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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanisch herstellbaren
Drehratensensor.
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Drehratensensoren
(Gyroskope) messen die Rotationsgeschwindigkeit eines Systems um
eine unbekannte Achse durch Detektion der Coriolis-Kraft. In der
WO 98/23917 A1 ist ein Drehratensensor als mikromechanisches Bauelement
beschrieben, bei dem ein Ring mit einer starren Strebe längs eines
Durchmessers an elastischen Verstrebungen und Verankerungen so auf
einem Substrat aufgehängt
ist, daß er
Drehschwingungen um seine Mittenachse ausführen kann und bei Einwirkung äußerer Drehmomente
um die Strebe verkippt werden kann. Es sind an dem Ring und an dem
Substrat Elektroden vorhanden, an die elektrische Spannungen derart
angelegt werden können,
daß Drehschwingungen
des Ringes um seine Mittenachse angeregt werden können und
Drehschwingungen um die Strebe detektiert werden können.
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Bisher
bekannte mikromechanisch herstellbare Drehratensensoren basieren
auf resonanten Strukturen, da vollständig rotierende Strukturen
wie etwa beim Kreiselkompaß erhebliche
technische Schwierigkeiten bei der Herstellung und insbesondere
bei den Lagern eines rotierenden Elementes aufwerfen. Die erreichbare
Detektionsgrenze in Winkelgrad pro Sekunde ist durch technologische
Schwankungen bei der Herstellung und durch grundsätzliche physikalische
Grenzen bestimmt. Ein wesentlicher Nachteil der resonanten Strukturen
ist, daß eine
störende
Schwingungskopplung zwischen der Antriebs- und der Detektionsschwingung
auftritt. Die dadurch hervorgerufenen Fehlersignale, die als Quadraturfehler
bekannt sind, stören
die Nullpunktstabilität
eines Drehratensensors erheblich. Nur durch deutliche Erhöhung der
Signalamplitude könnte
diese Schwierigkeit behoben werden.
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Aus
der
JP 07071965 A ist
ein Drehratensensor mit einem durch elektrostatische Anziehung freischwebenden
Rotationselement in Form einer massiven, aus isolierendem Material
bestehenden Scheibe offenbart, die sowohl auf ihrer Ober- und Unterseite
einzelne als Elektroden dienende Metallfilme aufweist. Die Scheibe
wird durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Metallfilmen
der Scheibe sowie ober- und unterhalb der Scheibe angebrachte und
mit elektrischen Potentialen beaufschlagte Elektroden zu letzteren
beabstandet gehalten und in Drehbewegung versetzt. Problematisch
bei diesem Drehratensensor ist die Stabilisierung der Scheibe.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanisch herstellbaren
Drehratensensor mit verbesserter Stabilisierung des Rotationselements
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Drehratensensor mit den Merkmalen den Anspruches
1 gelöst. Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Drehratensensor
wird ein ringförmiges,
elektrisch leitendes Rotationselement, vorzugsweise ein Polysiliziumring, durch
elektrostatische Kräfte
in einer speziellen Anordnung von Elektroden ohne mechanischen oder elektrischen
Kontakt in der Schwebe gehalten und schwebend in Rotation versetzt.
Durch die Strukturierung des Rotationselementes in Segmente mit
unterschiedlichen radialen Abmessungen und eine geeignete mehrphasige
Ansteuerung mittels segmentierter Elektroden wird ein Drehmoment
auf das schwebende Rotationselement ausgeübt, das die Rotation herbeiführt. Die
Regelung der Lage des Rotationselementes und die Detektion einer
auftretenden Corioliskraft erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels
der segmentierten Elektroden. Die Corioliskraft und das durch sie
hervorgerufene Sensorsignal können
durch Erhöhung
der Drehzahl des Rotationselementes extrem gesteigert werden, so
daß der
Drehratensensor eine beachtliche Empfindlichkeit aufweist. Ein wesentlicher
Vorteil des erfindungsgemäßen Drehratensensors
ist, daß Störmoden der
Schwingung mit ihrer Frequenz weit außerhalb der Frequenzbandbreite der
Sensorsignale liegen und keine Verschlechterung der Nullpunktstabilität bewirken.
