dem Zusammenhang nachteilig, daß die notwendige Signaldifferenzbildung erst an den Ausgängen der Regelschaltungen durch führ bar ist, so daß der Dynamikbereich der Beschleu nigungssensoren eingeengt ist und durch die Dynamik der Regelschaltungen Linearitäts- und Gleichtakt fehler auftreten können. Werden die Coriolis beschleunigungen mit einer sogenannten "out-of-plane" Messung ermittelt, muß für die Lageregelung eine zu sätzliche obere Deckelektrode für den Beschleuni gungssensor vorgesehen sein, so daß sowohl von unten als auch von oben anziehende elektrostatische Rück haltekräfte auf die bewegliche seismische Masse aus geübt werden können. Hierdurch wird der Aufbau des gesamten Beschleunigungssensors komplizierter und da mit der Herstellungsprozeß aufwendiger und teurer.It is known by oscillating in opposite phases Vibration structures the acceleration sensors to form that the Coriolis acceleration with entge opposite sign on the capacitive acceleration acts on the sensor, so that through the above he imagined the formation of the difference proportional to the rotation rate Individual signals can be added in terms of amount can. It is also known that with the Accelerometers generated electronic Signals through phase sensitive synchronous demodulation work up that only the oscillation frequency per proportional signal component is filtered out, so that a signal deviation due to linear acceleration conditions can also be suppressed. Both known acceleration sensors is disadvantageous in that due to the deflection due to linear acceleration a shift in the sensor operating point and so that the sensor sensitivity occurs. To the compen sation of this working point shift due to the Linear accelerations are position controls of the Be accelerometer necessary the sensor element always in the Coriolis acceleration direction in Keep calm. Through an active electrical counter coupling a shift of the sensor working point be prevented. However, it is in the context disadvantageous that the necessary signal difference formation only at the outputs of the control circuits bar, so that the dynamic range of the acceleration inclination sensors is restricted and by the dynamics of the control circuits linearity and common mode errors can occur. Become the Coriolis accelerations with a so-called "out-of-plane" Measurement determined, must for the position control additional top cover electrode for the accelerator supply sensor be provided so that both from below as well as top electrostatic back holding forces on the movable seismic mass can be practiced. This will build the entire acceleration sensor more complicated and there with the manufacturing process more complex and expensive.

Weiterhin ist bei den bekannten einlagigen Beschleu nigungssensoren, das heißt ohne obere Gegenelektrode, nachteilig, daß durch das angelegte Potential zur kapazitiven Messung der Auslenkung der seismischen Masse eine elektrostatische Anziehung der seismischen Masse zum Substrat (Basis) erfolgt. Um ein Aufliegen der seismischen Masse auf dem Substrat zu vermeiden, können nur kleine Spannungen zur Kapazitätsmessung angelegt werden. Hierdurch können nur kleine Meß ströme mit einem schlechteren Signal/Rauschverhältnis zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin ist bereits vorgeschlagen worden, zur Vermeidung des schlechten Signal/Rauschverhaltens ein Trägerfrequenzverfahren mit einem hochfrequenten Spannungssignal mit sehr niedriger Spannungsamplitude einzusetzen. Die hohe Frequenz sorgt trotz der niedrigen Spannung für akzeptable, der Kapazität proportionale Signalströme. Zur Erlangung genauer Meßergebnisse ist jedoch auch bei dieser Beschleunigungssensoranordnung die zusätz liche Anordnung einer Gegenelektrode in Form einer Deckelektrode über der beweglichen seismischen Masse notwendig, so daß elektrostatische Kräfte, die von der angelegten Meßspannung ausgehen, in beiden Rich tungen auf die seismische Masse wirken und damit sich gegenseitig ausschalten. Dies bedeutet die bereits erwähnte Verkomplizierung des Sensoraufbaus, der so mit nur aufwendig und teuer herzustellen ist.Furthermore, in the known single-layer access system inclination sensors, i.e. without an upper counter electrode, disadvantageous that the applied potential for capacitive measurement of the deflection of the seismic Mass an electrostatic attraction of the seismic Mass to the substrate (base) takes place. To lay on to avoid the seismic mass on the substrate can only use small voltages to measure capacitance be created. This allows only small measuring currents with a poorer signal / noise ratio to provide. Still is already have been proposed to avoid the bad Signal / noise behavior a carrier frequency method with a high frequency voltage signal with very low voltage amplitude. The height Frequency ensures despite the low voltage acceptable signal currents proportional to the capacitance. However, in order to obtain accurate measurement results with this acceleration sensor arrangement the additional Liche arrangement of a counter electrode in the form of a Cover electrode over the movable seismic mass necessary so that electrostatic forces caused by of the applied measuring voltage, in both directions effects on the seismic mass and thus switch off each other. This already means that mentioned complication of the sensor structure, the so with only complex and expensive to manufacture.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den im An spruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, mittels einer besonders einfachen und damit kostengünstigen einlagigen Beschleunigungssensoran ordnung eine auf den Sensor wirkende Coriolisbe schleunigung sicher zu erfassen und somit die Sensor empfindlichkeit wesentlich zu erhöhen. Dadurch, daß die seismischen Massen derart aufgehängt sind, daß eine Auslenkung der seismischen Massen aufgrund von auf diese wirkende Störbeschleunigungen, insbesondere Linearbeschleunigungen, durch ihre Anordnung unter drückt wird, ist es vorteilhaft möglich, kleine Coriolisbeschleunigungen sehr einfach und genau zu messen, wobei gleichzeitig höhere Störbeschleuni gungen, insbesondere störende Linearbeschleunigungen, eliminiert werden.The rotation rate sensor according to the invention with the in pronouncement 1 features in contrast offers the Advantage, by means of a particularly simple and therefore cost-effective single-layer acceleration sensor order a Coriolisbe acting on the sensor to reliably detect acceleration and thus the sensor increase sensitivity significantly. As a result of that the seismic masses are suspended in such a way that deflection of the seismic masses due to interference accelerations acting on these, in particular Linear accelerations, by their arrangement under is pressed, it is advantageously possible to small Coriolis accelerations are very simple and precise measure, while higher interference acceleration conditions, particularly disruptive linear accelerations, be eliminated.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, daß zwei mechanisch miteinander gekoppelte Schwingmassen eine Schwingstruktur bilden, die durch einen elektromagnetischen Antrieb oder elektrostati schen Kammantrieb in gegenphasiger planarer Oszil lation betrieben wird und die über Torsionsfedern mit dem Substrat (Basis) verbunden ist. Hierdurch ist es sehr vorteilhaft möglich, die mit entgegengesetzten Vorzeichen einwirkenden Coriolisbeschleunigungen durch die zwei miteinander gekoppelten Schwingmassen sehr genau zu erfassen, während auftretende Störbe schleunigungen bereits vor Ort durch den mechanischen Aufbau unterdrückt werden können.In a preferred embodiment of the invention seen that two mechanically coupled Vibrating masses form a vibrating structure that through an electromagnetic drive or electrostatic comb drive in opposite phase planar Oszil lation is operated and with torsion springs is connected to the substrate (base). This is it very advantageous possible with opposite Signed Coriolis accelerations through the two oscillating masses coupled together to be recorded very precisely while sturgeon occurring accelerations already on site through the mechanical Structure can be suppressed.

Durch die zwei miteinander gekoppelten Schwingmassen wird eine Hebelanordnung (zweiarmiger Hebel mit Dreh achse durch die Torsionsfedern) geschaffen, bei der über die Torsionsfedern störende Linearbeschleuni gungen mechanisch unterdrückt werden, so daß diese nahezu keine Auslenkung der Schwingstruktur bewirken. Dies wird erreicht, da die auf beide Schwingmassen aufgrund der störenden Linearbeschleunigung wirkenden Kräfte identisch wirken und diese sich somit im Gleichgewicht befinden und keine Verdrillung der Torsionsfedern bewirken. Durch die gegenphasige Os zillation wirken Coriolisbeschleunigungen dagegen mit entgegengesetzten Vorzeichen auf die Schwingmassen und bewirken ein Drehmoment. Hierdurch kommt es zu einer Auslenkung der Schwingstruktur um die Torsions federn. Der Grad dieser Auslenkung ist mit Auswerte mitteln, insbesondere kapazitiven Auswertemitteln, meßbar. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit ist durch eine Lageregelung der Schwingstruktur besonders einfach durch geeignetes Anlegen einer Rückhalte spannung an die unteren Elektroden unter den Schwing massen möglich. Auf die Anordnung einer oberen Deck elektrode mit ihren erwähnten Nachteilen kann dank der Hebelanordnung verzichtet werden, so daß sich der Aufbau der Beschleunigungssensoren wesentlich verein facht.Through the two vibrating masses coupled together is a lever arrangement (two-armed lever with rotary axis created by the torsion springs) Linear accelerations disruptive via the torsion springs conditions are mechanically suppressed, so that these cause almost no deflection of the vibrating structure. This is achieved because the vibrating masses on both due to the disturbing linear acceleration Forces act identically and are therefore Balance and no twisting of the Cause torsion springs. Due to the antiphase Os Coriolis accelerations, on the other hand, contribute to this opposite sign on the vibrating masses and create a torque. This is what happens a deflection of the vibrating structure around the torsion feathers. The degree of this deflection is with evaluations means, in particular capacitive evaluation means, measurable. Another increase in accuracy is through a position control of the vibrating structure simply by appropriately applying a restraint voltage to the lower electrodes under the oscillation mass possible. On the arrangement of an upper deck electrode with its disadvantages mentioned can thanks the lever arrangement can be dispensed with, so that the Structure of the acceleration sensors substantially united fold.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß den Schwingmassen ein gemeinsamer elektrostatischer Kammantrieb zugeordnet ist und we nigstens eine, vorzugsweise jedoch beide Schwing massen zusätzlich eine weitere Kammstruktur besitzen, die jeweils einen ineinander greifenden feststehenden und einen beweglichen Kamm aufweisen, die der kapa zitiven Anzeige einer Schwingbewegung dienen. Hier durch kann sehr vorteilhaft durch eine symmetrische und/oder asymmetrische Änderung der Kapazitäten der Kammanordnungen auf die Beschleunigungssensoren wir kende Coriolisbeschleunigungen erkannt werden und die elektronischen Signalspannungen in einfacher Weise ausgewertet werden, so daß neben der bereits erfolg ten mechanischen Unterdrückung von Störbeschleu nigungen, insbesondere störenden Linearbeschleuni gungen eine zusätzliche elektrische Unterdrückung bewirkt wird. Insgesamt können durch eine Kombination der mechanischen und elektrischen Unterdrückung der Störbeschleunigungen mit den einfach aufgebauten Be schleunigungssensoren Coriolisbeschleunigungen unab hängig voneinander in zwei Drehachsen, nämlich senkrecht zur planaren Schwingungsebene und senkrecht zur Ebene des Substrats (Basis), erfaßt werden.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the oscillating masses have a common electrostatic comb drive is assigned and we at least one, but preferably both vibrations mass additionally have a further comb structure, each with an interlocking fixed and have a movable comb that the kapa serve as a quotative display of a swinging movement. Here through can be very advantageous through a symmetrical and / or asymmetrical change in the capacities of the Comb arrangements on the accelerometers we Coriolis accelerations are recognized and the electronic signal voltages in a simple manner be evaluated so that in addition to the already successful mechanical suppression of spoilage inclinations, in particular disruptive linear accelerations additional electrical suppression is effected. Overall, through a combination the mechanical and electrical suppression of the Accelerated interference with the simply constructed Be acceleration sensors Coriolis accelerations independent dependent on each other in two axes of rotation, namely perpendicular to the planar vibration plane and perpendicular to the level of the substrate (base).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention result from the rest of the subclaims mentioned features.

drawing

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described in the following play closer with the accompanying drawings explained. Show it:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor; Fig. 1 is a plan view of a rotation rate sensor;

Fig. 1a eine schematische Schnittdarstellung durch einen Drehratensensor; Figure 1a is a schematic sectional view of a rotation rate sensor.

