DE19530007A1 - Drehratensensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Aus der EP 539 393 B1 ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem ein Schwinger zu Schwingungen in einer ersten Richtung anregbar ist. Bei einer Drehung des Sensors um eine Achse, die senkrecht zur Schwingungsachse ist, treten Corioliskräfte auf, die zu einer Auslenkung des Schwingers fuhren. Der Schwinger stellt dabei eine Platte eines Plattenkondensator dar, dessen Kapazität sich durch die Auslenkung ändert. Das Meßsignal und die Empfindlichkeit dieser Anordnung wird durch Fertigungstoleranzen stark beeinflußt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Nachweis der Corioliskräfte in einem eigens dafür vorgesehenen Nachweiselement erfolgt. Der Schwinger und das Nachweiselement sind durch ein elastisches Element verbunden, welches im wesentlichen nur die Corioliskräfte überträgt. Das Nachweiselement kann daher unabhängig vom Schwinger für den Nachweis der Corioliskräfte optimiert werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Drehratensensors nach dem unabhängigen Anspruch möglich. Durch die Aufhängung des Nachweiselements an Auslenkfedern, die in der ersten Richtung eine große Steifigkeit aufweisen, werden Bewegungen des Nachweiselements in Schwingungsrichtung unterdrückt. Da das Nachweiselement somit im wesentlichen nur in der zweiten Richtung beweglich ist, ist der Einfluß von Fertigungstoleranzen auf die Empfindlichkeit des Nachweiselements gering. Besonders einfach weist das Nachweiselement bewegliche Elektroden auf, die mit feststehenden Elektroden einen Plattenkondensator bilden. Derartige Nachweiselemente weisen eine große Empfindlichkeit auf. Besonders einfach erfolgt die Anregung der Schwingungen des Schwingers durch einen elektrostatischen Antrieb. Wegen der geringen thermischen Ausdehnung ist Silizium als Substratmaterial besonders geeignet. Weiterhin lassen sich die Sensoren besonders einfach aus Silizium oder Metall fertigen. Durch die Verwendung von mehreren miteinander gekoppelten Schwingern läßt sich das Signal der Drehratensensoren erhöhen bzw. Störeinflüsse unterdrücken.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drehratensensors, Fig. 2 ein Querschnitt durch einen Zwischenschritt der Herstellung des Sensors, Fig. 3 ein Querschnitt durch den Sensor nach Fig. 1 entlang der Linie III-III und Fig. 4 und 5 jeweils eine Aufsicht durch zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit einem Schwinger 1 gezeigt, der an vier Schwingfedern 2 aufgehängt ist. Die Schwingfedern 2 sind als längliche gefaltete Biegeelemente ausgeführt, die durch Kräfte in einer x-Achse leicht verformt werden können. Die Federn 2 weisen somit in x-Richtung eine geringe Steifigkeit auf. Aufgrund der geringen Steifigkeit der Schwingfedern 2 in x-Richtung kann somit der Schwinger 1 durch Kräfte in x-Richtung besonders einfach zu Auslenkungen bzw. Schwingungen angeregt werden. Die Schwingfedern 2 weisen jedoch in der y-Achse, d. h. senkrecht zur x-Richtung, eine vergleichsweise große Steifigkeit auf. Wenn am Schwinger 1 Kräfte in y-Richtung auftreten, so werden diese über die Schwingfedern 2 auf die Aufhängung der Federn 2 übertragen. Die Schwingfedern 2 sind mit einem Auswerteelement 3 verbunden bzw. aufgehängt. Das Auswerteelement 3 besteht aus einem beweglichen Rahmen 4, an dem die Schwingfedern 2 befestigt sind, beweglichen Elektroden 5 und feststehenden Elektroden 6. Die feststehenden Elektroden 6 sind über einen Zentralbalken 7 mit einer Verankerung 8 verbunden. Die Verankerung 8 ist fest auf einem Substrat befestigt. Die beweglichen Elektroden 5 sind am Rahmen 4 befestigt. Der Rahmen 4 ist über Auslenkfedern 9 mit Verankerungen 10 verbunden. Die Verankerungen 10 sind ebenfalls fest auf dem Substrat verankert. Die Auslenkfedern 9 weisen in der y-Achse eine geringe Steifigkeit auf. Die Steifigkeit in x-Richtung ist vergleichsweise groß. Der Rahmen 4 kann somit durch vergleichsweise geringe Kräfte in y-Richtung bewegt werden, während Kräfte in x-Richtung nur eine geringe Bewegung des Rahmens 4 bewirken. Bei einer Bewegung des Rahmens in y-Richtung werden auch die am Rahmen befestigten beweglichen Elektroden bewegt. Die feststehenden Elektroden 6 sind jedoch den Zentralbalken 7 bzw. die Verankerung 8 fest mit dem Substrat verbunden und werden daher relativ zum Substrat nicht bewegt.

