EP1606582A1 - Mikromechanischer drehratensensor - Google Patents

Mikromechanischer drehratensensor

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Publication number
EP1606582A1
EP1606582A1 EP03767426A EP03767426A EP1606582A1 EP 1606582 A1 EP1606582 A1 EP 1606582A1 EP 03767426 A EP03767426 A EP 03767426A EP 03767426 A EP03767426 A EP 03767426A EP 1606582 A1 EP1606582 A1 EP 1606582A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotation rate
tuning fork
resonator structure
natural frequency
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03767426A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Rose
Matthias Aikele
Helmut Seidel
Karin Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
Conti Temic Microelectronic GmbH
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Conti Temic Microelectronic GmbH, EADS Deutschland GmbH filed Critical Conti Temic Microelectronic GmbH
Publication of EP1606582A1 publication Critical patent/EP1606582A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • a micromechanical rotation rate sensor is known from DE 1 95 28 961 A1. It has the shape of a tuning fork. The prongs of the tuning fork lie in planes parallel to the surface of the semiconductor wafers, from which the tuning fork was structured using micromechanical techniques. To measure rotation rates, the tines are excited to vibrate in a plane perpendicular to the wafer plane.
  • a sensor element which registers the torsion of the tuning fork suspension, measures the angular velocity of a rotation of the sensor about an axis parallel to the tuning fork suspension.
  • the sensor element is integrated, for example, as a piezoelectric sensor in the tuning fork suspension.
  • a group of electrodes are connected to the tuning fork suspension as a capacitive transmitter and a group of counter electrodes are arranged in the cover of the tuning fork housing.
  • a third type of sensor element optically scans the torsional movement of the tuning fork suspension with the aid of laser light and a Michelson interferometer.
  • a disadvantage of these known sensor elements is their basically amplitude-modulated output signal, which is particularly susceptible to interference due to the type of modulation and has a poor signal-to-noise ratio.
  • a microsensor with a resonator structure in which the resonance frequency of the resonator structure serves as the output signal of the microsensor.
  • This known microsensor for measuring lateral Accelerations consist of a seismic mass which is mounted so that it can vibrate in a frame and a resonator structure which is connected to the seismic mass on the one hand via a lever mechanism and on the other hand to the frame. Accelerations occurring in the sensitivity axis cause changes in the position of the seismic mass with respect to the frame and consequently detune them
  • Natural frequency of the resonator structure Due to the change in the natural frequency of the resonator, the acceleration acting on the mass in the sensitivity axis is determined by means of a suitable electronic circuit.
  • this type of microsensor is only suitable to a limited extent for measuring a rotation rate, since there are always several sensors with carefully coordinated sensors
  • Sensitivity axes are necessary and the signal processing is very complex.
  • the object of the invention is to provide a micromechanical rotation rate sensor which delivers a frequency-modulated output signal.
  • This task is performed by a micromechanical rotation rate sensor with the
  • a resonator structure with at least one natural frequency is provided.
  • the sensor structure is with the
  • Resonator structure mechanically connected such that an acting rate of rotation changes the natural frequency of the resonator structure.
  • the change in the natural frequency of the resonator structure or a variable derived from the natural frequency of the resonator structure is evaluated as a measure of the rotation rate.
  • the change in the natural frequency of the resonator structure is recorded as a frequency-modulated output signal.
  • the frequency-modulated output signal enables an improved signal / noise ratio to be achieved.
  • the resonator structure includes a string or a beam as the vibrating part, as described in DE 1 98 1 2 773 A1.
  • the resonator structure includes a membrane or a plate as the oscillating part.
  • the vibrating part of the resonator structure is suspended from at least 2 points, preferably the end points. It is preferably thermally or capacitively or piezoelectrically or electromagnetically to vibrate in one
  • Natural frequency excited takes place thermally or capacitively or piezoelectrically or electromagnetically to vibrations in the vicinity of the natural frequency.
  • the vibrations of the resonator structure are detected piezoresistively or capacitively or piezoelectrically.
  • DE 1 98 1 2 773 A1 describes a preferred arrangement with thermal excitation and piezoresistive detection.
  • the micromechanical rotation rate sensor consists of a tuning fork suspended in a frame with at least two tuning fork tines, a base connecting the tuning fork tines and a tuning fork suspension.
  • the tuning fork is thus attached either to the frame or to another suitable location on the substrate.
  • At least one resonator structure which has a natural frequency is arranged between the tuning fork tines in such a way that vibrations of the tuning fork tines in the plane spanned by the frame lead to changes in the natural frequency of the resonator structure.
  • the micromechanical rotation rate sensor consists of a tuning fork suspended in a frame with at least two tuning fork tines, a base connecting the tuning fork tines and a tuning fork suspension. At least two resonator structures, each with a natural frequency, are each arranged between the tuning fork tines and the frame such that vibrations of the tuning fork tines in the plane spanned by the frame lead to changes in the natural frequencies of the resonator structures.
  • micromechanical rotation rate sensor In a further embodiment of the micromechanical rotation rate sensor according to the invention, a further, essentially identical one is within the frame
  • Tuning fork hung One of the two tuning forks becomes vibrations stimulated.
  • the other tuning fork is connected to the resonators and is used to measure the rate of rotation.
