DE19523895A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents
BeschleunigungssensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor,
insbesondere Coriolis-Drehratensensor, nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1.
Als Coriolis-Drehratensensor ausgebildete Beschleuni
gungssensoren sind bekannt. Diese weisen beispiels
weise in einer Ebene schwingende, als seismische Mas
sen ausgebildete Strukturen auf. Diese Strukturen
werden hierbei einer periodischen Linearbewegung in
der Ebene mittels geeigneter Antriebseinrichtungen
unterworfen. Wirkt nun auf diese in der Ebene schwin
gende Struktur eine Coriolisbeschleunigung, wird die
se aus der Schwingebene ausgelenkt. Dies bedeutet,
die Struktur muß in zwei Freiheitsgraden weich aufge
hangen sein, einmal für die ebene Schwingung und zum
zweiten für die Detektion der Coriolisbeschleunigung.
Aufgrund während der Detektion der Coriolisbeschleu
nigung zum Beispiel in einem Fahrzeug auftretender,
die Auslenkbewegung der Struktur aus der Ebene über
lagernder Störbewegungen und Störbeschleunigungen muß
die Detektion der Coriolisbeschleunigung selektiv er
folgen. Hierzu ist es bekannt, die mittels der
Coriolis-Drehratensensoren gemessenen Signalverläufe
durch frequenz- und phasensensitive Synchrondemodula
tion so aufzuarbeiten, daß die der Coriolisbeschleu
nigung proportionale Signalkomponente, das heißt mit
richtiger Frequenz- und Phasenlage, bevorzugt und
herausgefiltert werden kann.
Als interner Stand der Technik ist bekannt, an den
Coriolis-Drehratensensor angreifende Störbeschleuni
gungen mechanisch zu unterdrücken. Hierzu ist die
Schwingstruktur von zwei gegenphasig zueinander
schwingenden Schwingmassen gebildet. Die gegenphasige
Bewegungsrichtung der Schwingmassen ruft hierbei eine
entgegengesetzt gerichtete Coriolisbeschleunigung
hervor, die am Ort der Befestigungsachse ein Dreh
moment bewirkt und damit eine Wippbewegung der ge
samten Struktur zur Folge hat, wenn die Achse der zu
messenden Drehrate senkrecht zu der planaren Schwin
gungsrichtung der Schwingstruktur liegt. Zur Reali
sierung der gegenphasigen Schwingung der zwei
Schwingmassen sind diese durch eine aufwendige Kop
pelstruktur miteinander verbunden. Hierbei ist nach
teilig:
- - daß durch die Koppelstruktur die Sensorkomplexität erhöht wird;
- - daß der Prozeß schwieriger und damit die Ausbeuten niedriger werden;
- - daß zusätzliche Schwingungsmoden eröffnet werden und damit die Störanfälligkeit erhöht wird;
- - daß die Simulation und Berechnung schwieriger wird und
- - daß die Möglichkeit von Phasen- und Amplituden fehlern zwischen den gegenphasig schwingenden Massen entsteht.
Hierdurch ist eine nachteilige Beeinflussung des ge
messenen Signals gegeben.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den im
Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber
den Vorteil, daß in einfacher Weise eine genaue, im
wesentlichen von den genannten Signalfehlern unbeein
flußte Detektion einer Coriolisbeschleunigung möglich
ist. Dadurch, daß eine in sich starre Schwingstruktur
ohne Eigenbeweglichkeit in sich zur Ausführung der
planaren Schwingungsbewegung drehbeweglich aufgehängt
ist, wird erreicht, daß die Tangentialkomponente der
Umfangsgeschwindigkeit von über den Drehpunkt der
Schwingstruktur gegenüberliegenden Punkten automa
tisch immer entgegengesetzt ist. Hierdurch kann das
Auftreten von Amplituden- und/oder Phasenfehlern wie
bei gekoppelten Linearschwingern nicht stattfinden.
Die das in sich starre Drehpendel tragenden Federn
müssen für die Drehschwingung und auch für die dreh
ratenbedingte Wippschwingung weich sein, um niedrige
Resonanzfrequenzen und relativ große Auslenkungen zu
ermöglichen. Für störende externe Linearbeschleu
nigungen muß das Gebilde dagegen möglichst steif
sein, um diese vor Ort mechanisch zu diskriminieren.
Dies kann durch Federn mit hohem Aspektverhältnis
erreicht werden, das heißt, diese weisen eine kleine
Breite bei relativ großer Höhe auf. Diese Federn sind
in der Ebene biegeweich und erlauben eine nieder
frequente Drehschwingung mit hoher Amplitude; auch
die out-of-plane Torsionssteifigkeit ist klein, so
daß große Detektionssignale erzeugt werden können.
Bedingt durch die große Höhe ist ihre Biegesteifig
keit out-of-plane dagegen sehr groß, so daß out-of
plane Störbeschleunigungen sehr gut unterdrückt wer
den. Auch laterale Störbeschleunigungen von außen
können wirksam unterdrückt werden, wenn diese Federn
relativ kurz sind: Dann wirken Drehschwingungen und
Wippbewegungen über einen langen mechanischen Hebel
auf die Federn, während Linearbeschleunigungen keinen
solchen Hebel zur Verstärkung vorfinden. Während die
Federanordnung also für die erwünschten Bewegungen
weich reagiert, ist sie gegenüber Störbeschleu
nigungen in der Ebene und auch "out-of-plane" steif,
so daß diese Störbeschleunigungen nur kleine Auslen
kungen bewirken können.
