DE19832906C1 - Capacitive rotation rate sensor detects deflection of seismic mass using mirror-symmetrical capacitive electrode system provided with temperature compensation - Google Patents
Capacitive rotation rate sensor detects deflection of seismic mass using mirror-symmetrical capacitive electrode system provided with temperature compensationInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehratensensor, bei dem eine durch Aktoren angetriebene seismische Masse mit Elek troden gegen feste Gegenelektroden schwingen kann.The invention relates to a capacitive rotation rate sensor, at which is a seismic mass driven by actuators with elec can vibrate against solid counter electrodes.
Der Unterschied zwischen einem Tachogenerator und einem Drehra tensensor liegt darin, daß ein Drehratensensor die absolute Drehgeschwindigkeit mißt, während ein Tachometer zusätzlich mit einem Bezugssystem bekannter Drehgeschwindigkeit verbunden sein muß und eine dazu relative Drehgeschwindigkeit mißt. Schwin gungs-Drehratensensoren nutzen den Einfluß des Coriolis-Effekts auf schwingende massebehaftete Strukturen zur Messung der Dreh geschwindigkeit aus. Der Einfluß des Coriolis-Effektes tritt in Form von Inertialkräften auf die schwingenden massebehaften Strukturen in Erscheinung. Zur Detektion der durch die Inertial kräfte hervorgerufenen Wirkung sind geeignete Sensoren am Drehratensensor angebracht oder integriert. Es sind verschiedene Schwingungs- Drehratensensoren aus der Literatur oder als Proto typen bekannt, die nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten.The difference between a tachometer generator and a Drehra tensensor is that a rotation rate sensor is the absolute Rotational speed measures while a tachometer also be connected to a reference system of known rotational speed must and measures a relative speed of rotation. Swin gyro rate sensors use the influence of the Coriolis effect on vibrating structures with mass to measure the rotation speed off. The influence of the Coriolis effect occurs Form of inertial forces on the vibrating mass Structures in appearance. To detect the through the inertial suitable effects are suitable sensors on Yaw rate sensor attached or integrated. They are different Vibration rotation rate sensors from the literature or as proto known types that work according to the principle described.
Ein kapazitiver Drehratensensor besteht prinzipiell aus einer seismischen Masse, die eine Elektrode in einem elektrischen Kon densatorsystem bildet und mindestens einer Gegenelektrode, wobei die seismische Masse über Aktoren in lineare Bewegungen ver setzt wird. Wird der Sensor nun gedreht, so wird die seismische Masse auf Grund der Coriolis-Kraft abgelenkt. Diese Lageände rung ändert die elektrische Kapazität des Systems und ist damit ein Maß für die Drehrate.A capacitive rotation rate sensor basically consists of one seismic mass containing an electrode in an electrical con forms a capacitor system and at least one counter electrode, wherein the seismic mass via actuators in linear movements is set. If the sensor is now turned, the seismic Mass deflected due to Coriolis force. This location tion changes the electrical capacity of the system and is therefore a measure of the rate of rotation.
Ein solcher kapazitiven Drehratensensor ist aus der DE 44 28 405 A1 bekannt.Such a capacitive rotation rate sensor is known from DE 44 28 405 A1 known.
Dieser Sensor hat aufgrund von unterschiedlichen Substrat- und Sensormaterialien eine höhere Temperaturabhängigkeit als ein Sensor, welcher nur aus einem Material besteht. Somit ist für solche Sensoren eine gute Temperaturkompensation besonders wich tig.This sensor has due to different substrate and Sensor materials have a higher temperature dependence than one Sensor, which consists of only one material. So for such sensors particularly gave good temperature compensation tig.
Aus J. Bernstein et al., A Micromachined Comb- Drive Tuning Fork Rate Gyroscope, Proceedings IEEE Catalog Number 93CH3265-6, S. 143-148 ist ein Gyrometer (Drehratensensor) aus Silizium be kannt, welches mit mikromechanischen Fertigungsmethoden herge stellt wird. Zwei gegeneinander in 1-Richtung des Substrates harmonisch oszillierende flächig ausgedehnte Massen lenken sich bei einer Drehung um die 2-Achse des Substrates in Richtung von dessen 3-Achse jeweils entgegengesetzt aus. Die Auslenkungen in 3-Richtung sind der Oszillationsgeschwindigkeit und der Drehge schwindigkeit direkt proportional und werden kapazitiv detek tiert.From J. Bernstein et al., A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork Rate Gyroscope, Proceedings IEEE Catalog Number 93CH3265-6, S. 143-148 is a silicon gyrometer (rotation rate sensor) knows which one with micromechanical manufacturing methods is posed. Two against each other in the 1 direction of the substrate harmoniously oscillating, extensive masses steer when rotating around the 2-axis of the substrate in the direction of whose 3-axis are opposite each other. The deflections in 3-direction are the oscillation speed and the rotation speed directly proportional and are capacitively detec animals.