  • the micromechanical rotation rate sensor consists of a cylinder shell suspended in a frame, which is excited to vibrate in a first mode, and at least one resonator structure, which is located between the
  • Cylinder shell and the frame is arranged.
  • Two resonators are preferably used in order to eliminate first-order errors. For reasons of symmetry, the use of four resonators has also proven itself.
  • the resonator structures react with a change in their natural frequency.
  • the resonator structures are preferably arranged in pairs antisymmetrically displaced out of the vibration nodes of the first vibration mode toward one another. Due to this asymmetry, the sign of the
  • a resonator structure with at least one natural frequency which is mechanically connected to the sensor structure such that an acting rotation rate changes the natural frequency of the resonator structure, the resonator structure becomes Vibrations are excited at natural frequency and the change in the natural frequency of the resonator structure is evaluated as a measure of the rotation rate.
  • the change in the natural frequency of the resonator structure is preferably passed from a measuring sensor to an electronic evaluation system.
  • Figure 1 shows a rotation rate sensor with tuning fork and resonator structure.
  • FIG. 2 shows another rotation rate sensor with tuning fork.
  • FIG. 3a shows a rotation rate sensor with a double tuning fork.
  • FIG. 3b shows a further rotation rate sensor with a double tuning fork.
  • FIG. 4a shows a rotation rate sensor with an annular sensor structure in the
  • Figure 4b shows the rotation rate sensor with an annular sensor structure of the figure
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the micromechanical rotation rate sensor 1 of the invention. It consists of a tuning fork arrangement with a tuning fork suspension 2, a base 3 and a pair of tuning fork tines 4.
  • the tuning fork suspension connects the base to the frame 5 surrounding and supporting it.
  • the tuning fork is suspended within the frame so that it both vibrates the prongs can perform in and perpendicular to the plane of the frame as well as torsional vibrations around the tuning fork suspension.
  • the tuning fork suspension 2 is therefore dimensioned such that torsional vibrations of the tuning fork around the longitudinal axis of the tuning fork suspension 2 are made possible.
  • the tuning fork is excited to a torsional vibration around the tuning fork suspension when the sensor is operated.
  • the excitation is carried out by actuators (not shown in FIG. 1) based on electromagnetic, piezoelectric or capacitive effects.
  • Rate of rotation [Omega] around the axis A causes an antiphase oscillation of the tuning fork tines due to the Coriolis force.
  • the amplitude of the vibration is proportional to the rotation rate.
  • the tuning fork arrangement thus forms a sensor structure which reacts to an external rotation rate [Omega] in such a way that the torsional vibration around the
  • Tuning fork suspension under the influence of Coriolis forces cause vibrations of the tuning fork tines.
  • a resonator structure 6 which engages between the two tuning fork tines.
  • the resonator structure 6 preferably runs parallel to the base of the tuning fork and is connected at one end to a prong of the tuning fork.
  • the resonator structure detunes its natural frequency due to the vibration of the tuning fork prongs.
  • the change in the natural frequency provides a measure of the applied rotation rate and can be further processed in the form of a frequency-modulated signal.
  • the resonator structure 6 is only influenced by the readout mode. The sign of the vibration can be clearly determined.
  • the resonator structure 6 consists, for example, of an oscillatable beam which has means for exciting resonant vibrations and means for reading out the vibrations at one of the two ends. About a corresponding one
  • the resonator structure is always excited at the resonance frequency.
  • the frequency of the excitation signal (manipulated variable) can serve directly as a measured variable for the applied rotation rate.
  • a variable derived from the resonance frequency such as the phase relationship, can be used for control.
  • the phase reference with a PLL (Phase Locked Loop) component is mainly used in the evaluation electronics. The phase control can then be used to specifically set an operating point that does not have to lie directly on the resonance frequency.
  • resonator structures In addition to the vibrating beam, other types of resonator structures are also conceivable, such as a membrane or a plate, but the natural frequency of the resonator structure is always changed by the rotation rate acting from outside and the change in the natural frequency is recorded as a measure of the rotation rate. The change of the 'natural frequency is detected here as a frequency modulated signal.
  • FIG. 2 shows a further rotation rate sensor with a tuning fork arrangement
  • Resonators 6, 6 1 for frequency-modulated signal reading.
  • the tuning fork arrangement consists of the two, essentially parallel tines 4, which are connected to one another at their base points via the base 3 running perpendicularly thereto. At the free ends, the tines 4 have a widening 8.
  • the tuning fork suspension 2 connects the base to the frame 5 surrounding the tuning fork and supporting it.
  • the tuning fork is excited to vibrate in the so-called "walking mode", i.e. the tines swing in phase opposition in the plane perpendicular to the plane spanned by the frame. In the figures, this is represented by V and the symbols ⁇ and ®.
  • a rotation of the arrangement about the axis A with the rotation rate (Omega) results in a Coriolis force Fc, which acts on the tuning fork tines 4 of the arrangement. This in turn leads to antiphase oscillation of the tuning fork tines 4 in the plane spanned by the frame 5.
  • the movement of the tuning fork tines 4 periodically detunes both resonators 6, 6 '. Excitation in torsion mode is also possible. The selection depends on the design of the stiffness of the individual elements involved.
  • FIG. 3a shows a rotation rate sensor working according to the same principle of action with a double tuning fork, in which a first tuning fork is used exclusively for excitation and a second tuning fork is used exclusively for
  • the suggestion is on the right side, the reading on the left.