Ein Drehschwinger weist für sich einen periodisch
oszillierenden Drehimpuls auf. Wird diese Struktur
von extern gedreht, entstehen aufgrund der Dreh
impulserhaltung periodisch oszillierende Momente in
genau definierter Weise, die Coriolisbeschleunigungen
entsprechen.
- - Drehschwingung einer in sich starren Struktur = periodisch oszillierender Drehimpuls L = L₀sinωt
- - externe Drehung Ω ⇒ periodische Drehimpulsänderung ⇒ periodisches Drehmoment M an der Befestigungs achse (="Coriolisbeschleunigung"):
- - periodisches Drehmoment M = ΩL₀sinωt Wippbewegung um Befestigungsachse
Wirken auf den Beschleunigungssensor solche Coriolis
beschleunigungen, wird die sich in der planaren Dreh
schwingung befindende Schwingstruktur um ihre Befe
stigungsachse rotiert; die planare Drehschwingung
geht dabei in eine Dreh-Wipp-Schwingung über. Hier
durch wird die Schwingstruktur auf einer Seite aus
der Ebene heraus und auf der über den Drehpunkt ent
gegengesetzten Seite in die Ebene hinein oder umge
kehrt bewegt. Die durch diese Dreh-Wipp-Schwingung
hervorgerufene Abstandsänderung der Schwingstruktur
gegenüber der Basis kann vorzugsweise kapazitiv de
tektiert werden, um so ein der Coriolisbeschleunigung
proportionales Signal zu erhalten. Der Beschleuni
gungssensor ist insgesamt sehr einfach, extrem robust
und kostengünstig aufgebaut. Vorzugsweise wird der
Beschleunigungssensor mit Verfahren der Oberflächen-
Mikromechanik strukturiert und erhält so eine hoch
präzise und damit sehr exakte Messungen ermöglichende
Struktur.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vor
gesehen, daß unterhalb der Schwingmassen Elektroden
angeordnet sind, die mit den Schwingmassen ein kapa
zitives Auswertemittel ergeben und die der Detektion
einer drehratenbedingten Wippbewegung (out-of-plane)
der Schwingstruktur dienen. Die jeweils unter einer
Schwingmasse angeordneten Elektroden besitzen hierbei
vorteilhafterweise eine kleinere Oberfläche als die
jeweilige Schwingmasse. Hierdurch wird erreicht, daß
während der planaren Drehbewegung der Schwingstruktur
die Elektroden zu jedem Zeitpunkt der Bewegung der
Schwingstruktur vollständig unter der jeweiligen
Schwingmasse verbleiben. Hierdurch wird vermieden,
daß selbst eine nur vorübergehende Beeinflussung der
Kapazität infolge der planaren Drehschwingung erfol
gen kann und eine Detektion einer Kapazitätsvariation
ausschließlich auf die durch eine Coriolisbeschleu
nigung hervorgerufene Schaukelbewegung (Wippbewegung)
der Schwingstruktur zurückzuführen ist. Zur Detektion
der drehratenbedingten Wippschwingung kann vorteil
hafterweise eine elektronische Lageregelung einge
setzt werden, um die Frequenz der Detektionsmode
elektronisch über die der Drehschwingungsmode zu
legen (sofern dies nicht bereits durch geeignete
Designmaßnahmen mechanisch realisiert ist.) Die elek
tronische Lageregelung erreicht dies über eine dyna
mische Versteifung der Wippmode durch elektrosta
tische Gegenkräfte.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, den Beschleunigungssensor außer für Dreh
raten auch für Linearbeschleunigungen in bevorzugter
Richtung auszulegen. Dazu sind die, die Schwingstruk
tur tragenden Federn so auszulegen, daß sie zu
sätzlich zu der Drehbewegung und der out-of-plane-
Torsionsbewegung auch für eine lineare laterale Bewe
gung in eine bevorzugte Richtung in der Ebene weich
sind. Das wird erreicht, indem das Länge-Höhe-Ver
hältnis dieser Federn in geeigneter Weise gewählt
wird. Dazu wird der Schwingstruktur eine zusätzliche
Lageregelung, die vorzugsweise von diametral gegen
überliegend an den Außenseiten der die Schwingstruk
tur bildenden Schwingmassen angeordneten Kammstruk
turen gebildet wird, zugeordnet. Hierdurch wird sehr
vorteilhaft eine Doppelfunktion des Beschleunigungs
sensors, nämlich einerseits für die Detektion einer
Coriolisbeschleunigung und andererseits für die
Detektion einer Linearbeschleunigung möglich. Die auf
die Schwingstruktur wirkende Linearbeschleunigung be
wirkt eine definierte Veränderung der elektronischen
Lageregelung, die vorteilhafterweise durch eine Ver
änderung von Kapazitäten infolge der durch die Li
nearbeschleunigung hervorgerufenen Abstandsänderungen
der Schwingstruktur von fest angeordneten Kapazitäten
meßbar ist. Diese Abstandsänderung kann vorteilhaf
terweise mit einer geeigneten, an sich bekannten
Lageregelungselektronik detektiert und elektrosta
tisch auf Null gehalten werden. Das hierbei für die
Lageregelung der Schwingstruktur verwendete elek
trische Signal liefert vorteilhafterweise gleichzei
tig eine Aussage über die Größe der auf die Schwing
struktur einwirkenden Linearbeschleunigungen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungs
beispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch
den Drehratensensor gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Drehratensensor
nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten
Drehratensensor. Der Drehratensensor 10 besitzt eine
Schwingstruktur 12, die zwei Schwingmassen 14 und 16
aufweist. Die Schwingmassen 12 und 14 sind über Stege
18 und 20 starr miteinander gekoppelt und bilden ein
Drehpendel. Die Schwingstruktur 16 ist auf einem
Substrat (Basis) 22 schwebend gelagert. Hierzu ist
ein Lagerpunkt 24 vorgesehen, der mit dem Massemit
telpunkt der Schwingstruktur 12 zusammenfällt. Die
Schwingmassen 14 und 16 sind exakt symmetrisch gleich
und spiegelsymmetrisch zu dem Lagerpunkt 24 ange
ordnet. Bei Auflage der Schwingstruktur 12 auf den
Lagerpunkt 24 befindet sich diese somit in einem
schwebenden, lediglich von dem Lagerpunkt 24 abge
stützten Zustand. Die Schwingmassen 14 und 16 sowie
die Stege 18 und 20 sind einstückig ausgebildet und
beispielsweise mittels Verfahren der Oberflächen-
Mikromechanik aus einem Poly-Silizium-Material struk
turiert. Die Schwingstruktur 12 besitzt insgesamt
eine Höhe h (Fig. 2) und ist durch den Lagerpunkt 24
beabstandet und elektrisch isoliert zu dem Substrat
22 gehalten.