Die festen Elektroden befinden sich jeweils auf dem Silizium- Substrat und die beiden beweglichen Elektroden befinden sich an der Unterseite der beiden flächig ausgebildeten oszillierenden Massen. Sollen Drehgeschwindigkeiten weit unter 1°/sec gemessen werden, dann ist die durch Coriolis-Kräfte hervorgerufene Aus lenkung der beweglichen Elektroden erheblich kleiner (mehrere Zehnerpotenzen) als die Auslenkung, die durch die Anregungs schwingung verursacht wird. Es resultiert daraus verursacht durch Fertigungstoleranzen ohne Vorhandensein einer Drehge schwindigkeit eine unerwünschte Restschwingung der beweglichen Elektroden senkrecht zum Substrat. Diese Restschwingung verur sacht ein relativ zu den kleinsten zu messenden Drehgeschwindig keiten hohes elektrisches Restsignal, welches sich nach der Signalaufbereitung als Offset bemerkbar macht. Verändern sich durch eine Temperaturveränderung die Schwingungsparameter des Gyrometers, so wird ein daraus resultierender sich ändernder Offset zu einem nicht korrigierbaren Meßfehler.The fixed electrodes are located on the silicon The substrate and the two movable electrodes are on the underside of the two flat oscillating Masses. Should the rotational speed be measured well below 1 ° / sec then is the end caused by Coriolis forces steering of the movable electrodes considerably smaller (several Powers of ten) than the deflection caused by the excitation vibration is caused. It results from this due to manufacturing tolerances without the presence of a lathe speed an undesirable residual vibration of the moving Electrodes perpendicular to the substrate. This residual vibration causes gently a relative to the smallest rotating speed to be measured high residual electrical signal, which changes after the Signal processing makes it noticeable as an offset. Change due to a change in temperature, the vibration parameters of the Gyrometer, so a resulting changing Offset to an uncorrectable measurement error.
Des weiteren ist aus der DE 42 28 795 A1 ein Drehratensensor be kannt, bei welchem auf einem senkrecht zur Substratebene schwin genden Schwinger ein zusätzlicher Beschleunigungsaufnehmer ange ordnet ist. Die Schwingungen von Schwinger und Beschleunigungs sensor liegen nicht in einer Ebene. Der Hybridaufbau dieses Sen sors erfordert eine kostenintensive serielle Fertigung von schwingender Struktur und Coriolis-Detektion.Furthermore, DE 42 28 795 A1 describes a rotation rate sensor knows, in which vibrates on a perpendicular to the substrate plane an additional accelerometer is arranged. The vibrations of the vibrator and acceleration sensor are not in one level. The hybrid structure of this Sen sors requires an expensive serial production of vibrating structure and Coriolis detection.
In vielen Anwendungsgebieten wird von den Sensoren verlangt, daß sie über eine große Temperaturspanne einsetzbar sind (z. B. im Automobilbau von -30° bis 50°C) und zudem möglichst temperatu runabhängig Meßwerte liefern.In many areas of application, the sensors are required to: they can be used over a wide temperature range (e.g. in Automobile construction from -30 ° to 50 ° C) and also as temperatu as possible Deliver measured values depending on the run.
Den größten Einfluß auf die Temperaturabhängigkeit des Beschleu nigungssensors haben die unterschiedlichen Wärmeausdehungskoef fizienten von dem Substratmaterial Keramik (αKe = 8.1 . 10-6/K) und dem Aufbaumaterial galvanisiertes Nickel (αNi = 13.3 . 10-6/K).The greatest influence on the temperature dependency of the acceleration sensor is due to the different thermal expansion coefficients of the substrate material ceramic (α Ke = 8.1. 10 -6 / K) and the construction material of galvanized nickel (α Ni = 13.3. 10 -6 / K).
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Drehratensensor so auszugestalten, daß er eine möglichst gute Temperaturkompen sation aufweist.The object of the invention is a capacitive rotation rate sensor To be designed so that it has the best possible temperature compensation station.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by the features of the patent claim 1. The subclaims describe advantageous refinements the invention.