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 2 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 3 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 4 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 5 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen aktivierten Drehratensensor gemäß Fig. 5; FIG. 6 shows a plan view of an activated yaw rate sensor according to FIG. 5;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 7 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 8 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; Figure 9 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment.

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel; FIG. 10 is a plan view of a rotation rate sensor according to a further embodiment;

Fig. 11 eine Simulation einer drehratenbedingten Auslenkung eines Drehratensensors; FIG. 11 is a simulation of a rotation-rate-induced deflection of a yaw rate sensor;

Fig. 12 und 12a eine Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung durch einen Drehraten sensor nach einem weiteren Ausführungs beispiel; Fig. 12 and 12a is a plan view and a schematic sectional view of a rotation rate sensor according to a further example of execution;

Fig. 13 und 13a eine Draufsicht und eine schematische Schnittdarstellung durch einen Drehraten sensor nach einem weiteren Ausführungs beispiel; Figs. 13 and 13a is a plan view and a schematic sectional view of a rotation rate sensor according to a further example of execution;

Fig. 14 eine Draufsicht auf einen Drehraten sensor nach einem weiteren Ausführungs beispiel und Fig. 14 is a plan view of a rotation rate sensor according to another embodiment example and

Fig. 15 eine weitere Draufsicht auf einen Drehraten sensor mit einer drehratenbedingten Auslenkung. Fig. 15 is another plan view of a rotation rate sensor with a rotation-rate-related deflection.

Description of the embodiments

Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten Drehratensensor. Der Sensor 10 weist zwei Schwing massen 12 und 14 auf, die mechanisch miteinander gekoppelt sind und eine Schwingstruktur 16 bilden. Die Schwingmassen 12 und 14 weisen an ihren gegen überliegenden Stirnseiten jeweils zwei symmetrisch angeordnete Biegefedern 18 auf, die eine Länge l, eine Dicke d sowie eine nicht dargestellte Höhe h aufweisen. Die Biegefedern 18 sind an ihren Enden je weils mit einem freien Siliciumsteg 20 verbunden. Durch die mit den Biegefedern 18 verbundenen Si liciumstege 20 werden die Schwingmassen 12 und 14′ zu der Schwingstruktur 16 mechanisch miteinander ge koppelt. Die Siliciumstege 20 sind über symmetrisch angeordnete Torsionsfedern 22 mit einem zentral ange ordneten Befestigungsfuß 24 verbunden, der auf einer Basis 26 (Substrat) angeordnet ist. Die Torsions federn 22 weisen eine Länge l′, eine Dicke d′ sowie eine nicht dargestellte Höhe h′ auf. Sowohl die Biegefedern 18 als auch die Torsionsfedern 22 weisen ein hohes Aspektverhältnis auf, das heißt, ihre Höhe h bzw. h′ ist im Verhältnis zur Dicke d bzw. d′ möglichst hoch. Die Biegefedern 18 und die Torsions federn 22 sind somit in ihrer planaren Schwingungs ebene 28 weich und senkrecht zur planaren Schwin gungsebene 28, also in Richtung der Siliziumstege 20, steif. Die Schwingmassen 12 und 14, die gleichzeitig als seismische Massen zum Beschleunigungsnachweis dienen, sind somit ebenfalls in der planaren Schwin gungsrichtung weich und senkrecht zur planaren Schwingungsebene sehr steif aufgehängt. Die Torsions federn 22 sind aufgrund ihres hohen Aspektverhält nisses relativ weich gegenüber einer Torsion um ihre Längsachse, so daß sie in bezug auf die beiden symmetrisch aufgehängten Schwingmassen 12 und 14 wie ein Drehgelenk wirken gegenüber einer Bewegung der beiden Schwingmassen aus der Ebene heraus (Verdrillen der Torsionsfedern). Fig. 1 shows a rotation rate sensor, generally designated 10. The sensor 10 has two vibrating masses 12 and 14 , which are mechanically coupled to one another and form a vibrating structure 16 . The vibrating masses 12 and 14 each have two symmetrically arranged spiral springs 18 on their opposite end faces, which have a length l, a thickness d and a height h, not shown. The spiral springs 18 are each connected at their ends to a free silicon web 20 . By connected to the bending springs 18 Si liciumstege 20 , the vibrating masses 12 and 14 'to the vibrating structure 16 mechanically coupled ge. The silicon webs 20 are connected via symmetrically arranged torsion springs 22 to a centrally arranged mounting foot 24 , which is arranged on a base 26 (substrate). The torsion springs 22 have a length l ', a thickness d' and a height h ', not shown. Both the spiral springs 18 and the torsion springs 22 have a high aspect ratio, that is, their height h or h 'is as high as possible in relation to the thickness d or d'. The spiral springs 18 and the torsion springs 22 are thus soft in their planar vibration level 28 and perpendicular to the planar vibration level 28 , ie in the direction of the silicon webs 20 , stiff. The vibrating masses 12 and 14 , which also serve as seismic masses for the detection of acceleration, are thus also soft in the planar direction of vibration and suspended very stiffly perpendicular to the planar vibration plane. The torsion springs 22 are relatively soft due to their high aspect ratio against torsion about their longitudinal axis, so that they act with respect to the two symmetrically suspended oscillating masses 12 and 14 like a swivel against movement of the two oscillating masses out of the plane (twisting the Torsion springs).

Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann anstatt der beidseitig angeordneten zwei Biege federn 18 je Schwingmasse 12 oder 14 auf jeder Seite je eine Biegefeder 18 angeordnet sein, die exakt durch den Schwerpunkt der jeweiligen Schwingmassen 12 und 14 (inklusive Kämme) verläuft und mit den Siliciumstegen 20 verbunden ist.According to a not shown embodiment, instead of the arranged on both sides two bending springs 18 each oscillating mass 12 or 14 on each side, a spiral spring be disposed 18 exactly passes through the center of gravity of the respective oscillating masses 12 and 14 (including crests) and the silicon beams 20 connected is.

Eine der Schwingmassen 12 oder 14, im gezeigten Bei spiel die Schwingmasse 12, weist einen elektrosta tischen Kammantrieb 30 auf, der aus einem mit der Schwingmassen 12 verbundenen und somit beweglichen Kamm 32 und einen mit dem Kamm 32 in Eingriff stehenden auf der Basis 26 festangeordneten Kamm 34 besteht. Die andere Schwingmasse, im Beispiel die Schwingmasse 14, besitzt eine Kammstruktur 36, die aus einem fest mit der Schwingmasse 14 und damit be weglichen Kamm 38 und eine mit dem Kamm 38 in Ein griff stehenden, mit der Basis 26 verbundenen Kamm 40 besteht. Die Kammstruktur 36 bildet einen Schwin gungsabgriff der Schwingstruktur 16 für eine Amplitu denstabilisierung der Schwingbewegung und eine elek tronische Rückkopplung zur Dämpfung der Schwingbewe gung. In der Fig. 1 ist weiterhin die Länge der Schwingmassen 12 und 14 mit y und die Breite der Schwingmassen 12, 14 mit x bezeichnet. Eine gedachte Schwerpunktachse 42 besitzt zu einer gedachten Mit telachse 44 den Abstand w. Mit dem Pfeil 46 ist die Wirkungsrichtung der Coriolisbeschleunigung und damit der daraus resultierenden Drehrate Ω angegeben.One of the oscillating masses 12 or 14 , in the case of the oscillating mass 12 shown , has an electrostatic comb drive 30 which is arranged on a base 26 which is connected to the oscillating masses 12 and thus movable comb 32 and a comb 32 which engages with the comb 32 Comb 34 consists. The other vibrating mass, in the example the vibrating mass 14 , has a comb structure 36 , which consists of a comb with the vibrating mass 14 and thus be movable comb 38 and a comb with the comb 38 in a standing, connected to the base 26 comb 40 . The comb structure 36 forms a vibration tapping of the vibration structure 16 for an amplitude stabilization of the vibration movement and an electronic feedback for damping the vibration movement. In Fig. 1, the length of the vibrating masses 12 and 14 with y and the width of the vibrating masses 12 , 14 with x. An imaginary axis of focus 42 has an imaginary center axis 44 with the distance w. Arrow 46 indicates the direction of action of the Coriolis acceleration and thus the resulting rotation rate Ω.

Fig. 1a zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch den Drehratensensor 10, wobei hier nicht alle Einzelheiten aus Gründen der Übersichtlichkeit dar gestellt sind. Es wird deutlich, daß die Höhe h′ der Torsionsfeder 22 im Verhältnis zu der Dicke d′ (Fig. 1) relativ groß ist. Weiterhin sind die unterhalb der Schwingmassen 12 und 14 angeordneten unteren Elek troden 31 dargestellt, die die kapazitive Auswertung einer Auslenkung der Schwingmassen 12 und 14 aufgrund einer auf diese wirkenden Coriolisbeschleunigung er möglichen. Die Schwingmassen 12 bzw. 14 und die Elektroden 31 bilden somit quasi die Elektroden einer hier mit C angedeuteten Kapazität. Die Elektroden 31 sind über ein Zwischenoxid (Isolieroxid) 33 auf der Basis 26 aufgebracht. Fig. 1a shows schematically a sectional view through the yaw rate sensor 10 , not all details are presented here for reasons of clarity. It is clear that the height h 'of the torsion spring 22 in relation to the thickness d' ( Fig. 1) is relatively large. Furthermore, the lower electrodes 31 below the vibrating masses 12 and 14 are shown, which enable the capacitive evaluation of a deflection of the vibrating masses 12 and 14 due to a Coriolis acceleration acting on it. The oscillating masses 12 and 14 and the electrodes 31 thus virtually form the electrodes of a capacitance indicated here by C. The electrodes 31 are applied to the base 26 via an intermediate oxide (insulating oxide) 33 .