Die Schwingmassen 14 und 16 werden jeweils von einem
Zylinderabschnitt 26 gebildet, der in Draufsicht ge
sehen eine Kreissektorausschnittsfläche aufweist. Der
Zylinderabschnitt 26 besitzt einen Innenumfang 28 und
einen Außenumfang 30. Der Innenumfang 28 verläuft auf
einer Kreislinie um den Lagerpunkt 24 mit einem
Radius Ri. Der Außenumfang 30 verläuft ebenfalls auf
einer Kreislinie um den Lagerpunkt 24 mit einem
Radius Ra. Die Zylinderabschnitte 26 der Schwing
massen 14 beziehungsweise 16 erstrecken sich über
einen Winkel ϕ. Durch diese Anordnung wird erreicht,
daß der Mittelpunkt der Schwingmassen 14 bezie
hungsweise 16 mit dem Lagerpunkt 24 zusammenfällt.
Die Aufhängung der Schwingstruktur 12 an dem Lager
punkt 24 erfolgt mittels von den Stegen 18 be
ziehungsweise 20 ausgehenden Federn 32 beziehungswei
se 34. Die Federn 32 beziehungsweise 34 besitzen ein
hohes Aspektverhältnis, das heißt, diese sind im
Verhältnis zu ihrer Höhe h, die der Höhe h der
Schwingstruktur 12 entspricht, sehr schmal. Eine in
Draufsicht gesehene Breite b der Federn 32 bezie
hungsweise 34 ist somit sehr klein. Dieses hohe
Aspektverhältnis der Federn ist wichtig, um eine
große Unterdrückung von externen Störbeschleunigungen
gegenüber den zu messenden Coriolisbeschleunigungen
zu erreichen.
Den auf einer Radialen verlaufenden Stirnflächen 36
der Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 sind jeweils
Kammstrukturen zugeordnet. Der Schwingmasse 14 sind
Kammstrukturen 38 zugeordnet, die aus einem mit der
Schwingmasse 14 verbundenen und somit beweglichen
Kamm 40 und einem mit dem Kamm 40 in Eingriff ste
henden und auf dem Substrat 22 fest angeordneten Kamm
42 bestehen. Der Kamm 42 ist über eine hier ange
deutete Kontaktierung 44 mit einer nicht dargestell
ten Schaltungsanordnung verbunden. Die Schwingmasse
14 besitzt beidseitig die Kammstruktur 38. Die
Schwingmasse 16 weist an ihren Stirnflächen 36 eine
Kammstruktur 44 auf, die einen fest mit der Schwing
masse 16 verbundenen Kamm 46 und einen mit dem Kamm
46 in Eingriff stehenden, auf dem Substrat 22 fest
angeordneten Kamm 48 besitzt. Der Kamm 48 ist über
eine Kontaktierung 50 ebenfalls mit der nicht dar
gestellten Schaltungsanordnung verbunden. Ein Ankop
peln der Schwingstruktur 12 und damit der an der
Schwingstruktur 12 angeordneten beweglichen Kämme 40
beziehungsweise 46 an die Schaltungsanordnung erfolgt
über einen Massekontakt 52, der über den Lagerpunkt
24, die Federn 32 beziehungsweise 34, die Stege 18
beziehungsweise 20 und die Schwingmassen 14 bezie
hungsweise 16 eine Kontaktierung ermöglicht. Der Mas
sekontakt 52 ist ebenfalls auf dem Substrat 22 an
geordnet und geeignet elektrisch isoliert angeschlos
sen. Alle Strukturen sind über ein Zwischenoxid vom
Substrat elektrisch isoliert oder aber durch pn-
Übergänge im Substrat elektrisch voneinander getrennt
(je nach Anschlußtechnik).
Unterhalb der Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 ist
auf dem Substrat 22 jeweils eine Elektrode 54 bezie
hungsweise 56 angeordnet. Die Elektroden 54 und 56
sind über eine Isolationsschicht, beispielsweise ei
nem Siliziumoxid 58, auf dem Substrat 22 angeordnet.