In der Fig. 3 wird ein Querschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 1 gezeigt. Gezeigt wird ein Querschnitt durch eine Verankerung 10, Auslenkfedern 9, eine bewegliche Elektroden 5, eine feststehende Elektrode 6, beweglichen Rahmen 4, Schwingfeder 2 und Schwinger 1. Die Verankerung 10 ist durch eine Zwischenschicht 22 fest auf dem Substrat 21 verankert. Die anderen in Fig. 2 gezeigten Elemente sind nicht unmittelbar mit dem Substrat verbunden und daher relativ zum Substrat 21 verschiebbar. Anzumerken ist hier, daß es auch möglich ist, die feststehende Elektrode 6 durch eine Schicht 22 auf dem Substrat zu verankern. Aufgrund der großen Ausdehnung in z-Richtung sind die Schwingfeder 2 und Auslenkfedern 9 in der Lage, große Kräfte in z-Richtung aufzunehmen, ohne daß es zu einer nennenswerten Verformung kommt. Es ist daher möglich, die vergleichsweise große Masse des Schwingers 1 und des Auswerteelements 3 durch wenige Federelemente und Verankerungen 10 getrennt vom Substrat zu halten.

Der in der Fig. 1 gezeigte Sensor wird als Drehratensensor eingesetzt. Dazu wird der Schwinger 1 zu Schwingungen in der x-Achse angeregt. Aufgrund der geringen Steifigkeit der Schwingfedern 2 werden dabei nur geringe Kräfte in x-Richtung auf den Rahmen 4 übertragen. Da der Rahmen 4 durch die Auslenkfedern 9 in x-Richtung relativ steif gelagert ist, werden durch diese Kräfte nur geringe Auslenkungen des Rahmens 4 bzw. der beweglichen Elektroden 5 verursacht. Wenn der Sensor um die z-Achse (siehe Fig. 3) gedreht wird, so treten senkrecht zur Schwingrichtung Corioliskräfte auf. Diese wirken in y-Richtung und werden durch die Schwingfedern 2, die in dieser Richtung eine große Steifigkeit aufweisen, auf den Rahmen 4 übertragen. Da die Auslenkfedern 9 in y-Richtung nur eine geringe Steifigkeit aufweisen, werden durch diese Kräfte in y-Richtung Auslenkungen der Auslenkfedern 9 und somit eine Verschiebung des Rahmens 4 bewirkt. Durch diese Verschiebung des Rahmens 4 ändert sich der Abstand zwischen den beweglichen Elektroden 5 und den feststehenden Elektroden 6. Durch eine Messung der Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 5 und den feststehenden Elektroden 6 kann somit die Auslenkung des Rahmens 4 gemessen werden und daraus die Corioliskräfte bzw. die Drehung um die z-Achse ermittelt werden. Fertigungstoleranzen haben dabei nur einen geringen Einfluß auf das Signal des Auswerteelements. Wenn es zu Schwingungen des Auswerteelements 3 in x-Richtung käme, so würden bereits kleine Abweichungen von einer streng parallelen Ausrichtung der Elektroden 5, 6 zueinander zu einem Signal führen. Da aufgrund der Federelemente 2 und 9 jedoch nur Bewegungen in y-Richtung möglich sind, führen Toleranzen bei der Fertigung nur zu einer geringen Beeinflussung des Meßsignals.