  • the read resonator structures are arranged between the prongs of the read structure and the frame.
  • the first tuning fork arrangement consists of the two, essentially parallel tines 4, which are connected to one another at their base points via the base 3 running perpendicularly thereto.
  • the tuning fork is anchored to the carrier of the micromechanical structure by means of the fixed point 1 0.
  • the tines 4 have a widening 8.
  • the second tuning fork arrangement has an equivalent structure and consists of the two, essentially parallel tines 4 ', which are connected to one another at their base points via the base 3' running perpendicularly thereto.
  • the second tuning fork is anchored to the carrier of the micromechanical structure like the first by means of the fixed point 10.
  • the tines 4 ' have a widening 8' at the free ends.
  • the resonators 6, 6 ' are now arranged between the tines 4' and the frame parts 5 which run parallel to the tines 4 ', to detect vibrations of the tines 4 'in the plane spanned by the frame.
  • the double tuning fork also serves to decouple excitation and readout locally.
  • the real geometric structures of the two tuning forks (Fig. 3a, b) will differ from each other (Fig. 3a and b suggest that the two tuning forks are exactly identical).
  • the real geometries should be chosen so that
  • the interference of the energy transfer by the coupling structure which transfers energy from the right to the left tuning fork, is minimal. In the present examples, it also serves as anchoring to the substrate.
  • FIG. 3b shows a further embodiment with a double tuning fork. It is constructed essentially analogously to the exemplary embodiment in FIG. 3a and differs from it only in the arrangement of the resonators. While in the arrangement according to FIG. 3a the resonators 6, 6 'are arranged between the prongs 4' of the tuning fork and the frame 5 surrounding the tuning fork, in the embodiment of FIG. 3b a resonator 9 is arranged between the two prongs 4 'of the second tuning fork and thus detects their vibrations relative to each other.
  • the resonator can, as shown in FIG. 3b, be arranged between the two widenings 8 or also directly between the prongs 4 '.
  • FIGS. 4a and 4b show a rotation rate sensor with an annular sensor structure, the sensor structure being shown in the "idle state" in FIG. 4a and in the deflected state in FIG. 4b.
  • the sensor structure of FIGS. 4a and 4b consists of a micromechanical cylindrical shell 22 which is excited to vibrate in the basic mode. Like the micromechanical tuning fork sensors described above, the cylinder shell is also produced using micromechanical techniques in a suitable substrate material.
  • the cylinder shell 22 is connected to the frame 5 embodied in the carrier material by a series of resonators 6, 6 ′ arranged in the form of a beam.
  • FIG. 4a shows a sensor structure that is not affected by a rotation rate.
  • the cylinder shell is designated in its two extreme positions of the vibration.
  • the cylinder shell 22 is excited to oscillate in the 1-mode during operation of the sensor.
  • the excitation takes place by actuators, not shown in FIGS. 4a and 4b, on the basis of electromagnetic, piezoelectric, capacitive or effects.
  • the resonator structures 6, 6 ' are preferably arranged in pairs antisymmetrically displaced out of the vibration nodes of the first vibration mode towards one another. This asymmetry reveals the sign of the vibration drifting out when a rotation rate is present.
  • resonator structures 6, 6 'in the form of an oscillating bar are preferably arranged around the cylinder shell 22 such that they each enclose an angle of less than 90 ° in pairs
  • the normal axis causes the Coriolis force to shift the vibration nodes or the antinodes of the 1-mode vibration.
  • FIG. 4b shows the arrangement of FIG. 4a in the event that a rotation rate acts on the sensor structure. Then the oscillation nodes and the antinodes of the cylinder shell 22 move under the influence of the Coriolis force.
  • Evaluation circuit from which the change in natural frequencies can be used to infer the yaw rate acting on the sensor structure from the outside.

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Abstract

Bei einem Mikromechanischer Drehratensensor mit einer auf eine von außen einwirkenden Drehrate reagierenden Sensorstruktur tritt bei bekannten Sensoren das Problem auf, dass aufgrund des Aufbaus der Sensoren, das die Drehrate charakterisierende Ausgangssignal als amplitudenmoduliertes Signal vorliegt und als solches besonders anfällig für Störungen ist und ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Gemäß der Erfindung ist eine Resonatorstruktur mit mind. einer Eigenfrequenz vorgesehen, wobei die eigentliche Sensorstruktur mit der Resonatorstruktur mechanisch derart verbunden ist, dass eine einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur ändert. Die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur bzw. eine von der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur abgeleitete Größe wird als Maß für die Drehrate ausgewertet.