In Draufsicht gesehen, sind die Elektroden 54 bezie
hungsweise 56 mit ihrer Kontur den Schwingmassen 14
beziehungsweise 16 angepaßt, besitzen jedoch eine
kleinere Kreissektorausschnittsfläche. Das heißt, der
Innenradius der Elektroden 54 beziehungsweise 56 ist
größer als der Innenradius Ri der Schwingmassen 14
beziehungsweise 16, und der Außenradius der Elek
troden 54 beziehungsweise 56 ist kleiner als der
Außenradius Ra der Schwingmassen 14 und 16. Darüber
hinaus ist ein - hier nicht eingezeichneter - Winkel ϕ
der Elektroden 54 und 56 kleiner als der Winkel ϕ
der Schwingmassen 14 beziehungsweise 16. Die Elek
troden 54 und 56 sind jeweils über eine Kontaktierung
60 herausgeführt und mit der nicht dargestellten
Schaltungsanordnung verbunden. Wie in Fig. 2 deut
lich wird, bei der im übrigen gleiche Teile wie in
Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht
nochmals erläutert sind, sind die Elektroden 54 be
ziehungsweise 56 mit einem Abstand d unterhalb der
Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 angeordnet. Zwi
schen den Elektroden 54 und 56 und den Schwingmassen
14 und 16 besteht somit kein unmittelbarer Be
rührungskontakt, und sie sind gegeneinander vollstän
dig elektrisch isoliert.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Drehratensensor
10 übt folgende Funktion aus:
Mittels der Kammstrukturen 38 wird die Schwing struktur 12 in eine planare Drehschwingung um den Lagerpunkt 24 versetzt. Die Kammstrukturen 38 wirken hierbei als elektrostatische Kammantriebe. Die Schwingstruktur 12 vollführt somit eine planare (in plane) Torsionsschwingung um den Lagerpunkt 24. Die an der Schwingmasse 16 angeordneten Kammstrukturen 44 bilden einen kapazitiven Schwingungsabgriff für die Torsionsschwingung der Schwingstruktur 12 und können für eine Amplitudenstabilisierung der Torsionsschwin gung und eine elektronische Rückkopplung zur Ent dämpfung der Torsionsschwingung genutzt werden. Im Ausgangszustand des Drehratensensors 10 befindet sich somit die Schwingstruktur 12 in einer gleichmäßigen ebenen Torsionsschwingung um den Lagerpunkt 24. Die ein hohes Aspektverhältnis aufweisenden Federn 32 und 34 sind sowohl weich gegenüber dieser ebenen als auch gegenüber der out-of-plane Torsion, was relativ nie drige Resonanzfrequenzen der entsprechenden Moden zur Folge hat. Für externe Störbeschleunigungen sind sie dagegen biegesteif, so daß diese vor Ort unterdrückt werden. Da die Elektroden 54 und 56 kleiner als die Schwingmassen 14 und 16 dimensioniert sind, verblei ben diese auch während der ebenen Torsionsschwingung der Schwingstruktur 12 ständig unterhalb der Schwing massen 14 beziehungsweise 16. Somit ergibt sich aufgrund der Torsionsschwingung zwischen den Elektroden 54 und 56 beziehungsweise den Schwing massen 14 und 16 keine Kapazitätsvariation, die zu einer Signalveränderung führen würde.
Mittels der Kammstrukturen 38 wird die Schwing struktur 12 in eine planare Drehschwingung um den Lagerpunkt 24 versetzt. Die Kammstrukturen 38 wirken hierbei als elektrostatische Kammantriebe. Die Schwingstruktur 12 vollführt somit eine planare (in plane) Torsionsschwingung um den Lagerpunkt 24. Die an der Schwingmasse 16 angeordneten Kammstrukturen 44 bilden einen kapazitiven Schwingungsabgriff für die Torsionsschwingung der Schwingstruktur 12 und können für eine Amplitudenstabilisierung der Torsionsschwin gung und eine elektronische Rückkopplung zur Ent dämpfung der Torsionsschwingung genutzt werden. Im Ausgangszustand des Drehratensensors 10 befindet sich somit die Schwingstruktur 12 in einer gleichmäßigen ebenen Torsionsschwingung um den Lagerpunkt 24. Die ein hohes Aspektverhältnis aufweisenden Federn 32 und 34 sind sowohl weich gegenüber dieser ebenen als auch gegenüber der out-of-plane Torsion, was relativ nie drige Resonanzfrequenzen der entsprechenden Moden zur Folge hat. Für externe Störbeschleunigungen sind sie dagegen biegesteif, so daß diese vor Ort unterdrückt werden. Da die Elektroden 54 und 56 kleiner als die Schwingmassen 14 und 16 dimensioniert sind, verblei ben diese auch während der ebenen Torsionsschwingung der Schwingstruktur 12 ständig unterhalb der Schwing massen 14 beziehungsweise 16. Somit ergibt sich aufgrund der Torsionsschwingung zwischen den Elektroden 54 und 56 beziehungsweise den Schwing massen 14 und 16 keine Kapazitätsvariation, die zu einer Signalveränderung führen würde.
