WO1998023917A1

WO1998023917A1 - Drehratensensor

Info

Publication number: WO1998023917A1
Application number: PCT/DE1997/002671
Authority: WO
Inventors: Hergen Kapels; Christofer Hierold; Max Steger; Thomas Scheiter; Reinhold Noe; Ulrich Näher
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1998-06-04
Also published as: US6094985A; CN1286751A; DE19648425C1; EP0939883A1; KR20000057194A; JP2001504587A

Abstract

Drehratensensor als mikromechanisches Bauelement in Silizium, bei dem ein Ring (1) mit einer starren Strebe (11) längs eines Durchmessers an elastischen Verstrebungen (10) und Verankerungen (9) 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. Zur Stabilisierung der Lage des Ringes in der Ruhelage können weiter Elektroden am Ring und am Substrat zur Erzeugung elektrostatischer Kräfte vorgesehen sein.

Description

Beschreibung

Drehratensensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor als mikromechanisches Bauelement in Silizium.

Drehratensensoren (Gyroskope) dienen zum Messen von Winkelgeschwindigkeiten. Mechanische Gyroskope entsprechen in der Funktionsweise einem Kreiselkompaß und messen auftretende Rotationsbewegungen durch eine Präzessionsbewegung eines rotierenden Körpers . Bei einer Rotation einer solchen Anordnung um eine Achse, die senkrecht zu der Drehachse des rotierenden Körpers steht, tritt eine Rotationsbewegung um eine Gerade auf, die senkrecht auf diesen anderen beiden Drehachsen steht. Die Stärke des diese Rotation bewirkenden Drehmomentes ist ein Maß für die Rotationsbewegung des Gesamtsystems. In Systemen, in denen vollständige Rotationsbewegungen nicht möglich oder nicht erwünscht sind, kann die freie Rotation des Gyroskops durch eine oszillierende Drehbewegung ersetzt werden. In den US 5,313,835 und US 5,377,544 sind mikromechanische Gyroskope beschrieben, bei denen ein Ring an federnden Verstrebungen auf einem Substrat so befestigt ist, daß er durch elektrostatische Kräfte bei Anlegen geeigneter Spannun- gen an dafür vorgesehene Elektroden in eine oszillierende Drehbewegung versetzt werden kann. Weitere Elektroden über und unter dem Ring sind für die Detektion einer Auslenkung des Ringes aus der Drehebene vorgesehen. Als alternatives Meßverfahren ist beschrieben, mittels eines geschlossenen elektronischen Schaltkreises etwaige Auslenkungen des Rotors aus seiner Drehebene vollständig zu kompensieren und aus der dafür erforderlichen Spannung die Größe des Drehmomentes zu ermitteln. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanischen Drehratensensor anzugeben, der bei guten Betriebseigenschaften im Rahmen eines VLSI -kompatiblen Herstellungsprozesses in Oberflächenmikromechanik herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehratensensor besitzt eine ringförmige Struktur mit einer relativ dicken Strebe, die längs eines Durchmessers dieses Ringes angeordnet ist . In Aufsicht sieht dieser Ring mit der Strebe wie ein Speichenrad aus, aus dem alle Speichen bis auf zwei auf derselben Geraden liegende Speichen entfernt wurden. Diese den Ring ergänzende geradlinige Doppelspeiche, die im folgenden und in den Ansprüchen einheitlich als Strebe bezeichnet wird, dient auch zur Befestigung des Ringes auf einem Substrat, das vorzugsweise Silizium ist. Der Ring muß um seine Mittelachse, d. h. die durch den Mittelpunkt des Ringes verlaufende Achse, die senkrecht auf der Ringebene steht, in oszillierende Drehbewegungen versetzt werden können. Ebenso muß eine Auslenkung des Ringes aus der Normallage durch Verkippen aus der Ringebene möglich sein. Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor ist diese Verkippung um eine Achse vorgesehen, die parallel zu der Lage der Strebe in der Ruhelage des Ringes verläuft . Es wird mit diesem Drehratensensor also eine Drehbewegung detektiert, die um eine Achse erfolgt, die senkrecht auf der Mittenachse des Ringes und der Achse der Strebe in der Ruhelage des Ringes steht.

Die dafür erforderliche federnde Aufhängung des Ringes wird durch federnde Verstrebungen erreicht, die einerseits an der Strebe und andererseits an auf dem Substrat befestigten Ver- ankerungen angebracht sind. Vorzugsweise werden diese federn

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Claims

Patentansprüche

1. Drehratensensor als mikromechanisches Bauelement mit einem Ring (1) , - der eine längs eines Durchmessers vorhandene Strebe (11) aufweist und

- der an federnden Verstrebungen (10) und Verankerungen (9) auf einem Substrat befestigt ist,

- wobei diese Verstrebungen so geformt und diese Verankerun- gen so angeordnet sind, daß der Ring Drehbewegungen jeweils mindestens um einen vorgegebenen Winkel in beiden Richtungen um seine Mittenachse und um die Strebe ausführen kann, und

- wobei an dem Ring und benachbart dazu am Substrat Elektro- den (a, e) für eine Anregung einer Drehschwingung um die

Mittenachse und für eine Detektion eines um die Strebe auftretenden Drehmomentes vorhanden sind.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, bei dem der Ring und die federnden Verstrebungen aus Polysi - lizium sind.

3. Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Verankerungen (9) weniger als ein zehntel Innen- durchmesser des Ringes von dessen Mittelpunkt entfernt angeordnet sind.

4. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verstrebungen weniger als ein viertel Innendurch- messer des Ringes von dessen Mittelpunkt entfernt an der

Strebe angebracht sind.

5. Drehratensensor nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die federnden Verstrebungen je zwei zumindest nähe- rungsweise entlang von Radien des Ringes verlaufende Anteile besitzen.

6. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Elektroden am Substrat über oder unter der Ebene, in der der Ring angeordnet ist, angeordnet sind.

7. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Elektroden am Substrat in der Ebene, in der der Ring angeordnet ist, angeordnet sind.

8. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem weitere Elektroden (b, c, d) am Ring und am Substrat angebracht sind, bei dem die am Substrat angebrachten weiteren Elektroden über oder unter der Ebene, in der der Ring angeordnet ist, über oder unter den am Ring angebrachten weiteren Elektroden ange- ordnet sind.

9. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zum Betrieb eine elektronische Schaltung integriert ist und bei dem diese Schaltung dafür vorgesehen ist, eine für die

Anregung der Drehschwingung verwendete Wechselspannung zu erzeugen und weitere Spannungen solcher variabler Größe zu erzeugen, daß bei Anliegen dieser weiteren Spannungen an den dafür vorgesehenen Elektroden des Sensors eine Auslenkung des Ringes aus der Ebene seiner Ruhelage kompensiert wird.

10. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zum Betrieb eine elektronische Schaltung integriert ist und bei dem diese Schaltung dafür vorgesehen ist, eine für die

Anregung der Drehschwingung verwendete Wechselspannung zu erzeugen und weitere Spannungen solcher Größe zu erzeugen, daß bei Anliegen dieser weiteren Spannungen an den dafür vorgesehenen Elektroden des Sensors die Eigenschwingung des Rin- ges um die Strebe an die Eigenschwingung des Ringes um seine Mittenachse in einer vorgesehenen Genauigkeit angepaßt wird.