Description

Beschreibung
Mikromechanischer Drehratensensor
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Aus der DE 1 95 28 961 A1 ist ein mikromechanischer Drehratensensor bekannt. Er weist die Form einer Stimmgabel auf. Die Zinken der Stimmgabel liegen in Ebenen parallel zu der Oberfläche der Halbleiterwafer, aus denen die Stimmgabel mit Techniken der Mikromechanik heraus strukturiert wurde. Zur Messung von Drehraten werden die Zinken in einer Ebene senkrecht zur Waferebene zu Schwingungen- angeregt. Ein Sensorelement, das die Torsion der Stimmgabelaufhängung registriert, misst die Winkelgeschwindigkeit einer Drehung des Sensors um eine zur Stimmgabelaufhängung parallele Achse. Das Sensorelement ist beispielsweise als piezoelektrischer Geber in die Stimmgabelaufhängung integriert. In einer alternativen Ausführungsform sind als kapazitiver Geber eine Gruppe von Elektroden mit der Stimmgabelaufhängung verbunden und eine Gruppe von Gegenelektroden- im Deckel des Gehäuses der Stimmgabel angeordnet. Eine dritte Art von Sensorelement tastet die Torsionsbewegung der Stimmgabelaufhängung optisch mit Hilfe von Laserlicht und einem Michelson-Interferometer ab. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Sensorelementen jedoch ihr grundsätzlich amplitudenmoduliertes Ausgangssignal, das aufgrund der Modulationsart besonders anfällig für Störungen ist und ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.
Aus der DE 1 98 1 2 773 A1 ist ein Mikrosensor mit einer Resonatorstruktur bekannt, bei der die Resonanzfrequenz der Resonatorstruktur als Ausgangssignal des Mikφsensors dient. Dieser bekannte Mikrosensor zur Messung von lateralen Beschleunigungen besteht aus einer in einem Rahmen schwingfähig gelagerten seismischen Masse und einer Resonatorstruktur, die einerseits über ein Hebelwerk mit der seismischen Masse und andererseits mit dem Rahmen verbunden ist. In der Empfindlichkeitsachse auftretende Beschleunigungen bewirken Änderungen der Lage der seismischen Masse bezüglich des Rahmens und verstimmen in Folge die
Eigenfrequenz der Resonatorstruktur. Aufgrund der Änderung der Eigenfrequenz des Resonators wird die auf die Masse in der Empfindlichkeitsachse wirkende Beschleunigung mittels einer geeigneten elektronischen Schaltung bestimmt. Zur Messung einer Drehrate ist diese Art von Mikrosensor jedoch nur bedingt geeignet, da stets mehrere Sensoren mit sorgfältig aufeinander abgestimmten
Empfindlichkeitsachsen notwendig sind und die Signalaufbereitung sehr aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikromechanischen Drehratensensor anzugeben, der ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal liefert.
Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanischen Drehratensensor mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Mikromechanischer Drehratensensor mit einer auf eine von außen einwirkenden Drehrate reagierenden Sensorstruktur ist eine Resonatorstruktur mit mind. einer Eigenfrequenz vorgesehen. Die Sensorstruktur ist mit der
Resonatorstruktur mechanisch derart verbunden, dass eine einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur ändert. Die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur bzw. eine von der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur abgeleitete Größe wird als Maß für die Drehrate ausgewertet. Die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur wird als frequenzmoduliertes Ausgangssignal erfasst. Durch das frequenzmoduliertes Ausgangssignal ist ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis erreichbar. Weiterhin besteht eine vereinfachte Möglichkeit der Analog-Digital-Wandlung.
Die Resonatorstruktur beinhaltet in einer ersten Ausführungsform als schwingenden Teil eine Saite oder einen Balken, wie in der DE 1 98 1 2 773 A1 beschrieben. Diese
Ausgestaltung ermöglicht aufgrund ihrer einfachen Geometrie eine besonders einfache Möglichkeit zur Bestimmung der Eigenfrequenz und ihrer Änderungen. In weiteren Ausführungsformen beinhaltet die Resonatorstruktur als schwingender Teil eine Membran oder eine Platte.
Der schwingende Teil der Resonatorstruktur ist an mindestens 2 Punkten, vorzugsweise den Endpunkten, aufgehängt. Er wird bevorzugt thermisch oder kapazitiv oder piezoelektrisch oder elektromagnetisch zu Schwingungen in einer
Eigenfrequenz angeregt. Alternativ erfolgt die Anregung thermisch oder kapazitiv oder piezoelektrisch oder elektromagnetisch zu Schwingungen in der Nähe der Eigenfrequenz.
Die Schwingungen der Resonatorstruktur werden piezoresistiv oder kapazitiv oder piezoelektrisch erfasst. In der DE 1 98 1 2 773 A1 ist eine bevorzugte Anordnung mit thermischer Anregung und piezoresistiver Erfassung beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform besteht der mikromechanisohe Drehratensensor aus einer in einem Rahmen aufgehängten Stimmgabel mit mindestens zwei Stimmgabelzinken, einer die Stimmgabelzinken verbindenden Basis und einer Stimmgabelaufhängung. Damit ist die Stimmgabel entweder am Rahmen oder einer anderen geeigneten Stelle am Substrat befestigt. Mindestens eine Resonatorstruktur, die eine Eigenfrequenz aufweist, ist so zwischen den Stimmgabelzinken angeordnet, dass Schwingungen der Stimmgabelzinken in der durch den Rahmen aufgespannten Ebene zu Änderungen der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur führen.
In einer anderen Ausführungsform besteht der mikromechanische Drehratensensor aus einer in einem Rahmen aufgehängten Stimmgabel mit mindestens zwei Stimmgabelzinken, einer die Stimmgabelzinken verbindenden Basis und einer Stimmgabelaufhängung. Mindestens zwei Resonatorstrukturen mit je einer Eigenfrequenz sind jeweils so zwischen den Stimmgabelzinken und dem Rahmen angeordnet, dass Schwingungen der Stimmgabelzinken in der durch den Rahmen aufgespannten Ebene zu Änderungen der Eigenfrequenzen der Resonatorstrukturen führen.