Beim Auftreten einer Coriolisbeschleunigung wird die
sich um den Lagerpunkt 24 in ebener Torsions
schwingung befindende Schwingstruktur 12 um die Be
festigungsachse periodisch rotiert. Hierdurch wird
die ebene Torsionsschwingung der Schwingstruktur 12
in eine Dreh-Wipp-Schwingung überführt. Es findet so
mit zusätzlich eine out-of-plane-Schwingung der
Schwingstruktur 12 statt. Infolge dieser out-of
plane-Schwingung erfolgt eine Abstandsänderung zwi
schen den Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 und den
darunter befindlichen Elektroden 54 beziehungsweise
56. Diese Abstandsänderung kann über die Elektroden
54 beziehungsweise 56 und die mit dem Massekontakt 52
kontaktierten Schwingmassen 14 beziehungsweise 16
kapazitiv detektiert werden. Infolge der out-of
plane-Schwingung wird beispielsweise der Abstand zwi
schen der Schwingmasse 14 und der Elektrode 54
verringert, während gleichzeitig sich der Abstand
zwischen der Schwingmasse 16 und der Elektrode 56
vergrößert. Bei Umkehr der Schwingung wird der Ab
stand zwischen der Schwingmasse 16 und der Elektrode
56 verringert, während sich der Abstand zwischen der
Schwingmasse 14 und der Elektrode 54 vergrößert.
Hiermit steigt die Kapazität zwischen den Schwing
massen 14 beziehungsweise 16 und den Elektroden 54
beziehungsweise 56 periodisch an oder fällt
periodisch ab. Mittels der Kontaktierungen 60 kann
diese Kapazitätsvariation mit der nicht dargestellten
Schaltungsanordnung, die eine Lageregelung enthält,
ausgewertet werden und ein der Kapazitätsvariation
proportionales Signal, zum Beispiel die Lagerege
lungsspannung, das ein Maß für die auf den Dreh
ratensensor 10 einwirkende Coriolisbeschleunigung
liefert, überführt werden.
Insgesamt ist somit ein Drehratensensor 10 geschaf
fen, der einfach aufgebaut ist und mittels einfach zu
beherrschender Schritte der Oberflächen-Mikromechanik
auf Siliziumsubstraten in einem einlagigen Aufbau
hergestellt werden kann. Die Kontaktierungen und
Elektroden des Drehratensensors 10 können mit eben
falls einfach beherrschbaren Verfahrensschritten der
Polysiliziumabscheidung (vergrabene Polysiliziumebe
ne) beziehungsweise Dotierungen ("Buried Layer"-An
schlußtechnik) erzielt werden. Der Drehratensensor 10
ist somit in für eine Massenproduktion geeigneter
Weise mit einfachen Verfahrensschritten herstellbar,
einfach aufgebaut und extrem robust.
Bei der Funktion des Drehratensensors 10 muß ledig
lich beachtet werden, daß die resultierende Resonanz
frequenz der out-of-plane Detektionsschwingung höher
ist als die der planaren Torsionsschwingung, damit
die Wippbewegung, die mit der Frequenz der Torsions
schwingung durch die Coriolisbeschleunigung hervor
gerufen wird, nicht in den Bereich der Resonanz
überhöhung und damit in den Bereich schwer kontrol
lierbarer Nachschwingungen gelegt wird. Hierzu kann
eine Lageregelung, vorzugsweise mit PD-Charakteris
tik, eingesetzt werden, die durch elektrostatische
Kräfte die out-of-plane Torsionsmode elektrisch ver
steift. Eine andere Möglichkeit dazu ist eine geeig
nete Änderung des Designs des Drehratensensors, damit
die Resonanzfrequenz der Torsion in der Ebene nie
driger als die Resonanzfrequenz der out-of-plane
Torsion (Detektionsmode) wird. Dazu kann vorteilhaft
erweise die Befestigung der Federn 32 beziehungsweise
34 an den Schwingmassen 14 beziehungsweise 16
erfolgen statt an den Haltestegen 18 beziehungsweise
20. Mittels Evakuierung oder Kompression kann
weiterhin eine ideale Dämpfung von 1/√, die
weitgehend eine konstante Amplitude bis nahe der
Resonanzfrequenz mit anschließendem Abfall von 20 dB
pro Frequenzdekade bewirkt, eingestellt werden, um
das oben erwähnte unkontrollierbare Nachschwingen zu
unterdrücken.
Nachfolgend werden die Zusammenhänge bei der Detek
tion von Coriolisbeschleunigungen mittels des Dreh
ratensensors 10 anhand eines Berechnungsbeispiels
verdeutlicht. Bei diesem Berechnungsbeispiel wurden
der Einfachheit halber die Massen der Stege 18 be
ziehungsweise 20 vernachlässigt. Es wird jeweils nur
mit einer Schwingmasse 14 beziehungsweise 16 und
einer Feder 32 beziehungsweise 34 gerechnet, da sich
im Verhältnis der nachfolgenden Formeln der Faktor 2
(bei Berechnung mit beiden Schwingmassen 14 und 16
und beiden Federn 32 und 34) wieder herauskürzt.
Resonanzfrequenz bei allgemeiner Verdrehung:
wobei die Beziehung gilt:
M=CVerdreh·tanΘ
Resonanzfrequenz bei Linearschwingung:
wobei die Beziehung gilt:
F=CLin·η
Drehschwingung:
Federsteife gegen Drehung (einseitig fest eingespann ter Balken, gebogen):
Federsteife gegen Drehung (einseitig fest eingespann ter Balken, gebogen):
Massenträgheitsmoment:
Wippschwingung:
Federsteife gegen Torsion (einseitig fest eingespann ter Balken, verdreht):
Federsteife gegen Torsion (einseitig fest eingespann ter Balken, verdreht):
Massenträgheitsmoment:
Linearbeschleunigung längs der Achse Massenschwer
punkt - Mittelpunkt:
Federsteife gegen Biegung (beidseitig fest einge spannter Balken, gebogen):
Federsteife gegen Biegung (beidseitig fest einge spannter Balken, gebogen):
Masse:
Die Berechnung erfolgt für eine Seite, da insgesamt
zwei Massen gegen zwei Torsionsfedern arbeiten.