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Es
folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Drehratensensors
anhand der 1 bis 9.
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Die 1, 3 und 4 zeigen
Ausführungsformen
der Anordnung der Elektroden in Aufsicht.
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Die 2 und 6 zeigen
die Formen zweier Ausführungsbeispiele
des Rotationselementes in Aufsicht.
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Die 5 zeigt
einen schematisch vereinfachten Querschnitt eines Drehratensensors.
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Die 7 bis 9 zeigen
seitliche Ansichten auf drei verschiedene Positionen eines Rotationselementes
zwischen den Elektroden zur Erläuterung
des Antriebsprinzips.
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Um
eine elektrisch hinreichend leitfähige Platte ohne eigenen elektrischen
Anschluß zwischen horizontal
ausgerichteten und vertikal übereinander angeordneten
Kondensatorplatten in der Schwebe zu halten, sind mindestens zwei
voneinander isolierte Kondensatorplatten oberhalb der schwebend
zu haltenden Platte erforderlich, zwischen denen eine geeignete
elektrische Potentialdifferenz angelegt wird. Sind unterhalb der
Platte ebenfalls zwei Kondensatorplatten mit dazwischen anliegender
Potentialdifferenz vorhanden, wird die durch die oberen Kondensatorplatten
auf die Platte ausgeübte
und nach oben gerichtete (weil stets anziehende) Kraft bis zu einem gewissen
Grad kompensiert durch eine nach unten gerichtete Kraft, die durch
die unteren Kondensatorplatten auf die Platte ausgeübt wird.
Bei geeigneter Wahl und Nachregulierung der Potentialdifferenzen kann
die Platte innerhalb enger Grenzen in der Schwebe gehalten werden.
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Ein
einfaches Modell, das eine Verkippung der gehaltenen Platte nicht
berücksichtigt,
soll verdeutlichen, daß prinzipiell
die erforderlichen Spannungen in Abhängigkeit von den relevanten
physikalischen und geometrischen Größen rechnerisch bestimmt werden
können,
ohne daß es
dazu weiterer erfinderischer Tätigkeit
bedarf. Wenn die Anzahl der oberen Kondensatorplatten gleich der
Anzahl der unteren Kondensatorplatten ist und alle Kondensatorplatten
dieselbe Fläche
besitzen, ist das elektrische Potential der schwebenden Platte UP = [(d/2 – z)(U11 + U12 + .. + U1n) + (d/2 + z)(U21 +
U22 + .. + U2n)
+ Q(d2/4 – z2)/(Aε0)]/(nd);dabei
ist
- d
- der Luftspalt zwischen
den Kondensatorplatten,
- z
- der Abstand der Platte
von ihrer Mittenposition zwischen den Kondensatorplatten in Richtung nach
oben,
- U1i
- das an der i-ten unteren
Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential,
- U2i
- das an der i-ten oberen
Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential,
- Q
- die auf der Platte
vorhandene elektrische Ladung,
- A
- die Fläche einer
Kondensatorplatte,
- ε0
- die elektrische Feldkonstante
(absolute Dielektrizitätskonstante)
und
- n
- die Anzahl der oberen
bzw. unteren Kondensatorplatten.
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Die
Dicke der schwebenden Platte wurde dabei vernachlässigt.
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Die
durch die i-te untere Kondensatorplatte auf die schwebende Platte
ausgeübte
Kraft ist dann F1i =
(U1i – UP)2·Aε0/(d/2
+ z)2;die durch die i-te obere Kondensatorplatte
auf die schwebende Platte ausgeübte
Kraft ist entsprechend F2i =
(U2i – UP)2·Aε0/(d/2 – z)2;die auf die Platte wirkende resultierende
Gesamtkraft nach oben ist gleich der Summe aller F2i vermindert um
die Summe aller F1i.