In einerweiteren Ausführungsform des mikromechanischen Drehratensensors nach der Erfindung ist innerhalb des Rahmens eine weitere, im wesentlichen identische
Stimmgabel aufgehängt. Eine der beiden Stimmgabeln wird zu Schwingungen angeregt. Die andere Stimmgabel ist mit den Resonatoren verbunden und dient somit zur Messung der Drehrate.
Alternativ besteht der mikromechanische Drehratensensor aus einer in einem Rahmen aufgehängten Zylinderschale, die zu Schwingungen in einer ersten Mode angeregt wird, und mindestens einer Resonatorstrukturen, die zwischen der
Zylinderschale und dem Rahmen angeordnet ist. Vorzugsweise erfolgt der Einsatz von zwei Resonatoren, um Fehler erster Ordnung zu eliminieren. Aus Symmetriegründen hat sich auch der Einsatz von vier Resonatoren bewährt. Auf Verschiebungen der Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche der ersten Mode der Schwingung der Zylinderschale, die durch eine von außen einwirkenden
Drehrate hervorgerufen wird, reagieren die Resonatorstrukturen mit einer Veränderung ihrer Eigenfrequenz.
Vorzugsweise sind dabei die Resonatorstrukturen paarweise antisymmetrisch aus den Schwingungsknoten der ersten Schwingungsmode heraus zueinander hin verschoben angeordnet. Durch diese Asymmetrie wird das Vorzeichen des
Auswandems der Schwingung beim Vorliegen einer Drehrate erkennbar.
Zum Messen einer Drehrate mit einem mikromechanischen Drehratensensor mit einer auf eine von außen einwirkenden Drehrate reagierenden Sensorstruktur, einer Resonatorstruktur mit mind. einer Eigenfrequenz, die mit der Sensorstruktur mechanisch derart verbunden ist, dass eine einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur ändert, wird die Resonatorstruktur zu Schwingungen in Eigenfrequenz angeregt und die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur als Maß für die Drehrate ausgewertet.
Vorzugsweise wird die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur von einem Messaufnehmer an eine Auswerteelektronik geleitet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:
Figur 1 zeigt einen Drehratensensor mit Stimmgabel und Resonatorstruktur.
Figur 2 zeigt einen weiteren Drehratensensor mit Stimmgabel. Figur 3a zeigt einen Drehratensensor mit Doppelstimmgabel.
Figur 3b zeigt einen weiteren Drehratensensor mit Doppelstimmgabel.
Figur 4a zeigt einen Drehratensensor mit einer ringförmigen Sensorstruktur im
"Ruhezustand".
Figur 4b zeigt den Drehratensensor mit ringförmiger Sensorstruktur der Figur
9a im ausgelenkten Zustand.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des mikromechanischen Drehratensensors 1 der Erfindung. Er besteht aus einer Stimmgabelanordnung mit einer Stimmgabelaufhängung 2 , einer Basis 3 und einem Paar Stimmgabelzinken 4. Die Stimmgabelaufhängung verbindet die Basis mit dem die Stimmgabel umgebenden und sie tragenden Rahmen 5. Innerhalb des Rahmens ist die Stimmgabel so aufgehängt, dass sie sowohl Schwingungen der Zinken in und senkrecht zur Ebene des Rahmens als auch Torsionsschwingungen um die Stimmgabelaufhängung ausführen kann. Die Stimmgabelaufhängung 2 ist deshalb so dimensioniert, dass Torsionsschwingungen der Stimmgabel um die Längsachse der Stimmgabelaufhängung 2 ermöglicht werden.
Die Stimmgabel wird beim Betrieb des Sensors zu einer Torsionsschwingung um die Stimmgabelaufhängung angeregt. Die Anregung erfolgt durch in den Figur 1 nicht dargestellten Aktoren auf Basis von elektromagnetischen, piezoelektrischen oder kapazitiven Effekten. Eine von außen auf Stimmgabelanordnung die einwirkende
Drehrate [Omega] um die Achse A verursacht durch die Corioliskraft eine gegenphasige Schwingung der Stimmgabelzinken. Die Amplitude der Schwingung ist proportional zur Drehrate.
Die Stimmgabelanordnung bildet somit eine Sensorstruktur, die auf eine von außen einwirkende Drehrate [Omega] derart reagiert, dass die Torsionsschwingung um die
Stimmgabelaufhängung unter dem Einfluss von-Corioliskräften Schwingungen der Stimmgabelzinken bewirken.
Zur Aufnahme dieser Zinkenschwingung ist eine Resonatorstruktur 6 vorgesehen, die zwischen den beiden Stimmgabelzinken angreift. Die Resonatorstruktur 6 verläuft bevorzugt parallel zur Basis der Stimmgabel und ist mit je einem Ende mit je einer Zinke der Stimmgabel verbunden. Durch die Schwingung der Stimmgabelzinken erfährt die Resonatorstruktur eine Verstimmung seiner Eigenfrequenz. Die Veränderung der Eigenfrequenz liefert ein Maß für die anliegende Drehrate und kann in Form eines frequenzmodulierten Signals weiterverarbeitet werden. Die Resonatorstuktur 6 wird nur von der Auslesemode beeinflusst. Das Vorzeichen der Schwingung ist eindeutig feststellbar.