Masse entsprechend der vorgenannten Formel;
Umfangsgeschwindigkeit:
Umfangsgeschwindigkeit:
v=lsωsinΘ
Drehimpuls:
L₀ = ls x vm
periodisch oszillierender Drehimpuls:
L = L₀sinωt
Moment:
Drehwinkel:
Auslenkung:
z = R·sinα
Nach einem konkreten Ausführungsbeispiel wird von
folgender Dimesionierung des Drehratensensors 10 aus
gegangen.
Winkel des Kreissektorausschnittes: ϕ = 80°
Auslenkung: Θ = 5°
Strukturhöhe: h = 12 µm
Balkenbreite: b = 2 µm
Balkenlänge: l = 200 µm
Außenrand der Struktur: Ra= 600 µm
Innenrand der Struktur: Ri= 380 µm
Elektrodenabstand: d = 1,2 µm
Drehschwingungsfrequenz: ω = 3000 s-1
Auslenkung: Θ = 5°
Strukturhöhe: h = 12 µm
Balkenbreite: b = 2 µm
Balkenlänge: l = 200 µm
Außenrand der Struktur: Ra= 600 µm
Innenrand der Struktur: Ri= 380 µm
Elektrodenabstand: d = 1,2 µm
Drehschwingungsfrequenz: ω = 3000 s-1
Bei einer Drehrate von 1°/s (=0,017 rad/s) ergeben
sich folgende Werte:
max. Drehmoment. L = 2,34*10-13Nm
max. Wippwinkel: α = 1,23*10-6rad
max. Auslenkung (innen/außen): z = 0,47nm/0,74nm
max. Wippwinkel: α = 1,23*10-6rad
max. Auslenkung (innen/außen): z = 0,47nm/0,74nm
Grundkapazität; C₀ = 0,31232pF
⌀ Kapazitätsvariation: ΔC = 0,15fF
Kapazitätsverhältnis: ΔC/C₀ = 1/2000
⌀ Kapazitätsvariation: ΔC = 0,15fF
Kapazitätsverhältnis: ΔC/C₀ = 1/2000
In den Fig. 3 und 4 sind weitere Ausführungs
beispiele für einen Drehratensensor 10 gezeigt.
Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
Bei der Beschreibung des Aufbaus und der Funktion
wird lediglich auf die zu Fig. 1 bestehenden Unter
schiede eingegangen.
Der in Fig. 3 gezeigte Drehratensensor 10 weist eine
laterale elektronische Lageregelung 62 in der Ebene
auf. Die Lageregelung 62 besitzt einen am Außenumfang
30 der Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 angeordne
ten Abschnitt 64, an dessen jeweils radial zum
Lagerpunkt 24 verlaufenden Stirnflächen 66 eine
Kammstruktur 68 angeordnet ist. Die Kammstruktur 68
besitzt mit dem Abschnitt 64 verbundene und damit
beweglich angeordnete Kämme 70, die mit fest auf dem
Substrat 22 angeordneten Kämmen 72 in Eingriff
stehen. Die einzelnen Finger der Kämme 70 beziehungs
weise 72 verlaufen bogenförmig auf einer gedachten
Kreislinie um den Lagerpunkt 24. Die Kämme 72 sind
über eine Kontaktierung 74 mit einer nicht darge
stellten Schaltungsanordnung verbunden. Die Schwing
masse 14 und die Schwingmasse 16 besitzen jeweils
diametral gegenüberliegend eine Lageregelung 62,
wobei die Anordnung so erfolgt, daß der exakte spie
gelsymmetrische Aufbau der Schwingstruktur 12 nicht
beeinträchtigt wird.
Die Lageregelung 62 übt folgende Funktion aus:
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Drehratensensors 10 wird dieser neben der zu detektierenden Coriolis beschleunigung in der Regel auch einer Linearbe schleunigung ausgesetzt. Da die Aufhängung der Schwingstruktur 12 für die planare Torsionsschwingung und für die durch die Coriolisbeschleunigung verur sachte Wippschwingung weich sein muß, ist diese auch für eine senkrecht zur Drehachse der die Coriolisbe schleunigung bewirkenden Drehrate wirkenden Linear beschleunigung nicht unendlich steif. Diese Linearbe schleunigung verursacht eine geringe Auslenkung der Schwingstruktur 12 in die Wirkungsrichtung der Li nearbeschleunigung. Mittels der an den Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 angeordneten Lageregelungen 62 wird die Auslenkung aufgrund einer einwirkenden Linearbeschleunigung jedoch vollständig unterdrückt. Bei Einwirken einer Linearbeschleunigung wird eine Kapazitätsveränderung zwischen den Kämmen 70 und den Kämmen 72 der Kammstrukturen 68 bewirkt. Diese Ka pazitätsveränderung tritt aufgrund der Auslenkung der Schwingstruktur 12 auf, da sich der Abstand zwischen den Kämmen 70 beziehungsweise 72 geringfügig verän dert. Aufgrund der Kapazitätsveränderung wird ein elektronisches Signal gewonnen, das eine Größe für die angreifende Linearbeschleunigung liefert. Über die nicht dargestellte Schaltungsanordnung wird ein entsprechendes Gegensignal erzeugt, das die Abstands änderung zwischen den Kämmen 70 und 72 elektro statisch auf Null hält. Je nach Größe der durch die Linearbeschleunigung bewirkten Auslenkung variiert hierbei das Lageregelungssignal. Neben der exakten Lageregelung der Schwingstruktur 12 kann dieses mit tels der Lageregelung 62 gewonnene Signal gleich zeitig eine Aussage über die Größe der an die Schwingstruktur 12 angreifenden Linearbeschleunigung liefern. Neben dem Einsatz als Coriolis-Drehraten sensor kann somit gleichzeitig ein Einsatz als Li nearbeschleunigungssensor erfolgen.
