WO2003058166A1 - Drehratensensor - Google Patents

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WO2003058166A1
WO2003058166A1 PCT/DE2002/003622 DE0203622W WO03058166A1 WO 2003058166 A1 WO2003058166 A1 WO 2003058166A1 DE 0203622 W DE0203622 W DE 0203622W WO 03058166 A1 WO03058166 A1 WO 03058166A1
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WO
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coriolis
substrate
rotation rate
axis
sensor
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/003622
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Willig
Jochen Franz
Burkhard Kuhlmann
Joerg Hauer
Udo-Martin Gomez
Dieter Maurer
Christian Doering
Wolfram Bauer
Udo Bischof
Reinhard Neul
Johannes Classen
Christoph Lang
Jens Frey
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to JP2003558429A priority Critical patent/JP2005514608A/ja
Priority to EP02774412A priority patent/EP1468248A1/de
Priority to US10/471,635 priority patent/US7313958B2/en
Publication of WO2003058166A1 publication Critical patent/WO2003058166A1/de

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    • 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
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • the invention is based on a rotation rate sensor according to the preamble of the main claim.
  • Linear vibrating gyroscopes are generally known. With these rotation rate sensors, parts of the sensor structure are actively vibrated in one direction (primary vibration) in one direction, i.e. in a first axis (x-axis), which is oriented parallel to a substrate surface. With an external rate of rotation around an excellent sensitive axis, Coriolis forces are exerted on the vibrating parts. These Coriolis forces (which change periodically with the frequency of the primary oscillation) cause vibrations of parts of the sensor structure (secondary oscillation) likewise parallel to the substrate surface in a second direction or second axis (y-axis), which is oriented perpendicular to the x-axis. Detection means are attached to the sensor structure, which detect the secondary vibration (Coriolis measurement effect).
  • the detection means When executing the detection means, care is also taken to ensure that the operation of the sensors in the primary vibration (without external rotation rate) does not produce any signals on the detection means for the Coriolis effect.
  • KD (x, y)
  • Typical causes for this twisting are asymmetries in the sensor structure due to imperfections in the manufacturing process. These can manifest themselves through asymmetrical mass distributions or asymmetrical spring stiffnesses. As a result, the main axis systems of the mass and spring stiffness tensor no longer match KD.
  • the occurrence of quadrature is not specific for the silicon technology used in the rotation rate sensors described here with a sensor structure made of epitaxially grown polysilicon. Quadrature signals also occur in vibration gyroscopes made of single-crystal silicon material or quartz single crystals due to imperfections in the manufacturing process.
  • Quadrature interference signals in rotation rate sensors due to manufacturing imperfections are known and are found in rotation rate sensors of the most varied technologies. Different methods for reducing these interference signals are known according to the prior art.
  • a first method for suppressing the quadrature signals makes use of the different phase position of the rotation rate and quadrature signals.
  • the Coriolis force is proportional to the speed of the primary vibration
  • the quadrature is proportional to the deflection of the primary vibration.
  • Quadrature and rotation rate signals are detected on the detection means as signals that are amplitude-modulated with the frequency of the primary oscillation.
  • the signals can first be demodulated back into the baseband.
  • the quadrature signal can be suppressed by a suitable choice of the phase position of the reference signal for demodulation. With this method, the quadrature signal in the sensor element itself is not affected. Furthermore, the quadrature signal must also pass the primary signal conversion paths on the detection means; it can only be suppressed electronically relatively late in the signal path. With quadrature signals that are large compared to the rotation rate measuring range, this means drastically increased Requirements for the dynamic range of the first signal conversion stages and often leads to increased sensor noise.
  • a second method for reducing the quadrature signals is the physical balancing of the mechanical sensor structures.
  • reworking the sensor elements directly eliminates the cause of the quadrature, so that no quadrature signals occur on the detection means.
  • This method modifies the main axis system of the mass or spring stiffness tensor for primary and secondary vibration in such a way that the initially existing rotation of the coordinate system of the sensor element mechanism K is reversed in relation to the coordinate system of the detection means KD.
  • Laser trimming on mass structures is also used for micromechanical rotation rate sensors made of single-crystal silicon (e.g. VSG or CRS-03 from Silicon Sensing Systems Ltd.). Furthermore, it is generally known that for general tuning fork rotation rate sensors, laser trimming on excellent spring structures within the sensor structure. With this method, the main axis system of the spring constant sensor can be modified in a targeted manner during operation of the sensor elements in the primary vibration until K and KD match and the quadrature signal is thus eliminated. The methods described here eliminate the quadrature in the sensor element itself and are therefore superior to the first method in terms of sensor performance. However, balancing is a complex and often iterative, lengthy and therefore very cost-intensive process.
  • electronic quadrature compensation is carried out in capacitive micromechanical rotation rate sensors.