Der erfindungsgemäße kapazitiven Drehratensensor hat folgende besonderen Vorteile:The capacitive rotation rate sensor according to the invention has the following special advantages:
Die Temperaturkompensation wurde dadurch weiter verbessert, daß die gegeneinander beweglichen Massen nur in der unmittelbaren Nähe oder auf der Mittelachse mit Hilfe von Halteblöcken auf dem Substrat gehaltert sind.The temperature compensation was further improved in that the masses moving against each other only in the immediate Near or on the central axis with the help of holding blocks on the Substrate are supported.
Die Elektroden wurden kammartig gestaltet. Damit lassen sich größere Kapazitäten pro Grundflächeneinheit verwirklichen.The electrodes were designed like a comb. With that you can realize larger capacities per unit area.
Die massiveren Konstruktionsteile des Sensors wurden durch Ver strebungen ersetzt (Fachwerk), was sich positiv auf die Prozeß sicherheit des Sensors auswirkt. The more massive construction parts of the sensor were created by Ver aspirations replaced (truss), which has a positive effect on the process safety of the sensor affects.
Der Drehratensensor besteht aus einem temperaturkompensierten Beschleunigungssensor, der von einem Rahmen getragen wird. Der Rahmen ist über Federn auf dem Substrat befestigt. Über Aktoren wird der Rahmen und damit auch der Beschleunigungssensor zum Schwingen angeregt. Der Beschleunigungssensor erfährt somit eine sinusförmige Geschwindigkeit v, somit wirkt auf die seismische Masse bei Einwirkung einer Drehbewegung die Coriolis-Kraft Fc, die der Beschleunigungssensor detektieren kann. Ein gleich ge bauter Beschleunigungssensor wird zur Kompensation von linear Beschleunigungen eingesetzt. Wird die Eigenfrequenz des Drehra tensensors nur durch konstruktive Maßnahmen (Federkonstante, Massenänderung durch Fachwerk) hoch genug gelegt, so ist die störende Wirkung der Linearbeschleunigung vernachlässigbar. Überlagert sich der Coriolis-Kraft eine in y-Richtung gerichtete Linearbeschleunigung, so wird diese auch von dem Beschleuni gungssensor registriert. Das Differenzsignal zwischen Drehraten sensor und Beschleunigungssensor enthält das reine Corio lissignal.The rotation rate sensor consists of a temperature-compensated acceleration sensor that is supported by a frame. The frame is attached to the substrate via springs. The frame and thus also the acceleration sensor is excited to vibrate via actuators. The acceleration sensor thus experiences a sinusoidal speed v, and thus the Coriolis force F c , which the acceleration sensor can detect, acts on the seismic mass upon the action of a rotary movement. A similarly built acceleration sensor is used to compensate for linear accelerations. If the natural frequency of the rotary sensor is set high enough only by constructive measures (spring constant, mass change due to the framework), the disruptive effect of the linear acceleration is negligible. If the Coriolis force is superimposed on a linear acceleration directed in the y direction, this is also registered by the acceleration sensor. The difference signal between the rotation rate sensor and the acceleration sensor contains the pure Corio lis signal.
Die Aktoren bestehen aus zwei elektrostatischen Linearantrieben.The actuators consist of two electrostatic linear drives.
Die Schwingfeder besteht aus einer meandrierten Feder. Die Feder des Detektors ist ein einfacher Biegebalken. Die Halteblöcke sind rechteckige Flächen, die direkt mit dem Substrat verbunden sind. An den Halteblöcken befinden sich Ausleger, an denen die Schwingfedern befestigt sind.The oscillating spring consists of a meandered spring. The feather of the detector is a simple bending beam. The holding blocks are rectangular areas that are directly connected to the substrate are. There are brackets on the holding blocks, on which the Vibration springs are attached.
Dies gewährleistet, daß die linke und rechte Einspannungen der Schwingfedern bei einer Temperaturänderung sich nicht einseitig verschiebt und dadurch die Feder unter Spannung setzt. Dies würde die Eigenfrequenz der Schwingmode verändern.This ensures that the left and right restraints of the Vibration springs do not become one-sided when the temperature changes moves and thereby puts the spring under tension. This would change the natural frequency of the oscillation mode.
Der Aktor besteht zum einen aus einer Gegenelektrode, die in der Substratmitte befestigt ist. Entlang des massiven Arms der Ge genelektrode sind die Fingerelektroden befestigt. Diese greifen in die Fingerelektroden des Aktorarms, der gleichzeitig einen Teil des Rahmens darstellt.The actuator consists on the one hand of a counter electrode, which in the Middle of the substrate is attached. Along the massive arm of the Ge the finger electrodes are attached. These take hold into the finger electrodes of the actuator arm, which is also a Part of the frame.