Die Resonatorstruktur 6 besteht beispielsweise aus einem schwingfähigen Balken, der an einem der beiden Enden Mittel zum Anregen resonanter Schwingungen und Mittel zum Auslesen der Schwingungen aufweist. Über eine entsprechende
Regelung wird die Resonatorstruktur immer in der Resonanzfrequenz angeregt. Die Frequenz des Anregungssignals (Stellgröße) kann direkt als Messgröße für die anliegende Drehrate dienen. Alternativ kann eine von der Resonanazfrequenz abgeleitete Größe, wie zum Beispiel die Phasenbeziehung, zur Regelung verwendet werden. In der Praxis wird überwiegend der Phasenbezug mit einer PLL (Phase Locked Loop) Komponente in der Auswerteelektronik eingesetzt. Durch die Phasenregelung kann dann auch gezielt ein Arbeitspunkt eingestellt werden, der nicht direkt auf der Resonanzfrequenz liegen muss.
Neben dem schwingfähigen Balken sind durchaus auch anders geartete Resonatorstrukturen denkbar, wie zum Beispiel eine Membran oder eine Platte, aber immer wird durch die von außen einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur verändert und die Änderung der Eigenfrequenz als Maß für die Drehrate erfasst. Die Änderung der'Eigenfrequenz wird auch hier als frequenzmoduliertes Signal erfasst.
Die Figur 2 zeigt einen weiteren Drehratensensor mit Stimmgabelanordnung und
Resonatoren 6, 61 zur frequenzmodulierten Signalauslesung. Die Stimmgabelanordnung besteht aus den beiden, im wesentlichen parallel verlaufenden Zinken 4, die über die senkrecht dazu verlaufende Basis 3 an ihren Fußpunkten miteinander verbunden sind. An den freien Enden weisen die Zinken 4 eine Verbreiterung 8 auf. Die Stimmgabelaufhängung 2 verbindet die Basis mit dem die Stimmgabel umgebenden und sie tragenden Rahmen 5. Die Resonatoren 6, 6' sind nun zwischen den Zinken 4 und den jeweils parallel zu den Zinken verlaufenden Rahmenteilen angeordnet, um Schwingungen der Zinken in der durch den Rahmen aufgespannten Ebene zu Erfassen.
Angeregt wird die Stimmgabel zu Schwingungen im sogenannten "Walking mode", d.h. die Zinken schwingen gegenphasig in der Ebene senkrecht zu der durch den Rahmen aufgespannten Ebene. In den Figuren ist dies durch V und den Symbolen Θ und ® dargestellt. Eine Drehung der Anordnung um die Achse A mit der Drehrate (Omega) resultiert in einer Corioliskraft Fc, die auf die Stimmgabelzinken 4 der Anordnung einwirkt. Das führt wiederum zu gegenphasigen Schwingung der Stimmgablelzinken 4 in der durch den Rahmen 5 aufgespannten Ebene. Durch die Bewegung der Stimmgabelzinken 4 werden beide Resonatoren 6, 6' periodisch verstimmt. Auch eine Anregung in der Torsionsmode ist möglich. Die Auswahl ist von der Auslegung der Steifigkeiten der beteiligten Einzelelemente abhängig.
Die Figur 3a zeigt einen nach dem gleichen Wirkprinzip arbeitenden Drehratensensor mit einer Doppelstimmgabel, bei der eine erste Stimmgabel ausschließlich zur Anregung und eine zweite Stimmgabel ausschließlich zur
Signalaufnahme vorgesehen ist.
Die Anregung erfolgt auf der rechten Seite, die Auslesung auf der linken. Die auslesenden Resonatorstrukturen sind zwischen den Zinken der Auslesestruktur und dem Rahmen angeordnet.
Die erste Stimmgabelanordnung besteht aus den beiden, im wesentlichen parallel verlaufenden Zinken 4, die über die senkrecht dazu verlaufende Basis 3 an ihren Fußpunkten miteinander verbunden sind. Mittels des Fixpunktes 1 0 ist die Stimmgabel an dem Träger der Mikromechanischen Struktur verankert. An den freien Enden weisen die Zinken 4 eine Verbreiterung 8 auf. Die zweite Stimmgabelanordnung ist äquivalent aufgebaut und besteht aus den beiden, im wesentlichen parallel verlaufenden Zinken 4', die über die senkrecht dazu verlaufende Basis 3' an ihren Fußpunkten miteinander verbunden sind. Mittels des Fixpunktes 1 0 ist die zweite Stimmgabel wie die erste an dem Träger der Mikromechanischen Struktur verankert. An den freien Enden weisen die Zinken 4' eine Verbreiterung 8' auf. Die Resonatoren 6, 6' sind nun zwischen den Zinken 4' und den jeweils parallel zu den Zinken 4' verlaufenden Rahmenteilen 5 angeordnet, um Schwingungen der Zinken 4' in der durch den Rahmen aufgespannten Ebene zu erfassen.