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Um
eine Verkippung der schwebenden Platte vermeiden zu können, verfügt der erfindungsgemäße Drehratensensor
oben und unten jeweils über mindestens
drei als Kondensatorplatten fungierende Elektroden.
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Die
stets anziehenden elektrostatischen Kräfte ziehen eine schwebende
Platte ins Innere des durch die Elektroden gebildeten Kondensators,
so daß die
Fläche,
in der sich die Platte und die Elektroden in vertikaler Blickrichtung überlappen,
immer am größten ist.
Darauf beruht der Antrieb, mit dem das Rotationselement in Drehung
versetzt wird. Das Rotationselement ist so gestaltet, daß es in
aufeinanderfolgenden Segmenten unterschiedliche radiale Abmessungen
aufweist. Dadurch wird bei einer Drehbewegung des Rotationselementes
die Fläche
der Überlappung
mit einem bestimmten Paar von Elektroden variiert. Eine zyklische
und in Phasen unterteilte Ansteuerung der Elektroden mit beaufschlagten Potentialen
ermöglicht
es, eine anziehende Kraft jeweils in der Richtung desselben Drehsinnes
auf das Rotationselement auszuüben
und so ein Drehmoment zu generieren.
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1 zeigt
in Aufsicht die Anordnung dreier Elektroden in drei zum Winkel 120° rotationssymmetrisch
liegenden Kreisringsektoren.
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2 zeigt
eine dazu passende Form des Rotationselementes in Aufsicht. Das
Rotationselement ist hier ein Ring mit drei rotationssymmetrisch zum
Winkel 120° angebrachten
Verbreiterungen 5. Diese Verbreiterungen sind dadurch gebildet,
daß in drei
Segmenten des Ringes sich die radialen Abmessungen von der übrigen Breite
des Ringes unterscheiden. Diese Verbreiterungen dienen zum Antrieb des
Ringes mittels der oberhalb und unterhalb angebrachten Elektroden
mit einer Form, wie sie in Aufsicht in 1 dargestellt
ist.
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3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung der Elektroden mit einer Unterteilung
in vier Segmente. Aus Gründen
der Optimierung des Antriebs sind aber dreizählige Symmetrien vorzuziehen,
bei denen der kleinste Winkel der Rotationssymmetrie ein durch drei
teilbarer ganzzahliger Bruchteil von 360° ist (120° [÷3], 60° [÷6], 40° [÷9], 30° [÷12], 24° [÷15], 20° [÷18]).
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Um
die Zentrierung des schwebenden Rotationselementes zu gewährleisten,
ist es von Vorteil, wenn die Elektroden in zwei konzentrische Kreisringe aufgeteilt
sind, wie das in 4 in Aufsicht dargestellt ist.
Ein ringförmiges
Rotationselement kann mit voneinander verschiedenen elektrischen
Potentialen an den inneren und den äußeren Elektroden in eine zu
den Elektroden konzentrische Position gezogen werden. Damit wird
die Lage der Drehachse stabilisiert.
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5 zeigt
einen schematisch vereinfachten Querschnitt eines Drehratensensors.
Das Rotationselement 3 wird zwischen den Elektroden 4 in
der Schwebe gehalten. Die Elektroden 4 sind auf einem Substrat 1 oder
einem Halbleiterchip bzw. an einem Deckel 2 oder einem
zweiten Substrat, das mit dem ersten z. B. mittels Waferbonding
verbunden ist, angebracht.