Der Detektor weißt vier Gegenelektroden auf, die symmetrisch zur x-Achse angebracht sind (Vermeidung von Drehmomenten der Lagere gelung). Ihre Halteblöcke befinden sich in der Nähe der Substratmitte. Die Finger der linken Gegenelektroden liegen bzgl. der Finger der seismischen Masse auf der Außenseite, die der rechten Gegenelektrode auf der innen Seite.The detector has four counter electrodes that are symmetrical to the x-axis are attached (avoiding torque of the bearings success). Your holding blocks are near the Center of substrate. The fingers of the left counter electrodes lie regarding the fingers of the seismic mass on the outside, the the right counter electrode on the inside.
Der Rahmen hat keine Funktion, gewährleistet aber eine ähnliche Materialdichte wie beim Drehratensensor. Durch die gleiche Breite des Drehratensensors und des Beschleunigungssensor, wie der gleichen Materialdichte läßt sich eine gleichmäßigere Galva nik erreichen. D. h., die Höhe und damit auch die Kapazitäten der Sensoren stimmen besser überein. Letztlich bietet der Rahmen doch einen gewissen Vorteil. Die Haftung wird durch den zweiten Halteblock wesentlich verbessert, da so bei einem Stoß senkrecht zur Substratebene das auf den rechten Halteblock wirkende Drehmoment drastisch reduziert wird.The frame has no function, but ensures a similar one Material density as with the rotation rate sensor. By the same Width of the rotation rate sensor and the acceleration sensor, such as the same material density allows a more uniform galva nik reach. That is, the amount and thus the capacity of the Sensors match better. Ultimately, the framework offers but a certain advantage. Liability is enforced by the second Retaining block significantly improved, since it is vertical in the event of an impact to the substrate level that acting on the right holding block Torque is drastically reduced.
Die Rahmen der Sensoren sind sehr breit, was im Herstellungspro zeß einige Probleme bereitet. Durch einen verstrebten Rahmen können diese Probleme beseitigt werden.The frame of the sensors is very wide, what is in the pro causes some problems. Through a braced frame these problems can be eliminated.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt die Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des kapaziti ven Drehratensensor und Fig. 2 ein vergrößertes maßstäbliches Ausführungsbeispiel.The invention is explained below with reference to a game Ausführungsbei with the help of the figures. The Figure 1. 2 shows a simplified schematic representation of the kapaziti ven rotation rate sensor, and Fig. An enlarged full scale embodiment.
Eine auf den Sensor wirkende Kraft sorgt für eine Auslenkung der seismischen Masse gegen Gegenelektroden. Diese Auslenkung der seismischen Masse wird mit Hilfe eines kapazitiven Detektors be stimmt und die Auslenkung mit Hilfe einer an die Elektroden an gelegten Spannung kompensiert. Dabei ist die Größe der Kompensa tionsspannung ein Maß für die einwirkende Kraft.A force acting on the sensor deflects the seismic mass against counter electrodes. This deflection of the seismic mass is measured using a capacitive detector agrees and the deflection with the help of the electrodes voltage compensated. Here is the size of the compensa tension is a measure of the applied force.
Der rechte Teil der Fig. 1 zeigt einen schematischen Beschleu nigungssensor von oben. Das darunter liegende Keramiksubstrat ist nicht dargestellt. Die dargestellten Teile bestehen aus Nickel. Andere Metalle wie Kupfer und Nickel-Kobaltlegierungen sind ebenfalls möglich. Durch die Wahl des Metalls (Elastizi tätsmodul) kann zusätzlich die Schwingungsfrequenz verändert werden. Der Rahmen 2 wird mit Hilfe der beiden Halteblöcke 1 auf der Symmetrieachse auf dem Substrat gehaltert. Über die beiden Blattfedern 3 ist die seismische Masse 4 mit diesem Rahmen 2 verbunden. Durch die Ausbildung der Blattfedern 3 kann die seismische Masse 4 nur parallel zur Zeichenebene schwingen. Die seismische Masse 4 hat zwei rechteckige Ausnehmungen, an deren Rändern Elektroden 10 angebracht sind und in denen vier längliche Träger 5, 6, 7 und 8 für Gegenelektroden 11 angeordnet sind. Dabei greifen die jeweils kammartig angeordneten Elektro den 10 und Gegenelektroden 11 derart ineinander, daß sie Konden satoren bilden. Die Träger sind nur in unmittelbarer Nähe der Symmetrieachse mit Hilfe der Halteblöcke 9 auf dem Substrat be festigt.The right part of FIG. 1 shows a schematic acceleration sensor from above. The ceramic substrate underneath is not shown. The parts shown are made of nickel. Other metals such as copper and nickel-cobalt alloys are also possible. The oscillation frequency can also be changed by the choice of the metal (elasticity module). The frame 2 is held on the substrate by means of the two holding blocks 1 on the axis of symmetry. The seismic mass 4 is connected to this frame 2 via the two leaf springs 3 . Due to the formation of the leaf springs 3 , the seismic mass 4 can only oscillate parallel to the plane of the drawing. The seismic mass 4 has two rectangular recesses, on the edges of which electrodes 10 are attached and in which four elongate supports 5 , 6 , 7 and 8 for counterelectrodes 11 are arranged. In this case, the comb-like arranged in the electric 10 and counter-electrodes 11 interlock such that they form capacitors. The carriers are only in the immediate vicinity of the axis of symmetry with the help of the holding blocks 9 on the substrate be fastened.