Die Doppelstimmgabel dient zusätzlich einer örtlichen Entkopplung von Anregung und Auslesung. Dabei werden die realen geometrischen Strukturen der beiden Stimmgabeln (Fig. 3a,b) in der Praxis voneinander abweichen (Fig. 3a und b suggerieren, dass die beiden Stimmgabeln exakt identisch sind). Die realen Geometrien sind so zu wählen, dass
1 ) die Frequenz der Anregungsmode (z-Auslenkung der Massen) der rechten Stimmgabel NICHT mit der Frequenz der formgleichen Mode (z-Auslenkung der Massen) der linken Stimmgabel zusammenfällt und damit die Anregung nicht von der rechten auf die linke Stimmgabel überkoppelt;
2) die Frequenz der Anregungsmode der rechten Stimmgabel (z-Auslenkung der Massen) mit der Auslesemode der linken Stimmgabel (y-Auslenkung der Massen) zusammenfällt (= doppelt-resonantes Prinzip) ODER die beiden Frequenzen liegen nahe beieinander;
3) die Störung des Energieübertrags durch die Kopplungsstruktur, die Energie von der rechten auf die linke Stimmgabel überträgt, minimal ist. In den vorliegenden Beispielen dient sie auch gleichzeitig der Verankerung am Substrat.
Die Figur 3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Doppelstimmgabel. Sie ist im wesentlichen analog zum Ausführungsbeispiel der Figur 3a aufgebaut und unterscheidet sich von dieser lediglich in der Anordnung der Resonatoren. Während bei der Anordnung nach Figur 3a die Resonatoren 6, 6' zwischen den Zinken 4' der Stimmgabel und dem die Stimmgabel umgebenden Rahmen 5 angeordnet sind, ist beim Ausführungsbeispiel der Figur 3b ein Resonator 9 zwischen den beiden Zinken 4' der zweiten Stimmgabel angeordnet und detektiert somit deren Schwingungen relativ zu einander. Dabei kann der Resonator wie in der Figur 3b dargestellt zwischen den beiden Verbreiterungen 8 oder auch direkt zwischen den Zinken 4' angeordnet sein.
Die auslesende Resonatorstruktur ist also zwischen den beiden Zinken der zweiten Stimmgabel angeordnet. Die Figuren 4a und 4b zeigen einen Drehratensensor mit einer ringförmigen Sensorstruktur, wobei in der Figur 4a die Sensorstruktur im "Ruhezustand" und in der Figur 4b im ausgelenkten Zustand dargestellt ist.
Die Sensorstruktur der Figuren 4a und 4b besteht aus einer Mikromechanischen Zylinderschale (Cylindrical shell) 22, die zu Schwingungen in der Grundmode angeregt wird. Wie auch die zuvor beschriebenen mikromechanischen Stimmgabelsensoren ist auch die Zylinderschale mit Techniken der Mikromechanik in geeignetem Substratmaterial hergestellt. Die Zylinderschale 22 ist mit einer Reihe von strahlenförmig angeordneten Resonatoren 6, 6' mit dem im Trägermaterial ausgestalteten Rahmen 5 verbunden.
In der Figur 4a ist eine Sensorstruktur dargestellt, auf die keine Drehrate wirkt. Mit den Bezugszeichen 22 und 22' ist die Zylinderschale in ihren beiden Extrempositionen der Schwingung bezeichnet.
Die Zylinderschale 22 wird beim Betrieb des Sensors zu einer Schwingung in der 1-Mode angeregt. Die Anregung erfolgt durch in den Figuren 4a und 4b nicht dargestellten Aktoren auf Basis von elektromagnetischen, piezoelektrischen, kapazitiven oder Effekten. Die Resonatorstrukturen 6, 6' sind bevorzugt paarweise antisymmetrisch aus den Schwingungsknoten der ersten Schwingungsmode heraus zueinander hin verschoben angeordnet. Durch diese Asymmetrie wird das Vorzeichen des Auswandems der Schwingung beim Vorliegen einer Drehrate erkennbar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vorzugsweise vier Resonatorstrukturen 6, 6' in Form eines schwingenden Balkens derart um die Zylinderschale 22 angeordnet, dass sie paarweise je einen Winkel von kleiner 90° einschließen
Eine von außen auf Zylinderschale 22 die einwirkende Drehrate [Omega] um die
Normalenachse verursacht durch die Corioliskraft eine Verschiebung der Schwingungsknoten bzw. der Schwingungsbäuche der 1-Mode Schwingung.
Aber auch eine Anordnung der Resonatorstrukturen 6, 6' in der Art, dass sie immer an den Schwingungsbäuchen der Zylinderschale ansetzen, ist möglich. Dann ist aber das Vorzeichen der einwirkenden Drehrate nicht direkt bestimmbar. Die Figur 4b zeigt die Anordnung der Figur 4a für den Fall, dass eine Drehrate auf die Sensorstruktur einwirkt. Dann verschieben sich unter dem Einfluss der Corioliskraft die Schwingungsknoten und die Schwingungsbäuche der Zylinderschale 22 . Die Resonatoren 6, 6' erfahren eine im Vergleich zur Ruhestellung andere Auslenkung, so dass, mittels einer geeigneten
Auswerteschaltung, aus der Änderung der Eigenfrequenzen auf die von außen auf die Sensorstruktur einwirkende Drehrate zurückgeschlossen werden kann.
Alle vorgenannten Ausführungsbeispiele der Drehratensensoren weisen die gemeinsame Eigenschaft auf, dass sie wegen der Verwendung von Resonatoren ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal liefern.