In den Fig. 2 bis 4 sind weitere Ausführungs beispiele des Drehratensensors 10 gezeigt, wobei gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugs zeichen versehen und hier nicht nochmals erläutert sind.In Figs. 2 to 4 are other examples of execution of the rotation rate sensor 10, being provided sign the same parts as in Fig. 1 with the same reference and will not be explained again here.

In der Fig. 2 sind die Torsionsfedern 22 nicht mit einem zentralen Befestigungsfuß, sondern mit zwei symmetrisch gelegenen äußeren Befestigungsfüßen 48 verbunden. Durch die äußeren Befestigungsfüße 48 ist eine bessere elektrische Kontaktierung der Schwing struktur 16 möglich. In den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Torsions federn 22 zusätzlich über jeweils eine Zugfeder 50 an dem zentralen Befestigungsfuß 24 angekoppelt. Der Geometrie sind, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, keine Grenzen gesetzt. So kann, wie in Fig. 3 dargestellt, eine einfache Zugfeder 50 oder wie in Fig. 4 darge stellt, eine doppelte Zugfeder 50 vorgesehen sein.In FIG. 2, the torsion springs 22 are not connected to a central mounting pad, but with two symmetrically located outer fixing feet 48th A better electrical contacting of the vibrating structure 16 is possible through the outer fastening feet 48 . In the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, the torsion springs 22 are additionally coupled via a tension spring 50 to the central fastening foot 24 . As the FIGS. 3 and 4 show, there are no limits to the geometry. Thus, as shown in FIG. 3, a single tension spring 50 or, as shown in FIG. 4, a double tension spring 50 can be provided.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungs beispiele üben folgende Funktion aus:The execution examples shown in FIGS. 1 to 4 exercise the following function:

Auf den Drehratensensor 10 wirkende Linearbeschleu nigungen wirken auf die beiden Schwingmassen 12 und 14 in gleicher Weise und führen damit zu keiner Aus lenkung der Schwingmassen 12 und 14, da die maßgeb lichen Biegesteifigkeiten der Biegefeder 18 und Tor sionsfedern 22 senkrecht zur Basis 26 sehr groß ge wählt sind. Eine Torsion der Torsionsfedern 22 stellt sich bei Linearbeschleunigungen aufgrund entgegen gesetzt gleicher Drehmomente nicht ein. Eine zwischen der Basis 26 (Elektroden 31) und der Schwingstruktur 16 angelegte Meßspannung bzw. die hieraus resul tierende elektrostatischen Feldkräfte führen eben falls nicht zu einer Auslenkung der Schwingmassen 12 und 14.On the rotation rate sensor 10 acting linear accelerations act on the two vibrating masses 12 and 14 in the same way and thus do not lead to any deflection of the vibrating masses 12 and 14 , since the decisive bending stiffness of the bending spring 18 and torsion springs 22 perpendicular to the base 26 are very large are choosing. A torsion of the torsion springs 22 does not occur in the case of linear accelerations due to opposite torques. A measuring voltage applied between the base 26 (electrodes 31 ) and the vibrating structure 16 or the electrostatic field forces resulting therefrom does not lead to a deflection of the vibrating masses 12 and 14 .

Auftretende drehratenbedingte Coriolisbeschleuni gungen wirken senkrecht zur Schwingungsebene 28 mit entgegengesetzten Vorzeichen auf die gegenphasig schwingenden Schwingmassen 12 und 14 ein. Da diese entgegengesetzten Coriolisbeschleunigungen identische Drehmomente an den Torsionsfedern 22 bewirken, werden diese ausgelenkt (verdrillt). Bei einer Torsion der Torsionsfedern 22 vergrößern bzw. verkleinern sich die Abstände der seismischen Schwingmassen 12 und 14 zur Basis 26 mit einer planaren Schwingfrequenz. Diese entstehende Schaukelbewegung (in Fig. 1a mit 35 angedeutet) kann als mit der planaren Schwingfre quenz auftretende Kapazitätsvariation zwischen den Schwingmassen 12 und 14 und den unter den Schwingmas sen 12, 14 befindlichen Elektroden 31 detektiert wer den. Zur zusätzlichen Eliminierung von Störbeschleu nigungen können die an sich bekannten Verfahren, wie eine Signaldifferenzbildung und eine phasensensitive Synchrondemodulation der gewonnenen Sensorsignale, verwendet werden. Für die gegenphasige planare Schwingfrequenz der beiden Schwingmassen 12 und 14 gilt folgende Beziehung:Occurrence of Coriolis accelerations caused by rotation rate act perpendicular to the vibration plane 28 with opposite signs on the oscillating masses 12 and 14 which oscillate in phase. Since these opposite Coriolis accelerations cause identical torques on the torsion springs 22 , these are deflected (twisted). When the torsion springs 22 are twisted, the distances between the seismic oscillating masses 12 and 14 from the base 26 increase or decrease with a planar oscillation frequency. Can (indicated in Fig. 1 with 35), this resulting rocking movement as with the planar Schwingfre occurring sequence variation in capacitance between the oscillating masses 12 and 14 and the sen under the Schwingmas 12 located electrodes 14 31 detects who the. For additional elimination of Störbeschleu accelerations known methods, such as signal difference formation and phase-sensitive synchronous demodulation of the sensor signals obtained can be used. The following relationship applies to the antiphase planar vibration frequency of the two vibration masses 12 and 14 :

Für die Frequenz der Torsionsschwingung der beiden Schwingmassen 12 und 14 gilt:The following applies to the frequency of the torsional vibration of the two vibrating masses 12 and 14 :

wobei E das Elastizitätsmodul, v die Poisson-Zahl und h die Schichtdicke der Schwingmassen 12 und 14 be deutet. Die reine Biegesteifigkeit der vier Biege federn 18 jeder Schwingmasse 12 und 14 "out-of-plane" ist:where E is the modulus of elasticity, v is the Poisson number and h is the layer thickness of the vibrating masses 12 and 14 be. The pure bending stiffness of the four bending springs 18 of each oscillating mass 12 and 14 "out-of-plane" is:

Die Steifigkeit der Schwingstruktur 16 der beiden Schwingmassen 12 und 14 gegenüber Torsion um die zentralen Torsionsfedern 22 ist:The rigidity of the vibrating structure 16 of the two vibrating masses 12 and 14 with respect to torsion around the central torsion springs 22 is:

Das Verhältnis der Steifigkeit der Schwingstruktur 16 gegenüber einer gleichphasigen, das heißt parallelen Auslenkung der beiden Schwingmassen 12 und 14, das heißt einer Biegung der vier Biegefedern aus der Schwingebene 28 heraus, gegenüber einer gegenphasi gen, das heißt antiparallelen Auslenkung der beiden Schwingmassen 12 und 14, das heißt einer Torsion der zentralen Torsionsfedern 22 erzeugt:The ratio of the stiffness of the oscillating structure 16 to an in-phase, that is, parallel deflection of the two oscillating masses 12 and 14 , that is to say a bending of the four spiral springs out of the oscillating plane 28 , to an antiphase, that is to say antiparallel deflection of the two oscillating masses 12 and 14 , that is, a torsion of the central torsion springs 22 is generated:

Für angenommene Werte von d=1,5 µ, 1=400 µ, x=500 µ, y=1000 µ ergibt sich eine gegenphasige planare Schwingfrequenz von f_{in plane}=890 Hz.For assumed values of d = 1.5 µ, 1 = 400 µ, x = 500 µ, y = 1000 µ, an antiphase planar oscillation frequency of f _{in plane} = 890 Hz results.

Für d′=3 µ, 1′=100 µ, w=350 µ, h=6 µ beträgt die Frequenz der Torsionsschwingung f_Torsion=940 Hz und das Verhält nis von D_Biege/D_Torsion=10.For d '= 3 µ, 1' = 100 µ, w = 350 µ, h = 6 µ, the frequency of the torsional vibration is f _torsion = 940 Hz and the ratio of D _bending / D _torsion = 10.

Für einen Wert h=17 µ beträgt f_Torsion=1080 Hz und das Verhältnis von D_Biege/D_Torsion=75.For a value h = 17 µ, f _torsion = 1080 Hz and the ratio of D _bending / D _torsion = 75.

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Drehraten sensor zeichnet sich durch einen einlagigen Aufbau aus, der beispielsweise mittels Verfahren der Ober flächenmikromechanik auf Siliciumsubstraten herge stellt werden kann. Es ist vorteilhaft, den Drehra tensensor 10 in relativ dickem einkristallinen Siliciummaterial, zum Beispiel Silicon-on-Insulator (SOI) mit geeigneter Dotierung oder in relativ dickem Polysilicium herzustellen, weil durch die große Schichtdicke Querempfindlichkeiten besonders wirksam unterdrückt werden können. Die Schwingstruktur 16 ge winnt durch das dicke Siliciummaterial an mechani scher Stabilität und ist relativ unempfindlich gegen über dotierungsbedingten Spannungen und kann eine besonders ebene planare Schwingungsbewegung ausfüh ren. Weiterhin können die Kapazitäten der Kamm strukturen 30 bzw. 36 zur Aufnahme der planaren Schwingungsbewegung groß, also leicht auswertbar her gestellt werden. Weiterhin können sehr vorteilhaft unter den Schwingmassen 12 und 14 im Substrat 26 höherdotierte Bereiche mit von der Substratdotierung verschiedenem Dotierungstyp oder Polysiliciumelektro denbereiche mit Zwischenoxid vorgesehen sein, um eine gegenseitige Isolation und gute elektrische Kon taktierung der unteren Kondensatorflächen, also der unteren Elektroden 31, zu ermöglichen. Die Kontak tierung dieser Flächen erfolgt vorteilhaft von oben, beispielsweise über Trenchlöcher, die nach Oxidation der Wände mit hochleitfähigem Polysilicium oder Metall planarisiert werden.The rotation rate sensor shown in FIGS. 1 to 4 is characterized by a single-layer structure, which can be produced for example by means of surface micromechanical methods on silicon substrates. It is advantageous to manufacture the rotary sensor 10 in relatively thick single-crystalline silicon material, for example silicone-on-insulator (SOI) with suitable doping or in relatively thick polysilicon, because cross-sensitivities can be suppressed particularly effectively by the large layer thickness. The oscillating structure 16 gains mechanical stability due to the thick silicon material and is relatively insensitive to doping-related voltages and can execute a particularly planar planar oscillating movement. Furthermore, the capacities of the comb structures 30 and 36 for receiving the planar oscillating movement can be large, that is to say can be easily evaluated. Furthermore, under the vibrating masses 12 and 14 in the substrate 26, areas with higher doping and doping types different from the substrate doping or polysilicon electrode areas with intermediate oxide can be provided very advantageously in order to enable mutual insulation and good electrical contacting of the lower capacitor surfaces, that is to say the lower electrodes 31 . The contacting of these surfaces is advantageously carried out from above, for example via trench holes, which are planarized with highly conductive polysilicon or metal after oxidation of the walls.