Da sich die Halteblöcke 1 des Rahmens 2 auf dieser Symmetrie achse befinden, werden die Federn 3 bei Temperaturänderungen durch den Rahmen 2 nicht verspannt. Die Elektroden sind bezüglich der Längsachsen der Träger 5 bis 8 jeweils spiegelsymmetrisch angeordnet. Dadurch wird die Temperaturabhängigkeit der Kapazi täten in x-Richtung kompensiert. Die Elektroden 10, 11 sind spiegelsymmetrisch zur globalen Symmetrieachse (durch die beiden Halteblöcke 1) angeordnet und zwar derart, daß sich die Ka pazitäten bei diagonal gegenüberliegenden Trägern bei einer Auslenkung in y-Richtung gleichsinnig ändern. Dadurch wird er reicht, daß sich die entsprechenden Kapazitäten bei direkt ge genüber liegenden Trägern bei einer Auslenkung in y- Richtung gegensinnig ändern. Die beiden sich diagonal gegenüberliegenden Träger sind jeweils leitend mit einander verbunden (hier nicht dargestellt). Dadurch wird bei Kompensation der Auslenkung der seismischen Masse durch Anlegen einer Spannung kein zusätzliches Drehmoment erzeugt. Der Abstand zwischen einer Elektrode und ihren beiden unmittelbar benachbarten Gegenelektroden (und umgekehrt) ist mit d1 und d2 bezeichnet. Durch geeignete Wahl dieses Abstandsverhältnisses kann die Empfindlichkeit des Be schleunigungssensors optimiert werden. Das Abstandsverhältnis liegt üblicherweise zwischen 0,2 und 0,6. Der Abstand d ist in der Größenordnung von einigen µm. Anstelle des Rahmens 2 mit den zwei Halteblöcken 1 genügt auch ein Halteblock 1 mit einem Hal tebalken (rechter Teil des Rahmens 2).Since the holding blocks 1 of the frame 2 are on this axis of symmetry, the springs 3 are not braced by the frame 2 when the temperature changes. The electrodes are each arranged in mirror symmetry with respect to the longitudinal axes of the supports 5 to 8 . This compensates for the temperature dependence of the capacities in the x direction. The electrodes 10 , 11 are arranged mirror-symmetrically to the global axis of symmetry (through the two holding blocks 1 ) and in such a way that the capacities in diagonally opposite carriers change in the same direction with a deflection in the y direction. As a result, it is sufficient that the corresponding capacities change in the opposite direction in the case of a deflection in the y direction in the case of directly opposite carriers. The two diagonally opposite supports are each conductively connected to one another (not shown here). As a result, no additional torque is generated when the deflection of the seismic mass is compensated for by applying a voltage. The distance between an electrode and its two immediately adjacent counter electrodes (and vice versa) is denoted by d1 and d2. The sensitivity of the acceleration sensor can be optimized by a suitable choice of this distance ratio. The distance ratio is usually between 0.2 and 0.6. The distance d is of the order of a few µm. Instead of the frame 2 with the two holding blocks 1 , a holding block 1 with a Hal tebalken is sufficient (right part of the frame 2 ).