  • the suppression of the quadrature signal is achieved by targeted injection of an electrical signal into the electronic converter unit on the detection means for the Coriolis effect.
  • the size of the signal is selected so that it exactly compensates for the signal generated by the quadrature at the detection means.
  • Quadrature signals is reached.
  • constant (static) electrostatic forces are exerted on the sensor structure by electrode structures attached to suitable parts of the sensor structure by targeted application of external electrical direct voltages.
  • the suitable attachment of the electrode structures ensures that the main axis system of the sensor element mechanism K is rotated by the external electrical voltage, the angle of rotation being able to be set by the magnitude of the voltage.
  • the main axis system of the sensor element mechanism K can be brought into exact agreement with the main axis system of the detection means for the Coriolis effect and the quadrature can thus be suppressed.
  • the invention thus represents a method for quadrature compensation by means of static forces.
  • the forces are generated by electrode structures attached to excellent parts of the sensor structure, in such a way that an external electrical direct voltage is applied to electrodes fixed to the substrate relative to the movable sensor structure.
  • the invention thus represents a static method for quadrature compensation.
  • the method according to the invention acts similarly to mechanical balancing of the sensor structure. Compared to physical balancing, however, it has the advantage that the compensation takes place here by applying an external voltage (by adjustment) and thus an expensive process step can be omitted. Furthermore, the method is compatible with all conceivable sensor evaluation electronics.
  • FIG. 1 shows a top view of an exemplary embodiment of a rotation rate sensor according to the invention
  • Figure 2 shows a partial structure of an inventive
  • FIG. 3 is a detailed view of the invention
  • Quadrature compensation is shown as an example on a micromechanical rotation rate sensor.
  • the method can be applied to a special class of rotation rate sensors. These are linear vibrating vibrating gyroscopes. An exemplary embodiment of the present invention is explained below, the functional components of the rotation rate sensor which are essential for understanding the mode of operation of the present invention being briefly described using the rough illustration of FIG. 1.
  • FIG. 1 shows the top view of the structured parts or the structure of a yaw rate sensor or a yaw rate sensor element, the micromechanical in particular structured structure of the rotation rate sensor lying substrate is not shown for reasons of clarity.
  • silicon is preferably used as the material, which is made conductive by appropriate doping.
  • the substrate can be electrically insulated where necessary by insulating layers.
  • other materials such as ceramics, glass or metals can also be used for the rotation rate sensor according to the invention.
  • the rotation rate sensor shown in FIG. 1 is designed according to the invention, in particular, for production using pure surface micromechanics.
  • a rotation around the substrate normal (z-axis) is sensed, i.e. an axis which is perpendicular to the substrate surface and which is also referred to below as the third axis.
  • all moving parts of the structure are essentially completely charge-conducting, i.e. electrically conductive.
  • the sensor structure comprises in particular two preferably symmetrically designed substructures, which are shown in the left or right part of FIG. 1 and are designated by the reference numerals 50a and 50b. According to the invention, however, it is also possible that the sensor structure according to the invention only comprises such a substructure 50a.
  • Each of the substructures 50a, 50b comprises three individual masses which are movable relative to the substrate to which the reference coordinate system is connected.
  • a first mass is provided as drive mass la, lb within the substructures. It is suspended from the substrate with springs 5a, 5b by means of anchoring means 18a, 18b in such a way that the drive mass is preferably only an in-plane movement (parallel to the substrate plane) in a first direction or in a first direction Axis (X axis) can execute and an in-plane movement in a second axis (Y axis) perpendicular to the first axis is suppressed.
  • the springs 18a, 18b are soft in the x direction and stiff in the y direction.
  • the first axis is also called the drive axis X; the second axis is also called the detection axis Y.
  • a third mass which is also referred to as detection element 3a, 3b below, is suspended with springs 6a, 6b relative to the substrate such that it can preferably perform an in-plane movement only in the detection direction Y. and movement in the drive direction X is suppressed.
  • the springs 6a, 6b are soft in the Y direction and stiff in the X direction.
  • a second mass as Coriolis element 2a, 2b is connected to the first mass la, lb and the third mass 3a, 3b with springs 7a, 7b, 8a, 8b in such a way that the Coriolis element 2a, 2b is opposite the Drive mass la, lb can preferably only perform an in-plane relative movement in the detection direction and a relative movement in the drive direction is suppressed, and that the Coriolis element 2a, 2b preferably only perform an in-plane relative movement in the x direction compared to the detection element 3a, 3b can and a relative movement in the y direction is suppressed, such that the Coriolis element 2a, 2b can carry out both a movement in the drive and in the detection direction.
  • the springs 7a, 7b are provided between the Coriolis element 2a, 2b and the detection element 3a, 3b in the X direction and are provided stiff in the Y direction.