Die untere Elektrode 31 kann nach einem Beispiel (Fig. 1a) aus einer dünnen Schicht Polysilicium be stehen, die über ein Zwischenoxid 33 auf dem Substrat 26 angeordnet ist. Es ergibt sich somit ein Schich tenaufbau (Sandwich) aus dem Substrat 26, dem Zwi schen-(Isolier-)oxid 33, dem leitenden Polysilicium der unteren Elektrode 31, einer relativ dicken Opfer oxidschicht, die später entfernt wird, und dem dicken Sensorsilicium bzw. Sensorpolysilicium (Schwingmassen 12, 14) . Der Drehratensensor 10 kann somit mit ge bräuchlichen, in der Halbleitertechnik bekannten Ver fahren mit geringen Modifikationen einfach aufgebaut werden. The lower electrode 31 may, according to one example ( FIG. 1a), be made of a thin layer of polysilicon, which is arranged on the substrate 26 via an intermediate oxide 33 . There is thus a layer structure (sandwich) of the substrate 26 , the inter mediate (insulating) oxide 33 , the conductive polysilicon of the lower electrode 31 , a relatively thick sacrificial oxide layer, which will be removed later, and the thick sensor silicon or Sensor polysilicon (oscillating masses 12 , 14 ). The rotation rate sensor 10 can thus be constructed with common modifications known in semiconductor technology, with minor modifications.

Durch die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Anordnung der zusätzlichen Zugfedern 50 ist eine zusätzliche Linearisierung der Schwingungsbewegung der Schwing massen 12 und 14 durch eine quer zur planaren Schwin gungsrichtung federnde Aufhängung möglich. Die Zug federn 50 erlauben eine Relaxation der Zugspannung bei Auslenkung der lateralen Biegefedern 18, so daß auch bei großen Schwingungsamplituden die Schwing frequenz stabil bleibt.By in Figs. 3 and 4 shown arrangement of the additional tension springs 50 an additional linearization of the oscillatory movement of the oscillating masses 12 and 14 by a transverse to the planar oscillations supply direction resilient suspension possible. The tension springs 50 allow relaxation of the tension upon deflection of the lateral spiral springs 18 , so that the vibration frequency remains stable even with large vibration amplitudes.

Insgesamt ist ein Drehratensensor 10 geschaffen, der eine obere Deckelektrode oder eine Lageregelung durch elektronische Gegenkopplung nicht mehr benötigt und daher einfach und kostengünstig herzustellen ist. Eine Lageregelung zur weiteren Verbesserung der Sen soreigenschaften kann verhältnismäßig einfach mit integriert werden. Eine Lageregelung hat zusätzlich folgende Vorteile; Erhöhung der dynamischen Sensor resonanzfrequenz in Detektionsrichtung und damit ver besserte zeitliche Dynamik; eine kleinere Dämpfung und damit höhere Güte des Beschleunigungsaufnehmers, damit breiteren und flacheren Frequenzverlauf; ver besserte Linearität und Genauigkeit sowie Dynamik des Meßbereichs. Zur Aufnahme der Kapazitäten bzw. der aus der Coriolisbeschleunigung resultierenden Kapazi tätsänderungen kann eine relativ hohe Meßspannung mit einem entsprechend guten Signal-Rauschverhältnis zwi schen den Schwingmassen 12, 14 und dem Substrat 26 (Elektrode 31) angelegt werden, ohne daß eine elek trostatische Anziehung der Schwingmassen 12 und 14 erfolgt. Durch den gewählten mechanischen Aufbau des Drehratensensors 10 führen Linearbeschleunigungen, die beiden Schwingmassen 12 und 14 gemeinsam sind, zu nahezu keiner Auslenkung der Schwingstruktur 16, so daß auch keine nennenswerte Arbeitspunktverlagerung eintritt.Overall, a rotation rate sensor 10 is created, which no longer requires an upper cover electrode or a position control by means of electronic negative feedback, and is therefore simple and inexpensive to manufacture. A position control to further improve the sensor properties can be integrated relatively easily. A position control has the following additional advantages; Increasing the dynamic sensor resonance frequency in the detection direction and thus improved temporal dynamics; a smaller damping and thus higher quality of the accelerometer, thus a wider and flatter frequency response; improved linearity and accuracy as well as dynamic range. To accommodate the capacities or the changes in capacitance resulting from Coriolis acceleration, a relatively high measuring voltage with a correspondingly good signal-to-noise ratio between the oscillating masses 12 , 14 and the substrate 26 (electrode 31 ) can be applied without an electrostatic attraction of the Vibrating masses 12 and 14 takes place. Due to the selected mechanical structure of the rotation rate sensor 10 , linear accelerations, which are common to the two oscillating masses 12 and 14 , lead to almost no deflection of the oscillating structure 16 , so that there is also no significant shift in the operating point.

Nach einem nicht ausgeführten Ausführungsbeispiel kann es von Vorteil sein, den mikromechanischen Auf bau des Drehratensensors 10 mit einer integrierten Auswerteelektronik zu kombinieren, wobei die Her stellung der mikromechanischen Strukturen und das anschließende Freiätzen des Drehratensensors 10, das heißt das Entfernen der bei der Herstellung der freibeweglichen Schwingungsstruktur 16 notwendigen Opferschicht, am Ende des Herstellungsprozesses der integrierten Schaltung stattfinden kann. Zur Her stellung der mikromechanischen Strukturen wird vor teilhaft ein Plasmaätzverfahren eingesetzt mit hoher Anisotropie und Selektivität gegenüber gewöhnlichen Photoresistmasken, was die Einbindung in den IC-Prozeß wesentlich vereinfacht (back-end-Prozessierung des mikromechanischen Teils).According to an embodiment which has not been carried out, it may be advantageous to combine the micromechanical construction of the rotation rate sensor 10 with integrated evaluation electronics, the manufacture of the micromechanical structures and the subsequent etching-free of the rotation rate sensor 10 , that is to say the removal during the manufacture of the freely moving Vibration structure 16 necessary sacrificial layer can take place at the end of the manufacturing process of the integrated circuit. To manufacture the micromechanical structures, a plasma etching process is used with high anisotropy and selectivity compared to conventional photoresist masks, which considerably simplifies the integration into the IC process (back-end processing of the micromechanical part).

In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines Drehratensensors 10 zur Coriolis-Drehratenmessung gezeigt. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 bis 4 sind mit gleichen Bezugszeichen ver sehen und hier nicht nochmals erläutert.In FIGS. 5 and 6, a further preferred embodiment shown a yaw rate sensor 10 for Coriolis rotation rate measurement. The same parts as in FIGS. 1 to 4 are seen with the same reference numerals and are not explained here again.

Der elektrostatische Kammantrieb 30 ist hier zentral angeordnet und besitzt beidseitig einen feststehenden Kamm 34, der jeweils mit einem mit den Schwingmassen 12 und 14 verbundenen und damit beweglichen Kamm 32 in Eingriff steht. Die Schwingmassen 12 und 14 weisen an ihrer äußeren Seite jeweils eine Kammstruktur 51 mit einem Kamm 52 auf, die zwischen feststehenden Kämmen 54, die eine Kapazität C2 bilden und fest stehenden Kämmen 56, die eine Kapazität C1 bilden, eingreifen.The electrostatic comb drive 30 is arranged centrally here and has a fixed comb 34 on both sides, which is in engagement with a comb 32 connected to the oscillating masses 12 and 14 and thus movable. The vibrating masses 12 and 14 each have a comb structure 51 with a comb 52 on their outer side, which engage between fixed combs 54 , which form a capacitance C2, and fixed combs 56 , which form a capacitance C1.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Anordnung übt folgende Funktion aus:The arrangement shown in FIGS. 5 and 6 performs the following function:

Aus den Momentangeschwindigkeiten v und -v der in der Schwingungsebene 28 gegenphasig oszillierenden Schwingmassen 12 und 14 und einer Drehrate Ω, in den Fig. 5 und 6 mit 58 bezeichnet, senkrecht zur Schwingungsebene 28 resultieren Coriolisbeschleuni gungen a_c=Ωv bzw. -Ωv auf die Schwingmassen 12 und 14. Diese Coriolisbeschleunigungen bewirken auf die gesamte Schwingstruktur 16 ein Drehmoment:V of the instantaneous speeds and -v the antiphase oscillating in the vibration plane 28 oscillating masses 12 and 14 and a rotation rate Ω, in FIGS. 5 and 6 denoted by 58, perpendicular to the vibration plane 28 resulting Coriolisbeschleuni conditions a _c = Ωv or -Ωv on the vibrating masses 12 and 14 . These Coriolis accelerations cause a torque on the entire vibrating structure 16 :

M=2m_acw = 2mΩvw.M = 2m _ac w = 2mΩvw.

Infolgedessen wird die Schwingstruktur 16 gegen die Steifigkeit der Torsionsfedern 22 gedreht, so daß sich eine ebene Drehschwingung mit der Frequenz der ebenen Linear-Oszillation der Schwingmassen 12 und 14 einstellt. Die Amplitude dieser Drehschwingung ist proportional der zu messenden Drehrate Ω. Da auf tretende Linearbeschleunigungen wiederum auf beide Schwingmassen 12 und 14 zu jedem Zeitpunkt in glei cher Weise wirken, folgt hierdurch keine Auslenkung der Schwingmassen 12 und 14 und es ergibt sich kein resultierendes planares Drehmoment und somit auch keine planare Drehbewegung. As a result, the vibrating structure 16 is rotated against the rigidity of the torsion springs 22 , so that a flat torsional vibration occurs with the frequency of the flat linear oscillation of the vibrating masses 12 and 14 . The amplitude of this torsional vibration is proportional to the rotation rate Ω to be measured. Since acting on linear accelerations in turn act on both vibrating masses 12 and 14 at any time in the same manner, this results in no deflection of the vibrating masses 12 and 14 and there is no resulting planar torque and thus no planar rotary movement.