Der linke Teil der Fig. 1 zeigt einen schematischen Drehraten sensor von oben. Das darunter liegende Keramiksubstrat ist nicht dargestellt. Der mittlere Teil des Rahmens 2 ist identisch mit dem des Beschleunigungssensors rechts. Er enthält die gleichen funktionellen Bauteile. Der Rahmen ist jedoch oben und unten nach beiden Seiten verlängert, sodaß links und rechts des inne ren Rahmens zwei weitere Ausnehmungen entstehen. Die Halteblöcke 1 sind nach außen verlagert. Der innere Teil des Rahmens 2 ist über 4 Schwingfedern mit zwei Tragwerksbalken, die über die Haftblöcke 1 auf dem Substrat befestigt sind, verbunden. In den beiden äußeren Ausnehmungen des Rahmens 2 sind zwei Aktoren 13 mit den dazugehörigen Elektroden 14, die fest mit dem Substrat verbunden sind, angeordnet. Die Elektroden 14 sind alternierend am Rahmen 2 und am Aktor 13 befestigt und greifen kammartig und äquidistant ineinander. Diese Aktoren 13 dienen dem Linearantrieb des Drehratensensors.The left part of FIG. 1 shows a schematic rotation rate sensor from above. The ceramic substrate underneath is not shown. The middle part of the frame 2 is identical to that of the acceleration sensor on the right. It contains the same functional components. However, the frame is extended up and down to both sides, so that two further recesses are created to the left and right of the inner frame. The holding blocks 1 are shifted to the outside. The inner part of the frame 2 is connected via 4 oscillating springs to two supporting beams which are attached to the substrate via the adhesive blocks 1 . In the two outer recesses of the frame 2 , two actuators 13 with the associated electrodes 14 , which are firmly connected to the substrate, are arranged. The electrodes 14 are alternately fastened to the frame 2 and the actuator 13 and engage in a comb-like and equidistant manner. These actuators 13 serve to drive the yaw rate sensor linearly.
Bei der maßstäblichen Darstellung des Drehratensensors von Fig. 2 ist rechts der Beschleunigungssensor (Kantenlänge 2,9 × 3,5 mm) dargestellt. Alle tragenden Elemente (Träger 5 bis 8, Rahmen 2 und seismische Masse 4) sind als Fachwerk ausgebildet.In the full-scale representation of the rotation rate sensor of FIG. 2, the acceleration sensor (an edge length of 2, 9 × 3.5 mm) is shown to the right. All load-bearing elements (beams 5 to 8 , frame 2 and seismic mass 4 ) are designed as trusses.
Im linken Teil des Rahmens 2 fehlen die Verstrebungen. Dies soll dem oberen und unteren Teil des Rahmens 2 bei einer Temperatu ränderung die Möglichkeit geben sich auszudehnen oder zusammen zuziehen ohne dabei die Einspannung der Blattfedern 3 am rechten Teil des Rahmens 2 nach außen zu verschieben und somit das Meß signal zu verfälschen. Die geringere Steifigkeit des linken Rah menteils läßt diesen nachgeben und somit die Längenänderung auf fangen.The struts are missing in the left part of frame 2 . This should give the upper and lower part of the frame 2 at a temperature change the possibility to expand or contract without moving the clamping of the leaf springs 3 on the right part of the frame 2 to the outside and thus distort the measurement signal. The lower rigidity of the left frame member allows it to give way and thus catch the change in length.
Der eigentliche Drehratensensor ist links in Fig. 2 dargestellt. Hier ist der gesamte Rahmen 2, die seismische Masse 4. Die Trä ger 5, 6, 7 und 8 und die Aktoren 13 als Fachwerk ausgebildet.The actual yaw rate sensor is shown on the left in FIG. 2. Here is the entire frame 2 , the seismic mass 4 . The Trä ger 5 , 6 , 7 and 8 and the actuators 13 formed as a framework.
Die vergrößerten Ausschnitte über dem Drehratensensor zeigen links einen Anschlag 12 und rechts das Ineinandergreifen von Elektroden 10 und Gegenelektroden 11. Die Anschläge begrenzen den Ausschlag der seismischen Masse 4 und verhindern so die Be schädigung der Elektroden 10 und 11.The enlarged sections above the rotation rate sensor show a stop 12 on the left and the interlocking of electrodes 10 and counter electrodes 11 on the right. The attacks limit the deflection of the seismic mass 4 and thus prevent damage to the electrodes 10 and 11 .
Das LIGA-Verfahren mit Opferschicht, wie es z. B. in der DE-OS 37 27 142 beschrieben ist eignet sich gut zur Herstellung des Beschleunigungssensors und des Drehratensensors.The LIGA process with sacrificial layer, as it is e.g. B. in DE-OS 37 27 142 is well suited for the production of Acceleration sensor and the rotation rate sensor.