  • the springs 8a, 8b between the Coriolis element 2a, 2b and the drive mass la, lb are provided soft in the y direction and stiff in the x direction.
  • the drive mass la, lb, the Coriolis element 2a, 2b and the detection element 3a, 3b are also referred to below as movable sensor elements la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b, because they have a certain mobility - limited by the spring elements - relative to the substrate.
  • the sensor elements la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b are provided according to the invention in particular as essentially rectangular, frame-shaped structures, the Coriolis element 2a, 2b surrounding the detection element 3a, 3b and the drive mass la, lb surrounding the Coriolis element 2a, 2b surrounds.
  • both Coriolis elements 2a, 2b are connected via springs 11 in such a way that there is a direct mechanical coupling of both substructures 50a, 50b both in the drive and in the detection direction, so that it is used to form parallel and antiparallel vibration modes in the x direction (with the participation of the drive masses la, lb and the Coriolis elements 2a, 2b (useful modes drive, primary vibration) and that parallel and antiparallel in-plane vibration modes in the y direction are formed (with the participation of the Coriolis elements 2a, 2b and the detection elements 3a, 3b) comes (useful mode detection, secondary vibration).
  • the excitation or the drive of the structure is preferably carried out in the anti-parallel drive mode (the first mass la of the first substructure 50a moves in phase opposition to the first mass lb of the second substructure 50b).
  • the Coriolis accelerations occurring at an external rotation rate around the z-axis are then also in opposite phase and, with a suitable design of the structures, lead to an excitation of the antiparallel detection mode (secondary oscillation).
  • the desired measurement effect generated in this way can then be distinguished by suitable evaluation directly from an (undesired) measurement effect, caused by external linear accelerations in the y direction, which would have the same phase on the detection of both substructures.
  • the primary vibration is excited via interdigital comb drives (comb drives) on the drive asses la, lb; likewise the detection of the drive movement.
  • a first electrode 12a, 12b and a second electrode 13a, 13b are provided according to the invention, which generate the primary vibrations.
  • the first electrode 12a, 12b is rigidly connected to the substrate but is provided in an electrically insulated manner.
  • the second electrode 13a, 13b is connected to the drive mass la, lb in a mechanically rigid and electrically conductive manner.
  • the first electrode 12a, 12b and the second electrode 13a, 13b engage in a finger-like manner and thus form comb structures.
  • the Coriolis acceleration is detected on detection means, in particular in the form of third and fourth electrodes within the detection element 3a, 3b.
  • the detection element 3a, 3b is designed such that it forms the fourth electrode as the movable part 16a, 16b of a plate capacitor arrangement.
  • a fixed part 15a, 16b of the plate capacitor arrangement is designated as the third electrode and is mechanically rigid (but electrically insulated) connected to the substrate.
  • the fixed part is designed as a split electrode, so that the entire arrangement forms a differential plate capacitor.
  • FIG. 2 shows the left substructure 50a from FIG. 1 of a rotation rate sensor according to the invention in a detailed view. For reasons of clarity, only a partial structure (left) of the sensor element is shown.
  • an excellent Cartesian coordinate system K (x, y) for the primary and secondary vibration within the substrate level is specified by design (by choosing suitable symmetries).
  • the mass and spring distributions should ideally be designed such that the main axis systems of the mass and spring stiffness tensor for the primary and secondary vibrations exactly match K.
  • the detection means When executing the detection means, care is also taken to ensure that the operation of the sensors in the primary vibration (without external rotation rate) does not produce any signals on the detection means for the Coriolis effect.
  • the compensation structures are provided in the form of two substructures, a first substructure 19 compensating the positive quadrature signals and a second substructure compensating the negative quadrature signals.
  • Such two substructures are particularly useful because - since attractive forces are exerted according to the invention in particular via electrostatic forces - rotation of the coordinate system K can then be effected both in the positive and in the negative direction.
  • 3 shows detailed views of the compensation structures 19, 20 using the example of their implementation on the Coriolis element 2a.
  • each of the substructures 19, 20 of the compensation structure is provided in particular as a capacitor arrangement with a fifth electrode and a sixth electrode.
  • Suitable areas 60 are cut out of the Coriolis element 2a, which are also referred to below as cutouts 60.
  • the cutouts 60 are provided according to the invention in particular as rectangular cutouts 60.
  • the side walls of these cutouts 60 each form the sixth electrode (19b, 20b) of the electrostatic compensation structure 19, 20.
  • counter electrodes plate capacitor structures
  • the fifth electrodes 19a and also the fifth electrodes 20a are each electrically connected to one another according to the invention, in particular via conductor tracks below the movable structures of the rotation rate sensor - although the fifth electrodes 19a are provided in an electrically insulated manner from the fifth electrodes 20a - but are electrically insulated from the latter Executed substrate so that electrical potentials desired from the outside can be applied to these electrodes 19a, 20a with respect to the movable sensor structure.