Zur Anregung der Schwingungen des Schwingers 1 sind elektrostatische Kammantriebe 31, 32 vorgesehen. Diese weisen elektrostatische Elektroden 33 auf, die durch Verankerungen 10 auf dem Substrat 21 befestigt sind und zusammen mit weiteren Elektroden 34 des Schwingers 1 zusammenwirken. Die elektrostatischen Elektroden 33 und die weiteren Elektroden 34 bilden Plattenkondensatoren, deren Kapazität sich ändert, wenn der Schwinger 1 in x-Richtung verschoben wird. Durch Anlegen von elektrischen Potentialen an den elektrostatischen Elektroden 33 kann so eine Kraftwirkung auf den Schwinger 1 ausgeübt werden. Die beiden Kammantriebe 31, 32 können so betrieben werden, daß sie jeweils im Gegentakt eine elektrostatische Kraftwirkung auf den Schwinger 1 ausüben. Weiterhin ist es möglich, einen der Kammantriebe 31 zur Anregung von Schwingungen des Schwingers 1 zu nutzen und den zweiten Kammantrieb 32 dazu zu nutzen, diese Schwingung durch Messung der Kapazität zwischen den elektrostatischen Elektroden 33 und den weiteren Elektroden 34 nachzuweisen. Da so gemessene Signal der Schwingung kann dann dazu genutzt werden, die Stärke bzw. Frequenz der Potentiale zu beeinflussen, die am ersten Antrieb 31 angelegt werden. Dem Fachmann ist offensichtlich, daß auch andere Antriebsformen, beispielsweise durch piezoelektrische oder magnetische Elemente möglich sind. Weiterhin sind beliebige andere Elektrodenformen für einen elektrostatischen Antrieb möglich.

Das Auswerteelement 3 ist hier als Plattenkondensator, dessen Kapazität sich durch die auftretenden Corioliskräfte ändert, ausgeführt. Ebenso sind auch andere Auswerteelemente 3 vorstellbar, die nach einem piezoeletrischen, piezoresistiven oder anderen Nachweiskonzepten arbeiten. Das in der Fig. 1 gezeigte kapazitive Auswerteelement hat jedoch den Vorteil, daß es besonders einfach aufgebaut ist und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Weiterhin läßt sich der so gezeigte Sensor mit einem kapazitiven Antrieb des Schwingers 1 und einem kapazitiven Auswerteelement 3 besonders einfach herstellen.

Die Herstellung des Sensors nach den Fig. 1 und 3 wird anhand der Fig. 2 und der Fig. 3 erläutert. Das Verfahren geht aus von einem Substrat 21, auf dem eine Verbindungsschicht 22 und darauf eine obere Siliziumschicht 23 aufgebracht ist. Vorzugsweise besteht das Substrat 21 aus Silizium und die Verbindungsschicht 22 aus Siliziumoxid. Ein derartiger Schichtaufbau ist aus der Halbleitertechnik als SOI-Wafer (Silicon on Insulator) bekannt. Für das Substrat 21 können jedoch auch andere Materialien eingesetzt werden. Für die Verbindungsschicht 22 ist jedes Material geeignet, das sich selektiv zur oberen Siliziumschicht 23 ätzen läßt. Die Verbindungsschicht 22 wird daher für die Herstellung von Sensoren auch als Opferschicht bezeichnet. In der Fig. 2 ist hier eine durchgehende Schicht 22 gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, die Schicht 22 nur dort vorzusehen, wo in der oberen Schicht 23 Strukturen erzeugt werden, die relativ zum Substrat 21 beweglich sein sollen.