Der resonante Antrieb der Schwingmassen 12 und 14 zu gegenphasiger Oszillation erfolgt elektromagnetisch oder elektrostatisch über den Kammantrieb 30 mit Hilfe einer nicht dargestellten Oszillatorschaltung, die die Energieverluste der Schwingmassen periodisch ersetzt. Die dargestellten Kammstrukturen 51 der Kämme 52, 54 bzw. 56 dienen der kapazitiven Erkennung der Schwingungsbewegung der Schwingungsstruktur 16. Zur Verdeutlichung ist in der Fig. 5 der Dreh ratensensor 10 in Ruhestellung und in Fig. 6 der Drehratensensor 10 in einer ausgelenkten Stellung dargestellt. Die äußeren Kammstrukturen 51 der Kämme 52, 54 bzw. 56 dienen einerseits der Erkennung der linearen Oszillationsbewegung und andererseits der planaren Drehschwingungsbewegung der Schwingungs struktur 16.The resonant drive of the oscillating masses 12 and 14 for antiphase oscillation takes place electromagnetically or electrostatically via the comb drive 30 with the aid of an oscillator circuit, not shown, which periodically replaces the energy losses of the oscillating masses. The illustrated comb structures 51 of the combs 52 , 54 and 56 serve for the capacitive detection of the oscillation movement of the oscillation structure 16 . To illustrate the rotation of the rotation rate sensor is shown in FIG. 5 rate sensor 10 in the rest position and in Fig. 6 shown in a deflected position 10. The outer comb structures 51 of the combs 52 , 54 and 56 serve on the one hand to detect the linear oscillation movement and on the other hand the planar torsional vibration movement of the oscillation structure 16 .

Eine lineare Schwingungsbewegung verändert die Kapa zitäten C1 und C2 zwischen den bewegten Kämmen 52 und den feststehenden Kämmen 54 bzw. 56 auf beiden Seiten eines jeden beweglichen Kammelements des Kamms 52 in gleicher Weise. Indem die beweglichen Kämme 52 mehr oder weniger tief in den Spalt zwischen den fest stehenden Kämmen 54 bzw. 56 eintauchen, wird die Kapazität symmetrisch erhöht bzw. erniedrigt. Aus der sich ergebenden Kapazitätsvariation von C1 und C2 kann eine elektrische Signalgröße abgeleitet werden, die entsprechend im Gleichtakt variiert und die der Schwingungsamplitude proportional ist.A linear oscillatory movement changes the capacities C1 and C2 between the moving combs 52 and the fixed combs 54 and 56 on both sides of each movable comb element of the comb 52 in the same way. By immersing the movable combs 52 more or less deeply in the gap between the fixed combs 54 and 56 , the capacity is increased or decreased symmetrically. An electrical signal quantity can be derived from the resulting capacitance variation of C1 and C2, which accordingly varies in common mode and which is proportional to the oscillation amplitude.

Eine senkrecht auf die Basis 26 zu messende Richtung der Drehrate Ω führt hingegen zu einer drehratenbe dingten Torsionsbewegung der gesamten Schwingungs struktur 16 und führt zu einer gegensinnigen Beein flussung der Kapazitäten C1 und C2. Dies erfolgt, indem die Position der beweglichen Kämme 52 zwischen den feststehenden Kämmen 54 bzw. 56 asymmetrisch wird (Fig. 6) . Entsprechend zeigen die aus der Kapazi tätsvariation der Kapazitäten C1 und C2 abgeleiteten elektrischen Signalgrößen einen zueinander inversen Verlauf an, das heißt, die Spannungen variieren im Gegentakt.A direction of the rotation rate Ω to be measured perpendicular to the base 26 , on the other hand, leads to a torsional movement of the entire oscillation structure 16 that is dependent on the rotation rate and leads to an opposing influence on the capacitances C1 and C2. This is done by making the position of the movable combs 52 asymmetrical between the fixed combs 54 and 56 ( Fig. 6). Correspondingly, the electrical signal quantities derived from the capacitance variation of the capacitances C1 and C2 indicate an inverse course to one another, that is to say the voltages vary in a push-pull manner.

Eine Summation der den Kapazitäten C1 und C2 entspre chenden elektrischen Signalspannungen bzw. Signal strömen U1 und U2, I1 und I2, gibt somit die lineare Schwingungsbewegung der Schwingungsstruktur 16 wie der. Eine entsprechende Subtraktion der elektrischen Signalspannungen bzw. Signalströme gibt die Dreh schwingungsbewegung der Schwingungsstruktur 16 wie der, die ein Maß für die Drehrate Ω senkrecht zur Ebene ist. Diese Summation bzw. Subtraktion der Signalspannungen bzw. Signalströme können gleichzei tig an ein und derselben äußeren Kammstruktur 51 der Kämme 52, 54 bzw. 56 gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, die einer Schwingmasse, beispielsweise der Schwingmasse 12 zugeordnete Kammstruktur 51 Kämme 22, 54 bzw. 26 zur Erzeugung der Summation der Signalspannungen bzw. Signalströme und die andere, im Beispiel der Schwingmasse 14 zugeordnete Kammstruktur 51 der Kämme 52, 54 und 56 zur Erzeugung der Subtraktion der Signalspannungen oder Signalströme zu verwenden. Weiterhin ist denkbar, nur einen Teil der äußeren Kammstruktur 51 jeder Schwingmasse 12 und 14 zur Summation der Signalspannungen oder Signalströme und den anderen Teil zur Substraktion zu verwenden. Als besonders günstig erweist es sich, eine Auswertung beider äußerer Kammstrukturen 51 zur Bildung einer Subtraktion der Signalspannungen U1-U2 bzw. Signalströme I1-I2, und eine Addition der Signalspannungen U1+U2, bzw. der Signalströme I1+I2, zu verwenden, da hiermit eine zusätzliche elektrische Unterdrückung von Linearbeschleunigungen senkrecht zur planaren Schwingungsrichtung in der Ebene gegeben ist. Die Linearbeschleunigungen in dieser Richtung wirken gegen die Zug-/Drucksteifigkeit der äußeren Biegefedern 18 und können eine minimale Assymmetrie der Kondensatoren C1 und C2 bedingen. Diese Asymmetrie ist jedoch so beschaffen, daß entspre chende Kapazitäten der einen Seite jeweils gerade entgegengesetzt reagieren wie die der anderen Seite. So können beispielsweise durch Parallelschaltung von Kapazitäten C1 der einen und der anderen Seite bzw. von Kapazitäten C2 der anderen und der einen Seite Summenkapazitäten C1′ und C2′ erhalten werden, die in erster Ordnung unabhängig durch die von den Linear beschleunigungen bedingten Asymmetrien sind. Die drehratenbedingte Torsionsbewegung der Schwingungs struktur 16 beeinflussen die Kapazitäten C1 und C2 auf beiden Seiten jeweils identisch, so daß der drehratenbedingte Nachweis der Drehbewegung von der angegebenen Verschaltung der Kapazitäten C1 und C2 unberührt bleibt.A summation of the electrical signal voltages or signal currents U1 and U2, I1 and I2 corresponding to the capacitances C1 and C2 thus gives the linear oscillation movement of the oscillation structure 16 . A corresponding subtraction of the electrical signal voltages or signal currents gives the rotational oscillation movement of the oscillation structure 16 as that which is a measure of the rotation rate Ω perpendicular to the plane. This summation or subtraction of the signal voltages or signal currents can be formed simultaneously on one and the same outer comb structure 51 of the combs 52 , 54 and 56 . However, it is also possible to combine the comb structures 51, combs 22 , 54 and 26 assigned to an oscillating mass, for example the oscillating mass 12 , to generate the summation of the signal voltages or signal currents, and the other comb structure 51, assigned to the oscillating mass 14 , of the combs 52 , 54 and 56 to generate the subtraction of the signal voltages or signal currents. It is also conceivable to use only part of the outer comb structure 51 of each oscillating mass 12 and 14 for summing the signal voltages or signal currents and the other part for subtraction. It has proven particularly favorable to use an evaluation of both outer comb structures 51 to form a subtraction of the signal voltages U1-U2 or signal currents I1-I2, and to add the signal voltages U1 + U2 or the signal currents I1 + I2, because this provides additional electrical suppression of linear accelerations perpendicular to the planar direction of vibration in the plane. The linear accelerations in this direction act against the tensile / compressive stiffness of the outer spiral springs 18 and can cause a minimal asymmetry of the capacitors C1 and C2. However, this asymmetry is such that the corresponding capacities of one side react in opposite directions to that of the other side. For example, by connecting capacitances C1 in parallel on one side and the other, or capacitances C2 on the other side and one side, total capacitances C1 'and C2' can be obtained which are first-order independent of the asymmetries caused by the linear accelerations. The rotation rate-related torsional movement of the vibrating structure 16 influences the capacitances C1 and C2 on both sides identically, so that the rotation rate-related detection of the rotary movement remains unaffected by the specified interconnection of the capacitances C1 and C2.

In der Fig. 7 ist eine weitere Möglichkeit der Mes sung der drehratenbedingten Torsionsbewegung der Schwingungsstruktur 16 gezeigt. Gleiche Teile wie in den Fig. 5 und 6 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Hier sind als Gaps 60 ausgebildete Kapazitäten C1 und C2 auf dem Substrat (Basis) 26 angeordnet. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß eine lineare Schwingungsbewegung der Schwingungsstruktur 16 die Kapazitäten C1 und C2 nicht beeinflußt, da eine relative Abstandsänderung zwischen der Schwingungsstruktur 16 und den Kapazi täten C1 und C2 durch die lineare Schwingungsbewegung nicht erfolgt. Eine drehratenbedingte Torsionsbewe gung - in plane Torsion - der Schwingungsstruktur 16 hingegen führt zu dem in Fig. 7 dargestellten Zu stand der Schwingungsstruktur 16, das heißt, diese wird um die Torsionsfedern 22 gedreht. Hierdurch kommt es zu einer Abstandsänderung zwischen der Schwingungsstruktur 16 und den auf der Basis 26 an geordneten Gaps 60. Bei der gezeigten Darstellung erfolgt eine Annäherung an die Kapazitäten C1 und eine Entfernung von den Kapazitäten C2. Aus diesen sich ergebenden Kapazitätsvariationen kann wiederum eine elektrische Signalgröße abgeleitet werden, die entsprechend der drehratenbedingten Torsionsbewegung im Takt variiert und die der Schwingungsamplitude der Schwingstruktur 16 proportional ist. Somit kann analog der bereits zu den Fig. 5 und 6 erläuterten Auswertung der elektrischen Signalspannungen bezie hungsweise Signalströme eine Auswertung beziehungs weise Erfassung der drehratenbedingten Torsionsbewe gung erfolgen. Mit der Anordnung der Gaps 60 wird der Aufbau des gesamten Drehratensensors 10 vereinfacht, der somit kostengünstiger herstellbar ist. Außerdem werden Störungen der Detektion durch die Schwingungs bewegung selbst ausgeschlossen. FIG. 7 shows a further possibility of measuring the torsional movement of the vibration structure 16 due to the rotation rate. The same parts as in FIGS. 5 and 6 are provided with the same reference numerals and are not explained again. Capacitors C1 and C2 designed as gaps 60 are arranged here on the substrate (base) 26 . This arrangement ensures that a linear vibration movement of the vibrating structure 16 does not affect the capacitances C1 and C2, since a relative change in distance between the vibrating structure 16 and the capacitances C1 and C2 does not take place due to the linear vibrating movement. A rotation rate-related torsion movement - in plane torsion - of the oscillation structure 16, on the other hand, leads to the state of the oscillation structure 16 shown in FIG. 7, that is to say that it is rotated about the torsion springs 22 . This results in a change in distance between the oscillation structure 16 and the gaps 60 arranged on the base 26 . In the illustration shown, capacitances C1 are approximated and capacitances C2 are removed. From these resulting capacitance variations, an electrical signal quantity can in turn be derived which varies in time according to the torsional movement caused by the rotation rate and which is proportional to the oscillation amplitude of the oscillation structure 16 . Thus, analogous to the evaluation of the electrical signal voltages or signal currents already explained with reference to FIGS . 5 and 6, an evaluation or detection of the torsional movement caused by the rotation rate can take place. The arrangement of the gaps 60 simplifies the construction of the entire yaw rate sensor 10 , which is thus less expensive to manufacture. In addition, disturbances in the detection by the vibration movement itself are excluded.