Claims

Patentansprüche
1 . Mikromechanischer Drehratensensor (1 ) mit einer auf eine von außen einwirkenden Drehrate reagierenden Sensorstruktur (2, 3, 4, 22) dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonatorstruktur (6, 6', 9) mit mind. einer Eigenfrequenz vorgesehen ist, dass die Sensorstruktur (2, 3, 4, 22) mit der Resonatorstruktur (6, 6', 9) mechanisch derart verbunden ist, dass eine einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur (6, 6', 9) ändert, und dass die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur (6, 6', 9) bzw. eine von der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur (6, 6', 9) abgeleitete Größe als Maß für die Drehrate ausgewertet wird.
2. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorstruktur (6, 6', 9) als schwingenden Teil eine Saite oder einen
Balken beinhaltet.
3. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorstruktur (6, 6', 9) als schwingender Teil eine Membran oder eine Platte beinhaltet.
4. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil der Resonatorstruktur (6, 6', 9) an mindestens 2 Punkten aufgehängt ist.
5. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil der Resonatorstruktur (6, 6', 9) thermisch oder kapazitiv oder piezoelektrisch oder elektromagnetisch zu
Schwingungen in der Eigenfrequenz angeregt wird.
6. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der schwingende Teil der Resonatorstruktur (6, 6', 9) thermisch oder kapazitiv oder piezoelektrisch zu Schwingungen in der Nähe der Eigenfrequenz angeregt wird.
7. Mikromechanischer Drehratensensor nach einem der Ansprüche 2 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen der Resonatorstruktur (6, 6', 9) piezoresistiv oder kapazitiv oder piezoelektrisch erfasst werden.
8. Mikromechanischer Drehratensensor bestehend aus einer in einem Rahmen (5) aufgehängten Stimmgabel mit mindestens zwei Stimmgabelzinken (4), einer die Stimmgabelzinken verbindenden Basis (3) und einer Stimmgabelaufhängung (2, 10),
. dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Resonatorstruktur (6, 6', 9) mit einer Eigenfrequenz so zwischen den Stimmgabelzinken (4) angeordnet ist, dass
Schwingungen der Stimmgabelzinken (4) in der durch den Rahmen (5) aufgespannten Ebene zu Änderungen der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur (6, 6', 9) führen.
9. Mikromechanischer Drehratensensor bestehend aus einer in einem Rahmen (5) aufgehängten Stimmgabel mit mindestens zwei Stimmgabelzinken (4), einer die
Stimmgabelzinken verbindenden Basis (3) und einer Stimmgabelaufhängung (3, 10), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Resonatorstrukturen (6, 6', 9) mit je einer Eigenfrequenz jeweils so zwischen den Stimmgabelzinken (4) und dem Rahmen (5) angeordnet sind, dass Schwingungen der Stimmgabelzinken (4) in der durch den Rahmen (5) aufgespannten Ebene zu Änderungen der Eigenfrequenzen
■ der Resonatorstrukturen führen.
10. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stimmgabelaufhängung (3) der Stimmgabel am Rahmen (5) befestigt ist.
1 1 . Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Rahmens (5) eine weitere, im wesentlichen identische Stimmgabel aufgehängt ist, und eine der beiden Stimmgabeln zu Schwingungen angeregt wird und die andere Stimmgabel mit den Resontorstrukturen (6, 6', 9) verbunden ist und somit zur Messung der Drehrate dient.
1 . Mikromechanischer Drehratensensor, gekennzeichnet durch eine in einem Rahmen (5) aufgehängten Zylinderschale (22), die zu Schwingungen in einer ersten Schwingungsmode angeregt wird, und mindestens einer Resonatorstruktur (6, 6'), die zwischen der Zylinderschale (22) und dem Rahmen (5) angeordnet sind und auf Verschiebungen der Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche der ersten Schwingungsmode der Zylinderschale (22) mit einer Veränderung ihrer Eigenfrequenz reagieren.
13. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Resonatorstrukturen (6, 6') zwischen der Zylinderschale (22) und dem Rahmen (5) angeordnet sind.
14. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Resonatorstrukturen (6, 6') zwischen der Zylinderschale (22) und dem Rahmen (5) angeordnet sind.
1 5. Mikromechanischer Drehratensensor nach Anspruch 1 2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, die Resonatorstrukturen (6, 6') paarweise antisymmetrisch aus den Schwingungsknoten der ersten Schwingungsmode heraus zueinander hin verschoben angeordnet sind.
1 6. Verfahren zum Messen einer Drehrate mit einem mikromechanischen Drehratensensor mit: - einer auf eine von außen einwirkenden Drehrate reagierenden Sensorstruktur,
- einer Resonatorstruktur mit mind. einer Eigenfrequenz, die mit der
Sensorstruktur mechanisch derart verbunden ist, dass eine einwirkende Drehrate die Eigenfrequenz der Resonatorstruktur ändert,
- wobei die Resonatorstruktur zu Schwingungen in Eigenfrequenz angeregt und die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur als Maß für die Drehrate ausgewertet wird.
1 7. Verfahren zum Messen einer Drehrate nach Anspruch 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Eigenfrequenz der Resonatorstruktur von einem Messaufnehmer an eine Auswerteelektronik geleitet wird.
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