Auf der Oberseite der Siliziumschicht 23 wird eine Ätzmaske 24 aufgebracht, die beispielsweise aus strukturiertem Fotolack bestehen kann. Die Ätzmaske 24 weist die Struktur des Sensors nach der Fig. 1 auf. Durch Einätzen wird dann die Struktur der Ätzmaske in die obere Siliziumschicht 23 übertragen. Dabei erfolgt eine Ätzung der oberen Siliziumschicht 23, bis die Verbindungsschicht 22 freiliegt. In einem weiteren Ätzschritt wird dann die Verbindungsschicht 22 geätzt. Dabei wird die Ätzung der Verbindungsschicht 22 gestoppt, bevor sie unterhalb der Verankerungen 10 vollständig entfernt sind. Die Verankerungen 10 sind, wie in der Fig. 3 gezeigt wird, dann durch die Verbindungsschicht 22 noch fest mit dem Substrat 21 verbunden. Die Auslenkfedern 9, die beweglichen Elektroden 5, der Rahmen 4, die Schwingfedern 2 und der Schwinger 1 werden dabei jedoch unterätzt, d. h. die Verbindungsschicht 22 wird vollständig unterhalb dieser Strukturen entfernt. Bei einer durchgehenden Verbindungsschicht 22, wie dies in der Fig. 2 gezeigt wird, werden die Verankerungen 10 aufgrund ihrer großen lateralen Abmessungen nicht vollständig unterätzt. Um eine Unterätzung des Schwingers 1 bzw. des Rahmens 4 sicherzustellen, sind Ätzlöcher 25 vorgesehen, die sich von der Oberseite der Siliziumschicht 23 bis zur Verbindungsschicht 22 erstrecken. In der Fig. 1 werden derartige Ätzlöcher 25 exemplarisch für den zentralen Bereich des Schwingers 1 gezeigt. Derartige Ätzlöcher 25 sind jedoch ebenfalls für den Rahmen 4 und alle anderen Bereich des Schwingers 1 vorgesehen. Diese Ätzlöcher 25 sind jedoch zugunsten einer klaren Darstellung nicht überall zeichnerisch dargestellt.

Der Drehratensensor nach der Fig. 1 weist zwei Auswerteelemente 3 auf. Die beiden Auswerteelemente 3 sind so ausgelegt, daß-sich die Kapazität des einen Auswerteelements erhöht, wenn sich die Kapazität des anderen Auswerteelements verringert. Eine derartige Anordnung von zwei kapazitiven Auswerteelementen 3 ist besonders vorteilhaft für eine Weiterverarbeitung der kapazitiven Signale.

In der Fig. 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Drehratensensor gezeigt, das zwei Schwinger 1 mit jeweils zwei Auswerteelementen 3 und jeweils zwei Antrieben 31, 32 aufweist. Die beiden Schwinger 1 sind über ein Drehelement 41 verbunden, welches an zwei Drehfedern 42 an Verankerungen 10 aufgehängt ist. Das Drehelement 41 ist über jeweils ein Stabelement 43 und elastische Ausgleichselement 44 mit den beiden Schwingern 1 verbunden.

Durch die Stabelemente 43 werden Kräfte in x-Richtung auf das Drehelement 41 übertragen. Aufgrund der elastischen Ausgleichselemente 44 treten diese als Zug- oder Druckkräfte an den Enden des Drehelements 41 auf. Aufgrund der Drehfedern 42 kann so eine Drehung des Drehelements 41 um die z-Achse (senkrecht zur x- und y-Richtung) bewirkt werden. Durch das Drehelement 41 wird so eine Kopplung der Schwingungen der beiden Schwinger 1 bewirkt. Es wird so erreicht, daß die Schwingungen der beiden Schwinger 1 gegenphasig zueinander sind, d. h. wenn der eine Schwinger in positiver x-Richtung schwingt, schwingt der andere negativer x-Richtung und umgekehrt. Da die dann an den beiden Schwingern 1 auftretenden Corioliskräfte ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, kann durch einfache Differenzbildung der Signale der beiden Schwinger 1 der Signalanteil der durch lineare Stör-Beschleunigungen in y-Richtung verursacht wird, herausgerechnet werden.