In den Fig. 8 bis 10 sind weitere Ausführungs varianten eines Drehratensensors 10 dargestellt, wo bei hier insbesondere vorteilhafte Ausführungen zu dem in Fig. 7 dargestellten Drehratensensor 10 ge zeigt sind. Die in der Fig. 7 mit 60 bezeichneten Gaps sind hier durch jeweils eine Kammstruktur 62 gebildet. Die Kammstrukturen 62 bestehen aus einem starr mit dem Steg 20 verbundenen Kamm 64 und einem auf dem Substrat 26 angeordneten Kamm 66. Die Kämme 64 und 66 greifen hierbei, wie dargestellt, inein ander.In Figs. 8 to 10 show further variants of execution are a yaw rate sensor 10 illustrated, showing where ge in especially advantageous embodiments to that shown in Fig. 7 rotational speed sensor 10 are. The gaps designated 60 in FIG. 7 are each formed by a comb structure 62 . The comb structures 62 consist of a comb 64 rigidly connected to the web 20 and a comb 66 arranged on the substrate 26 . The combs 64 and 66 engage, as shown, in one another.

Die starr miteinander gekoppelten Schwingmassen 12 und 14 können - wie bereits erwähnt - elektrostatisch durch die Kammstrukturen 30 zu einer gegenphasigen Schwingungsbewegung angeregt werden. Eine weitere Möglichkeit der Anregung zu der gegenphasigen Schwin gungsbewegung besteht darin, den hier mit einer Punktlinie 68 bezeichneten Bereich des Sensorele mentes 10 als stromdurchflossene Leiterschleife zu schalten, die einem hier mit B angedeuteten Magnet feld ausgesetzt ist. Hierdurch kommt es zu einem an sich bekannten Lorentzkraft-Antrieb. Für den Fall, daß die Schwingungsbewegung mittels des Lorentzkraft-Antriebes erzeugt wird, können die Kammstrukturen 30 entfallen.The oscillating masses 12 and 14 , which are rigidly coupled to one another, can - as already mentioned - be excited electrostatically by the comb structures 30 to an oscillation movement in phase opposition. A further possibility of excitation to the antiphase oscillation movement is to switch the area of the sensor element 10 designated here with a dotted line 68 as a current-carrying conductor loop which is exposed to a magnetic field indicated here with B. This results in a Lorentz force drive known per se. In the event that the oscillatory movement is generated by means of the Lorentz force drive, the comb structures 30 can be omitted.

Ein Abgriff der Schwingungsbewegung erfolgt kapazitiv über die Kammstrukturen 62. Durch die planare, gegen phasige Schwingung der Schwingstruktur 16 erfolgt eine Kapazitätsvariation zwischen den Kämmen 64 und 66 der Kammstrukturen 62. Die sich durch die än dernden Kapazitäten ergebenden Spannungsänderungen werden als Eingangsgröße einer nicht dargestellten elektronischen Rückkopplungsschaltung zugeführt, die beispielsweise als Vierpoloszillator mit der Möglich keit einer Schwingungsamplitudenstabilisierung ausge bildet sein kann. Tritt die Drehrate 58 senkrecht zur Ebene des Substrats 26 auf, führt diese zu entgegen gesetzt gleichen Coriolisbeschleunigungen a_C - Ω · v in der Waferebene senkrecht zur Schwingungsbewegung der Schwingstruktur 16. Die Coriolisbeschleunigungen bringen aufgrund ihres Vorzeichenverhaltens ein ebe nes Drehmoment in die Schwingstruktur 16 ein. Hieraus resultiert eine mit dem Doppelpfeil 70 bezeichnete ebene Torsion - in-plane-Torsion - der Schwingstruk tur 16.The vibration movement is tapped capacitively via the comb structures 62 . Due to the planar, phase oscillation of the oscillating structure 16, there is a capacitance variation between the combs 64 and 66 of the comb structures 62 . The voltage changes resulting from the changing capacitances are supplied as an input variable to an electronic feedback circuit, not shown, which can be formed, for example, as a four-pole oscillator with the possibility of oscillation amplitude stabilization. If the rotation rate 58 occurs perpendicular to the plane of the substrate 26 , this leads to opposite Coriolis accelerations a _C - Ω · v in the wafer plane perpendicular to the oscillation movement of the oscillation structure 16 . Due to their sign behavior, the Coriolis accelerations introduce an even torque into the oscillating structure 16 . This results in a plane torsion, indicated by the double arrow 70 - in-plane torsion - of the oscillating structure 16 .

In der Fig. 11 ist die Torsion 70 in einem Simula tionsdiagramm dargestellt. Die tatsächlich auftre tenden Torsionswinkel sind sehr gering, so daß in der Fig. 11 zum Zwecke der Verdeutlichung die Torsion 70 extrem übersteigert dargestellt ist.In FIG. 11, the torsion is shown in a diagrammatic tion Simula 70th The actually occurring torsion angles are very small, so that the torsion 70 is shown extremely exaggerated in FIG. 11 for the purpose of illustration.

Die Detektion der Coriolisbeschleunigungen bezie hungsweise der daraus resultierenden Torsionswinkel erfolgt mittels der Kammstrukturen 62. Durch die getrennte Anordnung der Kammstrukturen 62 von den Kammstrukturen 30 wird eine Detektion der Torsions winkel von der ebenen Schwingungsbewegung der Schwingstruktur 16 weitgehend entkoppelt. Es erfolgt ausschließlich eine Detektion einer Verdrehung der Schwingstruktur 16, jedoch nicht eine lineare Ver rückung der Schwingstruktur 16. In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Entkopplung der Schwingungsbewegung von der Torsionsbewegung vollständig realisiert. Bei einer linearen gegen phasigen Schwingung der Schwingstruktur 16 bleiben die Stege 20 vollständig in Ruhe. Auf das Sen sorelement 10 einwirkende Linearbeschleunigungen, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen vorhanden sind, führen zu einer nur sehr kleinen linearen Verrückung der Stege 20 senkrecht zur Detektionsrichtung für den Torsionswinkel. Diese Verrückung hat jedoch aufgrund der Ausführung der Kammstrukturen 62 kein elek trisches Signal zur Folge. Die Kämme 64 entfernen sich beispielsweise aus dem linken Teil der fest auf dem Substrat 26 angeordneten Kämme 66 um denselben Wert, wie diese in den rechten Teil der Kämme 66 zusätzlich eintauchen. Hierdurch bleibt bei einer linearen Auslenkung die Gesamtkapazität konstant. Die Steifigkeit der Anordnung der Schwingstruktur 16 ge genüber diesen störenden Linearbeschleunigungen ist darüber hinaus wesentlich höher als gegenüber Coriolisbeschleunigungen, da diese an einem Hebelarm angreifen und dadurch ein großes Moment bewirken. Die Coriolisbeschleunigungen können somit im Gegensatz zu den Linearbeschleunigungen die Schwingstruktur 16 auslenken. Die Torsionsfedern 22 erfahren bei der Drehmomentbeanspruchung eine parabelförmige Auslen kung, so daß im Gegensatz zu der bei einer Linear beschleunigung auftretenden S-förmigen Biegelinie ein vierfach höherer Steifigkeitsfaktor gegeben ist. The Coriolis accelerations or the resulting torsion angles are detected by means of the comb structures 62 . Due to the separate arrangement of the comb structures 62 from the comb structures 30 , a detection of the torsion angle is largely decoupled from the plane oscillatory movement of the oscillating structure 16 . Only a rotation of the oscillating structure 16 is detected, but not a linear displacement of the oscillating structure 16 . In the exemplary embodiment shown in FIG. 8, the decoupling of the oscillating movement from the torsional movement is completely implemented. In the case of a linear phase oscillation of the oscillating structure 16 , the webs 20 remain completely at rest. On the sensor element 10 acting linear accelerations, which are present for example in motor vehicles, lead to only a very small linear displacement of the webs 20 perpendicular to the direction of detection for the torsion angle. However, this displacement does not result in an electrical signal due to the design of the comb structures 62 . The combs 64 , for example, move away from the left part of the combs 66 which are fixedly arranged on the substrate 26 by the same amount as they additionally dip into the right part of the combs 66 . As a result, the total capacity remains constant with a linear deflection. The rigidity of the arrangement of the oscillating structure 16 compared to these disruptive linear accelerations is also significantly higher than compared to Coriolis accelerations, since these act on a lever arm and thereby cause a large moment. In contrast to the linear accelerations, the Coriolis accelerations can thus deflect the oscillating structure 16 . The torsion springs 22 experience a parabolic deflection when the torque is applied, so that, in contrast to the S-shaped bending line that occurs with a linear acceleration, there is a four times higher stiffness factor.

Durch die Ausgestaltung der Biegefedern 18 wird die Schwingungsbewegung der Schwingstruktur 16 lineari siert, da die Biegefedern 18 aufgrund ihres Designs auch bei großen Auslenkungen ein lineares Kraft-/Weg gesetz aufweisen. Der sogenannte Hooke′sche Bereich der Biegefedern 18 ist durch das Design erheblich erweitert. Durch die starre Kopplung der Schwing massen 12 und 14 über die Stege 20 ist für den Antrieb der linearen Schwingungsbewegung auch ledig lich die Anordnung einer Kammstruktur 30 ausreichend.Due to the design of the spiral springs 18 , the oscillatory movement of the oscillating structure 16 is linearized, since the spiral springs 18 have a linear force / displacement law due to their design even with large deflections. The so-called Hooke's area of the spiral springs 18 is considerably expanded by the design. Due to the rigid coupling of the oscillating masses 12 and 14 via the webs 20 , the arrangement of a comb structure 30 is also sufficient for driving the linear oscillatory movement.