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6 zeigt
eine alternative Ausgestaltung eines ringförmigen Rotationselementes in
Aufsicht. Hierbei besteht die unterschiedliche Ausgestaltung in einzelnen
Segmenten nicht in einer Verbreiterung des Ringes, sondern in den
in dem Ring vorhandenen Aussparungen 6, von denen in der 6 als
Beispiel drei eingezeichnet sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß wegen
der gegenüber
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 größeren Ringfläche und damit
größeren Fläche der Überlappung
mit den Elektroden eine bessere Stabilisierung der Position des
Rotationselementes möglich
ist. Darüber
hinaus ist der breitere Ring mechanisch stabiler und besitzt ein
größeres Trägheitsmoment.
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Sobald
eine Aussparung 6 in dem Rotationselement 3 beginnt,
sich mit einer Elektrode 4 in vertikaler Blickrichtung
zu überlappen,
wird das an dieser Elektrode anliegende Potential auf das Potential
auf dem Rotationselement oder floating geschaltet. Dadurch wird
erreicht, daß sich
die Fläche
der Überlappung
von Aussparung und Elektrode ohne Auftreten einer rückstellenden
Kraft vergrößern kann.
Die zu der betreffenden Aussparung benachbarten Elektroden werden
mit einer hohen Potentialdifferenz beaufschlagt, um ein an dem Rotationselement
angreifendes Drehmoment zu erzeugen.
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Die 7 bis 9 erläutern das
Antriebsprinzip. Dazu sind in einer seitlichen Ansicht jeweils drei
untere Elektroden U11, U12,
U13 und drei obere Elektroden U21,
U22, U23 eingezeichnet,
zwischen denen ein ringförmiges
und mit Verbreiterungen 5 versehenes Rotationselement 3 angeordnet
ist. Der dargestellte Rand des Rotationselementes bewege sich in
diesem Beispiel nach rechts, so daß die in 7 auf
der linken Seite eingezeichnete Verbreiterung 5 des Rotationselementes 3 im
Verlauf der Rotation zunächst
zwischen die Elektroden U11 und U21, dann zwischen die Elektroden U12 und U22 und dann
zwischen die Elektroden U13 und U23 gelangt, während die auf der rechten Seite
eingezeichnete Verbreiterung 5 hinter die Zeichenebene
verschwindet und sich rückseitig
nach links bewegt.
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Die
Elektroden, zwischen die eine Verbreiterung 5 des Rotationselementes
aktuell gezogen wird, werden auf das Potential UP des
Rotationselementes gelegt, während
an die Elektrodenpaare davor und dahinter Potentialdifferenzen angelegt
werden. So ergeben sich in dem dargestellten Beispiel für die Konstellation
in 7 folgende Relationen der Potentiale:
U11 = U21 = UP, U12 > UP,
U13 < UP, U22 > UP,
U23 < UP; für
die Konstellation in 8:
U12 =
U22 = UP, U11 > UP, U13 < UP,
U21 > UP, U23 < UP; und
für die
Konstellation in 9:
U13 =
U23 = UP, U12 > UP, U12 < UP,
U21 > UP, U22 < UP.
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Eine
auftretende Coriolis-Kraft wird detektiert durch Auswertung der
elektrischen Spannungen, die an die Elektroden angelegt werden müssen, um
das Rotationselement in seiner Rotationsebene zu halten. Solange
der Drehratensensor horizontal ausgerichtet bleibt, erfordern die
Kompensation der Gravitation und geradliniger Beschleunigungen gleich
große
elektrostatische Kräfte
an allen Elektrodenpositionen. Eine Coriolis-Kraft infolge einer
Verkippung des Drehratensensors tritt als Drehmoment in Erscheinung,
das nur durch unterschiedlich starke Kräfte und daher nur durch unterschiedliche
Potentiale an den Elektroden kompensiert werden kann. Die erforderlichen
Potentialdifferenzen können
ermittelt und daraus die Größe der Coriolis-Kraft
bestimmt werden. Ein Vorteil gegenüber resonanten Strukturen ist
hierbei, daß keine
Auswirkungen der Aufhängung
des Rotationselementes auf die Resonanzfrequenzen der Antriebs-
und der Coriolisschwingung berücksichtigt
zu werden brauchen.