Das Tragwerk (Träger 5 bis 8, Rahmen 2 und seismische Masse 4) ist bis zu 250 µm breit. Beim Ätzen der Opferschicht muß nun die Ätze die ganze Breite des Tragwerks unterätzen. Ist die Ätze einmal unter das Tragwerk vorgedrungen, so wird die verbrauchte Ätze nur durch Diffusion gegen neue Ätze ausgetauscht. Das Un terätzen des Tragwerks läuft daher sehr langsam ab. Zusätzlich setzen die geomterischen Randbedinungen des Sensors die Ätzge schwindigkeit weiter herab. Das Tragwerk steht nicht frei auf dem Substrat, sondern ist teilweise von anderen Sensorteilen eingerahmt, die somit den freien Zufluß der Ätze weiter hindern. Die Erfahrung beim Beschleunigungssensor gemäß DE-OS 37 27 142 zeigt, daß das Freiätzen unter diesen Bedingungen bis zu sechs Stunden betragen kann.The structure (beams 5 to 8 , frame 2 and seismic mass 4 ) is up to 250 µm wide. When etching the sacrificial layer, the etches must now undercut the entire width of the structure. Once the etching has penetrated under the structure, the used etching is only exchanged for new etching by diffusion. Underestimating the structure is therefore very slow. In addition, the geometrical boundary conditions of the sensor further reduce the etching speed. The structure is not free on the substrate, but is partly framed by other sensor parts, which thus further prevent the free flow of the etches. Experience with the acceleration sensor according to DE-OS 37 27 142 shows that the free etching can take up to six hours under these conditions.
Daher wurden durch die Ausbildung des Tragwerks als Fachwerk die zu unterätzenden Strecken möglichst klein gehalten. Therefore, the training of the structure as a framework kept as small as possible to undercut routes.
Dieses wurde durch das Ersetzen der massiven Balken im Tragwerk durch Fachwerkbalken erreicht. So ließ sich die maximal zu un terätzende Strecke auf 50 µm herabsetzen. Zusätzlich wird der Weg für die Ätze zum Boden des Substrats durch die vielen großen Öffnungen wesentlich erleichtert. Damit läßt sich die Ätzzeit von sechs Stunden auf ca. 30 min reduzieren, und somit das Haf tungsprobleme sehr entschärfen.This was done by replacing the massive beams in the structure reached by truss beams. So the maximum was too un Reduce the etching distance to 50 µm. In addition, the Path for the etches to the bottom of the substrate through the many large ones Openings much easier. This allows the etching time reduce from six hours to about 30 minutes, and thus the port mitigate problems very much.
Durch das Fachwerk nimmt die Steifigkeit des Balken etwas ab. Mit Hilfe von FEM-Berechnungen wurde die Breite des Fachwerkbal kens so angepaßt, daß die ursprüngliche Steifigkeit eines massi ven 250 µm Balkens wieder erreicht wird.The stiffness of the beam decreases somewhat due to the truss. With the help of FEM calculations, the width of the half-timbered kens adjusted so that the original stiffness of a massi ven 250 µm bar is reached again.
Als weiterer positiver Nebeneffekt sinkt die Masse der Trag werks. Somit konnte die Federsteifigkeit der Schwingfeder herab gesetzt werden, was zu kleineren Zugspannungen an den Federn führt. Dies läßt größere Schwingungsamplituden der seismischen Masse zu, was zu einer Erhöhung der Auflösung um ca. 10% führt.As a further positive side effect, the mass of the load decreases works. The spring stiffness of the oscillating spring could thus be reduced be set, resulting in smaller tensile stresses on the springs leads. This leaves larger vibration amplitudes of the seismic Mass, which leads to an increase in the resolution of about 10%.
Der elektrische Kontakt der Gegenelektroden wird durch Goldlei terbahnen nach außen geführt. Dabei laufen diese zwangsweise auch unter der seismischen Masse durch und verursachen so para sitäre Kapazitäten, die die elektrische Auswertung der Meßsi gnale erschweren. Durch das Fachwerk ist die Fläche des Trag werks des Detektors zur darunter verlaufenden Leiterbahn ver kleinert worden. Damit ist deren parasitäre Kapazität linear zur Flächenabnahme gesunken.The electrical contact of the counter electrodes is made by Goldlei tracks led to the outside. These are forced to run also under the seismic mass and cause para Sita capacities that the electrical evaluation of the Meßsi complicate. The area of the support is due to the truss works of the detector to the conductor track below been reduced. The parasitic capacitance is thus linear to Decrease in area decreased.