Weitere Formen der Kopplung sind in der Fig. 3 dargestellt. Die Schwingungen der beiden Schwinger 1 sind über Koppelelemente 51 miteinander gekoppelt, die an den Rahmen 4 der Auswerteelemente 3 angreifen. Die Verbindung der Koppelelemente 51 an die Rahmen 4 erfolgt über elastische Ausgleichselemente 52. Durch die Koppelelemente 51 wird hier eine Kopplung der Schwingungen der beiden Schwinger 1 erreicht. In Abhängigkeit von der an den Antrieben 31, 32 anliegenden Frequenz kann hier sowohl eine gegenphasige Schwingung wie auch eine gleichphasige Schwingung der beiden Schwinger 1 erreicht werden.

Weiterhin können die Koppelelemente auch als Federn ausgebildet werden, um die Resonanzfrequenzen der parallelen und der antiparallelen Schwingung zu trennen. Im parallelen Schwingungsfall wird die Feder nicht ausgelenkt und die Resonanzfrequenz wird nur durch die Schwingfeder (2) bestimmt. Im antiparallelen Fall muß die Koppelfeder (53) in x-Richtung ausgelenkt werden wodurch sich die Steifigkeit des Systems erhöht!

Sowohl durch die Koppelelemente 51 wie auch die Federn 53 können parallele oder antiparallele Schwingungsmoden erreicht werden.

Claims (11)

1. Drehratensensor mit mindestens einem Schwinger (1), der zu Schwingungen in einer ersten Richtung (x-Richtung) anregbar ist und bei einer Drehung durch auftretende Corioliskräfte in einer zweiten Richtung (y-Richtung) auslenkbar ist, die senkrecht zur ersten Richtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (1) durch ein elastisches Element (2) mit einem Nachweiselement (3) verbunden ist, und daß das elastische Element (2) in der ersten Richtung (x) eine geringe und in der zweiten Richtung (y) eine große Steifigkeit aufweist.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweiselement (3) Kräfte in der zweiten Richtung (y) nachweist.

3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (21) vorgesehen ist, daß das Nachweiselement (3) mit Auslenkfedern (9) auf dem Substrat verankert ist, wobei die Auslenkfedern (9) in der ersten Richtung (x) eine geringe Steifigkeit und in der zweiten Richtung (y) eine große Steifigkeit aufweisen.

4. Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachweiselement (3) einen Rahmen (4) aufweist, an dem die Auslenkfedern (9) befestigt sind, und daß am Rahmen (4) bewegliche Elektroden (5) befestigt sind, die gegenüber von feststehenden Elektroden (6), die mit dem Substrat (21) fest verbunden sind, angeordnet sind.

5. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrostatische Antriebe (31, 32) zur Anregung der Schwingungen des Schwingers (1) vorgesehen sind, daß elektrostatische Elektroden (33) durch Verankerungen (10) auf dem Substrat (21) verankert sind, daß der Schwinger (1) weitere Elektroden (34) aufweist, die zusammen mit den elektrostatischen Elektroden (33) Plattenkondensatoren bilden.

6. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium besteht.

7. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (1) und das Nachweiselement (3) aus Silizium oder einen Metall bestehen.

8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schwinger vorgesehen sind, und daß die Schwinger mechanisch miteinander gekoppelt sind.

9. Drahtratensensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehelement (41) vorgesehen ist, welches um eine Achse senkrecht zur ersten und zweiten Richtung drehbar ist, und daß die beiden Schwinger durch Stabelemente (43) mit dem Drehelement (41) verbunden sind.

10. Drehratensensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiselemente (3) der beiden Schwinger durch ein stabförmiges Koppelelement (51) miteinander verbunden sind.

11. Drehratensensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiselemente (3) der beiden Schwinger durch eine Feder (53) miteinander verbunden sind.