Bei den in den Fig. 9 und 10 dargestellten Aus führungsbeispielen ist ein anderes Design für die Biegefedern 18 gewählt und die Ankopplung des Dreh ratensensors 10 auf dem Substrat 26 über einen zen tralen Fuß 24 realisiert. Der übrige Aufbau ent spricht dem in Fig. 8 gezeigten. Durch die Ge staltung der Biegefedern 18 wird die Entkopplung der linearen Schwingungsbewegung von der Torsionsbewegung 70 beeinflußt. Hier tritt ein Quadraturterm der dop pelten Schwingfrequenz der linearen Schwingungsbewe gung zu der Auslenkung der Schwingstruktur 16 in der mit 70 bezeichneten Torsionsbewegung hinzu. Bei einer Schwingungsamplitude von 10 µm der Schwingstruktur 18 bei der linearen Schwingungsbewegung erfolgt eine Auslenkung in Detektionsrichtung von ca. 0,1 µm. Die Aufhängung der Schwingungsmassen 12 und 14 erfolgt bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel über jeweils eine auf beiden Seiten angeordnete Bie gefeder 18. Hierdurch kommt es zu einem zusätzlichen Torsionsfreiheitsgrad der Schwingmassen 12 bezie hungsweise 14. Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser zusätzliche Torsions freiheitsgrad durch jeweils ein weiteres, innen ange ordnetes Federpaar von Biegefedern 18 gesperrt. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Torsionsfeder 22 geteilt, das heißt, diese läuft in zwei Armen aus, die mit den Stegen 20 verbunden sind. Hierdurch ist eine zusätzliche Streßrelaxation bei der Aufhängung der Schwingstruktur 16 gegeben.In the exemplary embodiments shown in FIGS . 9 and 10, a different design for the spiral springs 18 is selected and the coupling of the rotation rate sensor 10 on the substrate 26 is realized via a central foot 24 . The rest of the structure speaks to that shown in FIG. 8. By the design of the spiral springs 18 , the decoupling of the linear vibration movement is influenced by the torsional movement 70 . Here, a quadrature term of the double oscillation frequency of the linear oscillation movement is added to the deflection of the oscillation structure 16 in the torsional movement denoted by 70 . With an oscillation amplitude of 10 μm of the oscillation structure 18 during the linear oscillation movement, there is a deflection in the detection direction of approx. 0.1 μm. The vibration masses 12 and 14 are suspended in the embodiment shown in FIG. 9 via a spring 18 arranged on both sides. This results in an additional degree of torsional freedom of the oscillating masses 12 and 14 respectively. In the embodiment shown in FIG. 10, this additional torsional degree of freedom is blocked by a further pair of springs of spiral springs 18 arranged on the inside. In both exemplary embodiments, the torsion spring 22 is divided, that is to say it runs out in two arms which are connected to the webs 20 . This results in an additional stress relaxation when the oscillating structure 16 is suspended.

In den Fig. 14 und 15 sind weitere Ausführungs beispiele von Drehratensensoren 10 gezeigt. Gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen und hier nicht nochmals detailliert erläutert. Mittels der Fig. 14 und 15 soll eine vorteilhafte Entkopplung der in den vorhergehenden Figuren mit 30 beziehungsweise 36 bezeichneten Kammstrukturen verdeutlicht werden. Die Kammstrukturen 30 dienen als elektrostatischer Schwingungsantrieb für die Schwingstruktur 16, wäh rend die Kammstruktur 36 als Schwingungsabgriff aus gebildet ist. Die Verbindung der Kammstruktur 30 be ziehungsweise der Kammstruktur 36 mit den Schwingmas sen 12 und 14 der Schwingstruktur 16 erfolgt über eine Entkopplungsstruktur 80. Die Entkopplungsstruk tur 80 besteht aus einem Hauptsteg 82, der parallel zu den Torsionsfedern 22 angeordnet ist. Der Haupt steg 82 ist über einen zu diesem senkrecht ver laufenden Steg 84 mit den Schwingmassen 12 bezie hungsweise 14 verbunden. Der Steg 82 ist über Be festigungsfüße 86 auf dem Substrat 26 befestigt. An den den Schwingmassen 12 beziehungsweise 14 abge wandten Seiten des Steges 82 ist jeweils der der Schwingstruktur 16 zugeordnete, und damit beweglichen Kamm 32 der Kammstruktur 30 angeordnet. Durch die Entkopplungsstruktur 80 wird sehr vorteilhaft erreicht, daß eine von den Kammstrukturen 30 beziehungsweise 36 ausgehende elektrostatische Instabilität von der Schwingungsbewegung der Schwing struktur 16 entkoppelbar ist. Der Eingriff des elektrostatischen Antriebs in den Detektionsmode (ebene Drehung der Schwingstruktur 16) wird durch diese Entkopplung minimiert, so daß die Detektion nicht durch den elektrostatischen Antrieb beeinflußt wird oder die gewonnenen Signale verfälscht werden.In Figs. 14 and 15 further execution are examples of angular rate sensors 10 is shown. The same parts as in the previous figures are again provided with the same reference numerals and are not explained again in detail here. An advantageous decoupling of the comb structures designated in the previous figures by 30 and 36 respectively is to be clarified by means of FIGS. 14 and 15. The comb structures 30 serve as an electrostatic vibration drive for the vibration structure 16 , while the comb structure 36 is formed as a vibration pick-up. The connection of the comb structure 30 or the comb structure 36 to the oscillating masses 12 and 14 of the oscillating structure 16 takes place via a decoupling structure 80 . The decoupling structure 80 consists of a main web 82 which is arranged parallel to the torsion springs 22 . The main web 82 is connected via a web 84 running perpendicular to this ver with the oscillating masses 12 and 14 respectively. The web 82 is fastened to the substrate 26 via fastening feet 86 . On the sides of the web 82 facing away from the vibrating masses 12 and 14 , respectively, the comb 32 assigned to the vibrating structure 16 and thus movable comb 32 of the comb structure 30 is arranged. The decoupling structure 80 very advantageously ensures that an electrostatic instability emanating from the comb structures 30 or 36 can be decoupled from the oscillating movement of the oscillating structure 16 . The intervention of the electrostatic drive in the detection mode (plane rotation of the oscillating structure 16 ) is minimized by this decoupling, so that the detection is not influenced by the electrostatic drive or the signals obtained are falsified.

In den Fig. 12 und 13 sind weitere Ausführungs beispiele eines Drehratensensors 10, jeweils in einer Draufsicht und in einer schematischen Schnittdar stellung, gezeigt. Gleiche Teile wie in den vor hergehenden Ausführungsbeispielen sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Bei den hier dargestellten Ausführungsbei spielen ist anstelle der Kammstrukturen 62 jeweils eine aus den Elektroden 74 und 76 bestehende Kapa zität C1 beziehungsweise C2 geschaltet. Die Elektro den 74 sind hierbei mit den Stegen 20 der Schwing struktur 16 starr verbunden, während die Elektroden 76 auf dem Substrat 26 direkt unter den Elektroden 74 angeordnet sind. Durch diese Anordnung sind die Elektroden 74 und 76, wie in den Fig. 12a beziehungsweise 13a deutlich wird, mit einem Abstand übereinander angeordnet. Durch die von den Elektroden 74 und 76 gebildeten Kapazitäten C1 beziehungsweise C2 wird eine Drehrate Ω 46 detektiert, die eine Torsionsbewegung 35 der Schwingstruktur 16 "out-of-plane" bewirkt. Die Schwingstruktur 16 wird quasi - wie bereits zu den Fig. 1 bis 4 erläutert - um die Torsionsfedern 22 verdrillt. Infolge der Verdrillung wird der Abstand zwischen den Elektroden 74 und 76 entweder verkleinert oder vergrößert, so daß das hieraus resultierende, sich ändernde Spannungssignal abgegriffen und einer Auswertung zugeführt werden kann. Der Vorteil dieser Anordnung ist wieder die Trennung der Detektion drehratenproportionaler Aus lenkungen von der Schwingungsbewegung der beiden Schwingmassen 12 und 14.In Figs. 12 and 13 are other examples of execution of a yaw rate sensor 10, standing in a plan view and in a schematic respectively Schnittdar shown. The same parts as in the previous exemplary embodiments are again provided with the same reference numerals and are not explained again. In the exemplary embodiments shown here, instead of the comb structures 62 , a capacitance C1 or C2 consisting of the electrodes 74 and 76 is switched. The electro den 74 are rigidly connected to the webs 20 of the vibrating structure 16 , while the electrodes 76 are arranged on the substrate 26 directly below the electrodes 74 . As a result of this arrangement, the electrodes 74 and 76 are arranged at a distance above one another, as can be seen in FIGS. 12a and 13a. By formed by the electrodes 74 and 76, capacitors C1 and C2, a rotation rate Ω is detected 46, which causes a torsional motion 35 of the vibrating structure 16 "out-of-plane." The vibration structure 16 is quasi twisted around the torsion springs 22 , as already explained for FIGS. 1 to 4. As a result of the twisting, the distance between the electrodes 74 and 76 is either reduced or increased, so that the resulting changing voltage signal can be tapped and fed to an evaluation. The advantage of this arrangement is again the separation of the detection of rotation rate-proportional deflections from the oscillatory movement of the two oscillating masses 12 and 14 .

Nach weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbei spielen kann die Anordnung der Kammstrukturen 62 und der Elektroden 74 beziehungsweise 76 an einer Schwingstruktur 16 miteinander kombiniert werden. So sind Drehratensensoren 10 geschaffen, die gleichzei tig eine aufgrund von Coriolisbeschleunigungen dreh ratenbedingte Auslenkung der Schwingstruktur 16 so wohl "in-plane" als auch "out-of-plane" detektiert werden können. Insgesamt ist somit ein einfach aufgebauter Drehratensensor 10 geschaffen, der mit tels einer einlagigen Oberflächenmikromechanik-Tech nik, beispielsweise Silicon-on-Insulator (SOI) oder dicken polykristallinen Silicium durch eine Kombi nation von anisotropen Plasmaätzen und isotropen Opferschichtätzen gefertigt werden kann.According to further embodiments, not shown, the arrangement of the comb structures 62 and the electrodes 74 and 76 on a vibrating structure 16 can be combined. Thus, rotation rate sensors 10 are created which can simultaneously detect an in-plane and an out-of-plane deflection of the oscillating structure 16 which is due to the rotation rate due to Coriolis accelerations. Overall, a simply constructed rotation rate sensor 10 is thus created, which can be produced by means of a single-layer surface micromechanical technology, for example silicone-on-insulator (SOI) or thick polycrystalline silicon by a combination of anisotropic plasma etching and isotropic sacrificial layer etching.

Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es von zusätzlichem Vorteil, mittels einer elek tronischen Lageregelung den aus der Coriolisbeschleu nigung resultierenden Drehmomenten mit elektrosta tisch induzierten Rückhaltemomenten entgegenzuwirken. Hierdurch bleibt die Schwingungsstruktur 16 bezüglich ihres Torsionsfreiheitsgrades nahezu unausgelenkt. Die zu jedem Zeitpunkt erforderliche Rückhaltespan nung ist dann ein direktes Maß für die einwirkende Coriolisbeschleunigung. Hier ist eine Vielzahl von Kombinationen möglich, die die Auswahl einzelner Kämme für die Gewinnung der Lageinformationen und einzelner Kämme für die elektrostatische Rückhaltung betreffen. Sehr vorteilhaft ist, ein und dieselbe Kammstruktur 51 gleichzeitig sowohl für die Gewinnung der Lageinformation als auch für die Erzeugung der Rückhaltemomente einzusetzen. So kann beispielsweise ein allgemein bekanntes Trägerfrequenzverfahren ein gesetzt werden.According to an embodiment, not shown, it is an additional advantage to counteract the torque resulting from the Coriolis acceleration with electrostatically induced restraint moments by means of an electronic position control. As a result, the vibration structure 16 remains almost undeflected with regard to its degree of torsional freedom. The retention voltage required at all times is then a direct measure of the Coriolis acceleration acting. A large number of combinations are possible here, which relate to the selection of individual combs for obtaining position information and individual combs for electrostatic retention. It is very advantageous to use one and the same comb structure 51 at the same time both for obtaining the position information and for generating the restraining moments. For example, a generally known carrier frequency method can be used.

Nach einem ebenfalls nicht dargestellten Ausführungs beispiel können die in den Fig. 5, 6 und 7 ge zeigten Drehratensensoren mit den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Zugfedern 50 kombiniert werden. Es erfolgt eine Linearisierung der gegenphasigen ebe nen Schwingungsbewegung der beiden Schwingmassen 12 und 14. Dies sorgt auch bei großen Schwingamplituden für eine verbesserte Linearität der Auslenkung und ein Entkoppeln der Eigenfrequenz- und Schwingungs amplitude. Um einer Verminderung der mechanischen Un terdrückung von Störbeschleunigungen in der Ebene in Richtung der Torsionsfedern 22 entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, die zusätzliche elektrische Unter drückung von Linearbeschleunigungen durch Auswertung beider äußeren Kammstrukturen für Substraktion der Signalspannungen U1-U2, bzw. der Signalströme I1-I2, kombiniert mit einer Lageregelung durchzuführen.According to an embodiment, also not shown, the rotation rate sensors shown in FIGS. 5, 6 and 7 can be combined with the tension springs 50 shown in FIGS. 3 and 4. There is a linearization of the antiphase ebe NEN vibration movement of the two vibrating masses 12 and 14th This ensures an improved linearity of the deflection and a decoupling of the natural frequency and vibration amplitude even with large vibration amplitudes. To counteract a reduction in the mechanical suppression of interference accelerations in the plane in the direction of the torsion springs 22 , it is advantageous to suppress the additional electrical suppression of linear accelerations by evaluating both outer comb structures for subtraction of the signal voltages U1-U2, or the signal currents I1-I2 , combined with a position control.

Nach einem weiteren nicht dargestellten Ausführungs beispiel kann eine Kombination eines Drehratensensors gemäß der Fig. 1 und 5 bzw. 7 erfolgen. Hierdurch wird es möglich, unabhängig voneinander zwei Dreh achsen, das heißt eine Drehrate Ω₁ senkrecht zur Schwingungsrichtung in der Schwingungsebene 28 und eine Drehrate Ω₂ senkrecht zur Basis 26 (Substrat 26) durch einen einzigen Drehratensensor zu erfassen. Eine Verdrillung der Torsionsfedern 22, das heißt eine Torsion der Schwingmassen 12 und 14 aus der Schwingebene 28 heraus, erkennt mittels unter den Schwingmassen 12 und 14 angeordneten Elektroden die Drehrate Ω₁ senkrecht zur Schwingungsebene 28, während eine Torsion der Schwingungsstruktur 16 in der Schwingungsebene 28 durch Verbiegen der Torsions federn 22 mittels lateraler Kammstrukturen 51 die Drehrate Ω₂ senkrecht zur Basis 26 ermittelt. Man erhält somit einen besonders einfachen, kosten günstigen Drehratensensor für zwei Achsen.According to another embodiment, not shown, a combination of a rotation rate sensor according to FIGS. 1 and 5 or 7 can be carried out. This makes it possible to independently detect two axes of rotation, that is, a rate of rotation Ω₁ perpendicular to the direction of vibration in the plane of vibration 28 and a rate of rotation Ω₂ perpendicular to the base 26 (substrate 26 ) by a single rate of rotation sensor. A twist of the torsion springs 22, that is, a torsion of the oscillating masses 12 and 14 from the oscillating plane 28 out detects by means under the oscillating masses 12 and 14 are arranged electrodes, the rate of rotation Ω₁ perpendicular to the vibration plane 28, while a torsion of the vibrational structure 16 in the plane of vibration 28 by Bending the torsion springs 22 by means of lateral comb structures 51 determines the rotation rate Ω₂ perpendicular to the base 26 . A particularly simple, inexpensive yaw rate sensor for two axes is thus obtained.

Claims

1. Acceleration sensor, in particular Coriolis rotation rate sensor, with a spring suspended on a substrate (base), deflectable due to an acceleration action seismic mass, as well as evaluation means for detecting an acceleration-related deflection of the seismic mass, in particular for detecting a Coriolis acceleration, thereby characterized in that the seismic mass ( 12 , 14 ) is suspended in such a way that deflection of the seismic mass ( 12 , 14 ) due to disturbance accelerations acting thereon, in particular linear accelerations, can be suppressed.

2. Acceleration sensor according to claim 1, characterized in that two mechanically coupled coupling oscillating masses ( 12 , 14 ) form an oscillating structure ( 16 ) which is operated by an electromagnetic or an electrostatic comb drive ( 30 ) in antiphase planar oscillation and which Torsion springs ( 22 ) with the substrate ( 26 ) (base 26 ) is connected.

3. An acceleration sensor according to any one of the preceding claims, characterized in that the oscillatory masses (12, 14) flat in the planar oscillation (28) soft and supply perpendicular plane to the planar oscillations (28) are suspended stiff.

4. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the suspension of the vibrating masses ( 12 ) via symmetrically arranged spiral springs ( 18 ) which are connected to free silicon webs ( 20 ).

5. Acceleration sensor according to claim 4, characterized in that each oscillating mass ( 12 , 14 ) on both sides each has an exactly through the center of gravity ( 42 ) extending spiral spring ( 18 ).

6. Acceleration sensor according to claim 4, characterized in that each oscillating mass ( 12 , 14 ) has on both sides two spiral springs ( 18 ) which are attached symmetrically to the oscillating masses ( 12 , 14 ) on the one hand and on the other hand with the free silicon ( 20 ) are connected.

7. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the bending springs ( 18 ) have a large height (h) in relation to their thickness (d).

8. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the free silicon webs ( 20 ) via the torsion springs ( 22 ) via at least one fastening foot with the substrate ( 26 ), (base 26 ), are connected.

9. Acceleration sensor according to claim 8, characterized in that the silicon webs ( 20 ) are connected centrally to a central fastening foot ( 24 ).

10. Acceleration sensor according to claim 8, characterized in that the silicon webs ( 20 ) with two symmetrically arranged outer fastening feet ( 48 ) are connected.

11. An acceleration sensor according to any one of the preceding claims, characterized in that the gate sion springs (22) (28) are stiffly suspended in the planar oscillation plane (28) soft and plane perpendicular to the planar oscillation.

12. Acceleration sensor according to claim 11, characterized in that the torsion springs ( 22 ) have a great height (h ') in relation to their thickness (d').

13. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the gate sion springs ( 22 ) additionally have a suspension which is resilient transversely to the planar oscillatory movement.

14. Acceleration sensor according to claim 13, characterized in that the suspension is formed by a tension spring ( 50 ).

15. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that each vibrating mass ( 12 , 14 ) has an electrostatic Kamman drive ( 30 ) is assigned.

16. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillating masses ( 12 , 14 ) have a common, centrally arranged comb drive ( 30 ).

17. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that below the vibrating masses ( 12 , 14 ) lower electrodes ( 31 ) are arranged, which result in a capacitive evaluation means with the vibrating masses ( 12 , 14 ) and the detection of a rotation rate-dependent rocking movement ( 35 ) (out-of-plane) of the vibrating structure ( 16 ).

18. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitive evaluation means has capacitances (C1, C2) which are formed by electrodes ( 74 , 76 ) which are spaced one above the other, the electrode ( 74 ) on the the oscillating movement of the oscillating masses ( 12 , 14 ) unaffected silicon web ( 20 ) of the oscillating structure ( 16 ) is arranged and the electrode ( 76 ) is arranged on the substrate ( 26 ).

19. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the vibrating masses ( 12 , 14 ) is assigned a further comb structure ( 51 ), each of which interlock the fixed comb ( 54 , 56 ) and a movable union with which Vibrating masses ( 12 , 14 ) connected comb ( 52 ) which serve to display a Schwingbe movement.

20. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the comb structures ( 51 ) combs ( 54 , 56 ) of different capacitances (C1, C2), the symmetrical change of which is a linear oscillating movement and / or a plane torsional oscillating movement of the oscillating structure ( 16 ) displays.

21. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that an asymmetrical change in the capacitances (C1, C2) indicates a plane torsional movement of the oscillating structure ( 16 ) due to the rotation rate.

22. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the capacities (C1, C2) are formed by comb structures ( 62 ) which have a comb ( 64 ) which is fixedly connected to the oscillating structure ( 16 ) and one on the substrate ( 26 ) arranged comb ( 66 ), the comb ( 64 ) being arranged on the silicon webs ( 20 ) of the oscillating structure ( 16 ) which remain practically at rest when the oscillating masses ( 12 , 14 ) oscillate (stationary frame, from the vibration movement unaffected).

23. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that simultaneously detecting a rotation rate (Ω₁) perpendicular to the direction of vibration in the planar vibration plane ( 28 ) and a rotation rate (Ω₂) perpendicular to the base ( 26 ), (substrate 26 ) he follows.

24. Acceleration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electrostatic comb drive ( 30 ) is connected via a decoupling structure ( 80 ) to the oscillating structure ( 16 ).