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Drehratensensors 10 wird dieser neben der zu detektierenden Coriolis beschleunigung in der Regel auch einer Linearbe schleunigung ausgesetzt. Da die Aufhängung der Schwingstruktur 12 für die planare Torsionsschwingung und für die durch die Coriolisbeschleunigung verur sachte Wippschwingung weich sein muß, ist diese auch für eine senkrecht zur Drehachse der die Coriolisbe schleunigung bewirkenden Drehrate wirkenden Linear beschleunigung nicht unendlich steif. Diese Linearbe schleunigung verursacht eine geringe Auslenkung der Schwingstruktur 12 in die Wirkungsrichtung der Li nearbeschleunigung. Mittels der an den Schwingmassen 14 beziehungsweise 16 angeordneten Lageregelungen 62 wird die Auslenkung aufgrund einer einwirkenden Linearbeschleunigung jedoch vollständig unterdrückt. Bei Einwirken einer Linearbeschleunigung wird eine Kapazitätsveränderung zwischen den Kämmen 70 und den Kämmen 72 der Kammstrukturen 68 bewirkt. Diese Ka pazitätsveränderung tritt aufgrund der Auslenkung der Schwingstruktur 12 auf, da sich der Abstand zwischen den Kämmen 70 beziehungsweise 72 geringfügig verän dert. Aufgrund der Kapazitätsveränderung wird ein elektronisches Signal gewonnen, das eine Größe für die angreifende Linearbeschleunigung liefert. Über die nicht dargestellte Schaltungsanordnung wird ein entsprechendes Gegensignal erzeugt, das die Abstands änderung zwischen den Kämmen 70 und 72 elektro statisch auf Null hält. Je nach Größe der durch die Linearbeschleunigung bewirkten Auslenkung variiert hierbei das Lageregelungssignal. Neben der exakten Lageregelung der Schwingstruktur 12 kann dieses mit tels der Lageregelung 62 gewonnene Signal gleich zeitig eine Aussage über die Größe der an die Schwingstruktur 12 angreifenden Linearbeschleunigung liefern. Neben dem Einsatz als Coriolis-Drehraten sensor kann somit gleichzeitig ein Einsatz als Li nearbeschleunigungssensor erfolgen.
Durch die bogenförmige Anordnung der Kämme 70 bezie
hungsweise 72 wird verhindert, daß infolge der plana
ren Torsionsschwingung der Schwingstruktur 62 eine
Kapazitätsänderung zwischen den Kämmen 70 beziehungs
weise 72 eintritt. Der infolge der Torsionsschwingung
eintretende Flächenverlust auf der einen Seite der
Lageregelung 62 wird durch einen gleichgroßen
Flächenzuwachs auf der anderen Seite der Lageregelung
62 ausgeglichen. Hierbei wird von einem gleichgroßen
Radius der Kämme 70 beziehungsweise 72 und einer ge
ringen Oberflächenrauhigkeit der jeweils zugewandten
Flächen der Kämme 70 und 72 ausgegangen.
In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante er
folgt eine Kontaktierung der Schwingmassen 14 bezie
hungsweise 16 der Schwingstruktur 12 durch einen au
ßenliegenden Massekontakt 76. Hierdurch wird er
reicht, daß der Lagerpunkt 24 lediglich nur noch zur
drehbeweglichen Lagerung der Schwingstruktur 12 ge
nutzt wird und keine Funktion hinsichtlich einer
elektrischen Ankopplung der Schwingstruktur 12 zu
übernehmen braucht. Der Anschluß der Schwingstruktur
12 erfolgt mittels in der planaren Schwingungsebene
der Schwingstruktur 12 extrem weichen Federn 78 be
ziehungsweise 80. Die Federn 78 und 80 kontaktieren
den Massekontakt 76 jeweils mittig mit den die
Schwingmassen 14 und 16 verbindenden Stegen 18 bezie
hungsweise 20. Durch die in der planaren Schwingungs
ebene extrem weich ausgebildeten Federn 78 bezie
hungsweise 80 wird die ebene Torsionsschwingung der
Schwingstruktur 12 nur unwesentlich beeinflußt, so
daß die Federn 78 und 80 auf das Schwingungsverhalten
der Schwingstruktur 12 einen vernachlässigbar kleinen
Einfluß haben.
Andere sehr vorteilhafte Anschlußmöglichkeiten er
geben sich durch Ausnützung der unteren Kontaktebene,
in der auch die Gegenelektroden für die kapazitive
Detektion der out-of-plane Wippschwingung ausgeführt
sind. In dieser unteren Ebene können sowohl diese
Kondensatorflächen als auch Leiterbahnen zum
elektrischen Anschluß der Sensorelemente ausgeführt
werden. Man kann dazu eine vergrabene Polysilizium
ebene oder aber diffundierte Flächen und Leiterbahnen
("Buried Layer") verwenden.