Bei der LIGA-Technik sind wegen des hohen Aspektverhältnisses größere Kapazitäten als in Silizium-Technik möglich.LIGA technology is due to the high aspect ratio Larger capacities than possible in silicon technology.
Als Substratmaterial läßt sich Keramik verwenden. Dies bildet mit dem darüber liegenden Nickelelementen keine parasitäre Kapa zitäten aus. In der Silizium-Technik wird meist auch Silizium als Substrat verwendet. Da Silizium ein Halbleiter ist, bildet es mit dem darüber liegenden Silizumteilen eine parasitäre Ka pazität, die sich ungünstig auf die elektronische Regelung und Auswertung des Sensors auswirkt.Ceramic can be used as the substrate material. This forms with the overlying nickel elements no parasitic Kapa out. Silicon technology usually also uses silicon used as a substrate. Since silicon is a semiconductor, forms there is a parasitic Ka with the overlying silicon capacity that adversely affects electronic regulation and Evaluation of the sensor affects.
Der Sensor wird in Lageregelung betrieben. D. h., daß die Steu erelektronik jeder registrierten Auslenkung der seismischen Masse durch Spannungsänderungen an den Gegenelektroden entgegen wirkt. Die Auslenkung der seismische Masse wird durch die Elek tronik quasi auf null gehalten. Dies ist notwendig, da sonst die seismische Masse, wegen der gefederten Aufhängung, nach einer Auslenkung ungedämpft weiter schwingen würde.The sensor is operated in position control. That is, the tax electronics of every registered deflection of the seismic Mass counter to changes in voltage at the counter electrodes works. The deflection of the seismic mass is caused by the elec tronik virtually kept to zero. This is necessary because otherwise the seismic mass, due to the sprung suspension, after a Deflection would continue to swing undamped.
11
Halteblöcke für den Rahmen
Holding blocks for the frame
22nd
Rahmen
frame
33rd
Blattfedern
Leaf springs
44th
Seismische Masse
Seismic mass
55
Träger für Gegenelektroden
Support for counter electrodes
66
Träger für Gegenelektroden
Support for counter electrodes
77
Träger für Gegenelektroden
Support for counter electrodes
88th
Träger für Gegenelektroden
Support for counter electrodes
99
Halteblöcke für die Träger Holding blocks for the carriers
55
, ,
66
, ,
77
, und , and
88th
1010th
Elektroden
Electrodes
1111
Gegenelektroden
Counter electrodes
1212th
Anschläge
attacks
1313
Aktoren
Actuators
1414
Aktorenelektroden
Actuator electrodes
1515
Schwingfedern
Oscillating springs
Claims (6)
- a) einer federnd gelagerten spiegelsymmetrisch ausgebildeten seismischen Masse (4), an der kammartig Elektroden (10) be festigt sind,
- b) mindestens zwei Gruppen von spiegelsymmetrisch angeordne ten kammartigen Gegenelektroden (11), die jeweils an einem Träger (5, 7) befestigt sind und zwischen die an der seismischen Masse (4) befestigten Elektroden (10) eingrei fen, wobei die Träger (5, 7) der Gegenelektroden (11) al lein im Bereich der der Symmetrieachse am nächsten liegen den Punkte (9) auf einem Keramikträger befestigt sind,
- c) einem Rahmen (2), an dem über zwei Blattfedern (3) die seismische Masse (4) befestigt ist,
- d) zwei Aktoren (13) zur Schwingungsanregung des Rahmens (2),
- e) mindestens zwei Haltepunkten (1) auf dem Keramikträger zur Befestigung des Rahmens (2)
- f) und im Rahmen (2) integrierten Schwingfedern (15).
- a) a spring-mounted mirror-symmetrical seismic mass ( 4 ) on which comb-like electrodes ( 10 ) are fastened,
- b) at least two groups of mirror-symmetrically arranged comb-like counter-electrodes ( 11 ), each of which is attached to a support ( 5 , 7 ) and between the electrodes ( 10 ) attached to the seismic mass ( 4 ), the supports ( 5 , 7 ) the counterelectrodes ( 11 ) are attached to a ceramic support alone in the area of the points ( 9 ) closest to the axis of symmetry,
- c) a frame ( 2 ) on which the seismic mass ( 4 ) is fastened via two leaf springs ( 3 ),
- d) two actuators ( 13 ) for vibrating the frame ( 2 ),
- e) at least two holding points ( 1 ) on the ceramic carrier for fastening the frame ( 2 )
- f) and in the frame ( 2 ) integrated oscillating springs ( 15 ).
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|---|---|---|---|
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