Claims (19)
1. Beschleunigungssensor, insbesondere Coriolis-Dreh
ratensensor, mit einer beweglich an einem Substrat
(Basis) aufgehängten, aufgrund einer Beschleunigungs
einwirkung auslenkbaren Schwingstruktur, mit Mitteln
zum Erzeugen einer planaren Schwingungsbewegung der
Schwingstruktur sowie Auswertemitteln zum Erfassen
einer beschleunigungsbedingten Auslenkung der
Schwingstruktur, insbesondere zum Erfassen einer
Coriolisbeschleunigung, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwingstruktur (12) zur Ausführung einer pla
naren Schwingungsbewegung drehbeweglich aufgehängt
ist.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schwingstruktur (12) von zwei
rotationssymmetrisch zu einem Lagerpunkt (24) ange
ordneten Schwingmassen (14, 16) gebildet wird, die
über Stege (18, 20) starr miteinander gekoppelt sind.
3. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingmassen (14, 16) jeweils von einem Zylinderab
schnitt (26) gebildet sind, deren Außenumfang (30)
und Innenumfang (28) einen um den Lagerpunkt (24)
umlaufenden Radius (Ra, Ri) besitzen.
4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die
Schwingmassen (14, 16) verbindenden Stege (18, 20)
über jeweils eine auf einer Radialen der Schwing
struktur (12) verlaufenden Feder (32, 34) mit dem
Lagerpunkt (24) verbunden sind.
5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn
(32, 34) eine große Höhe (h) im Verhältnis zu ihrer
Breite (b) aufweisen, so daß Störbeschleunigungen
bereits vor Ort mechanisch unmittelbar am Beschleuni
gungssensor (10) unterdrückt werden.
6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingmassen (14, 16) einen elektrostatischen Kamm
antrieb (38) besitzen.
7. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamm
antrieb (38) an den in Umfangsrichtung der Schwing
struktur (12) weisenden Stirnflächen (36) der
Schwingmassen (14, 16) angeordnete bewegliche Kämme
(40) aufweist, die mit auf dem Substrat (22) fest
angeordneten Kämmen (42) ineinandergreifen.
8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwingstruktur (12) insgesamt vier Kammstrukturen
(38, 44) aufweist, von denen zwei als elektro
statischer Kammantrieb (38) und zwei als kapazitive
Auslesung (44) geschaltet sind.
9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwingstruktur (12) eine in der Ebene, das heißt
lateral wirkende elektronische Lageregelung (62)
zugeordnet ist.
10. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elek
tronische Lageregelung (62) von diametral gegenüber
liegend an den Außenumfängen (30) der Schwingmassen
(14, 16) angeordneten Kammstrukturen (68) gebildet
wird.
11. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb
der Schwingmassen (14, 16) Elektroden (54, 56) an
geordnet sind, die mit den Schwingmassen (14, 16) ein
kapazitives Auswertemittel ergeben und die der
Detektion einer drehratenbedingten Schaukelbewegung
(out-of-plane) der Schwingstruktur (12) dienen.
12. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detek
tion der Schaukelbewegung eine elektronische Lagere
gelung verwendet wird.
13. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Re
sonanzfrequenz der out-of-plane Torsionsschwingung
(Detektionsmode) bereits mechanisch durch eine geeig
nete Befestigung der Federn (32, 34) an der Schwing
struktur (12) über der Resonanzfrequenz der Torsion
in der Ebene liegt.
14. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die je
weils unter einer Schwingmasse (14, 16) angeordnete
Elektrode (54, 56) eine kleinere Kreissegmentfläche
aufweist als die Schwingmasse (14, 16).
15. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktierung der Schwingmassen (14, 16) über den Lager
punkt (24) erfolgt.
16. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktierung der Schwingmassen (14, 16) über von außen
an die Stege (18, 20) angreifende Kontaktverbindungen
erfolgt.
17. Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontaktverbindungen von in
der planaren Schwingungsebene der Schwingstruktur
(12) extrem weich ausgebildeten Federn (78, 80) ge
bildet werden.
18. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktierung über eine vergrabene Polysiliziumebene
(vergrabene Leiterbahnen beziehungsweise Kondensator
flächen) erfolgt.
19. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon
taktierung über vergrabene diffundierte Zonen im
Substratmaterial, diffundierte Leiterbahnen bezie
hungsweise diffundierte Kondensatorflächen erfolgt
("buried layer"-Anschlußtechnik).
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JP50468097A JP4372839B2 (ja) | 1995-06-30 | 1996-02-17 | 回転速度センサ |
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DE59608599T DE59608599D1 (de) | 1995-06-30 | 1996-02-17 | Beschleunigungssensor |
EP96903875A EP0835425B1 (de) | 1995-06-30 | 1996-02-17 | Beschleunigungssensor |
PCT/DE1996/000248 WO1997002467A1 (de) | 1995-06-30 | 1996-02-17 | Beschleunigungssensor |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=7765702
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DE19523895A Ceased DE19523895A1 (de) | 1995-06-30 | 1995-06-30 | Beschleunigungssensor |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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EP (1) | EP0835425B1 (de) |
JP (1) | JP4372839B2 (de) |
DE (2) | DE19523895A1 (de) |
ES (1) | ES2171652T3 (de) |
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