  • the fixed fifth electrodes (19a, 20a) are provided asymmetrically within the cut-out areas. This means that, for the first substructure 19 of a compensation structure, the fifth electrode 19a, for example is provided closer to the right edge of the corresponding cutout 60 and that, for the second substructure 20 of a compensation structure, the sixth electrode 20a is provided, for example, closer to the left edge of the corresponding cutout 60.
  • the magnitude of these forces can in particular be continuously changed via the direct voltage between the fifth and sixth electrodes.
  • the direction of the forces is determined by the asymmetry of the arrangement.
  • the first substructure 19 is that shown in FIG. 3
  • Compensation structure according to the invention is capable of exerting forces to the left, which is shown in FIG. 3a with an arrow pointing to the left in the region of a curly bracket belonging to reference number 19.
  • the second substructure 20 of the compensation structure shown in FIG. 3 is able to exert forces to the right, which is shown in FIG. 3a with an arrow pointing to the right in the area of a curly bracket belonging to reference number 20.
  • the invention To compensate for quadrature signals in the sensor element, it is provided according to the invention to apply an electrical compensation voltage to one of the substructures 19, 20, for example with respect to the Coriolis element 2a, in order to achieve a static force effect on the Coriolis element 2a. According to the invention, however, it is also provided to provide the compensation structures 19, 20 in such a way that a static force effect is achieved on another or more of the sensor structures.
  • the effect of the compensation forces is explained in more detail in FIG. 2.
  • the direction of the static compensation forces is again shown by arrows pointing to the left in the area of the first substructure 19 and by arrows pointing to the right in the area of the second substructure 20.
  • the suitable arrangement of the compensation structures (19, 20) ensures that the resulting forces on the CorMasse (2a) generate a torque around the center of gravity of the Coriolis element 2a, designated by the reference symbol S in FIG. 2, but no linear force component in y Direction is present.
  • the force effect due to the voltages applied to the compensation structures is such that a twisting of the Coriolis element 2a in the example under consideration and thus also a twisting of the main axis system of the Coriolis element 2a relative to the substrate is brought about.
  • the first substructure 19 is provided on a first side of the Coriolis element 2a (which is shown in FIG. 2 in the upper area of the figure) rather in the right area of the figure and the second substructure 20 on the first side is more in the left area of the figure 2 provided.
  • the first substructure 19 is provided more in the left area of FIG.
  • the invention is based on the action of static forces. This makes it easy to implement in surface micromechanics.
  • the invention can be used for all vibrating gyroscopes whose primary and secondary vibrations run within the substrate plane.
  • the invention is compatible with a wide variety of sensor evaluation circuit concepts.

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis-Element (2a, 2b) vorgeschlagen, wobei das Coriolis-Element (2a, 2b) über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, wobei Anregungsmittel (12a, 13a, 12b, 13b) vorgesehen sind, durch die das Coriolis-Element (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse (X) anregbar ist, wobei Detektionsmittel (15a, 16a, 15b, 16b, 17) vorgesehen sind, durch die eine Auslenkung der Coriolis Elemente (2a, 2b) aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer zweiten Achse (Y), die im senkrecht zu der ersten Achse vorgesehen ist, nachweisbar sind, wobei die erste und zweite Achse (X, Y) parallel zur Oberfläche des Substrats sind, wobei gegenüber dem Substrat zumindest teilweise beweglich vorgesehene Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) vorgesehen sind, wobei kraftvermittelnde Mittel (19, 20) vorgesehen sind, wobei die Mittel (19, 20) vorgesehen sind, eine statische Kraftwirkung zwischen dem Substrat und wenigstens einem der Sensorelemente (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b) zu vermitteln.

Description

Drehratensensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Es sind linearschwingende Vibrationsgyroskope allgemein bekannt. Bei diesen Drehratensensoren werden Teile der SensorStruktur aktiv in eine Schwingung (Pri ärschwingung) in eine Richtung, d.h. in einer ersten Achse (x-Achse) , versetzt, die parallel zu einer Substratoberfläche orientiert ist. Bei einer äußeren Drehrate um eine ausgezeichnete sensitive Achse werden Corioliskräfte auf die schwingenden Teile ausgeübt. Diese (periodisch mit der Frequenz der Primärschwingung veränderlichen) Corioliskräfte bewirken Schwingungen von Teilen der Sensorstruktur (SekundärSchwingung) ebenfalls parallel zur Substratoberfläche in einer zweiten Richtung bzw. zweiten Achse (y-Achse) , die senkrecht zur x-Achse orientiert ist. An der Sensorstruktur sind Detektionsmittel angebracht, welche die Sekundärschwingung detektieren (Coriolis-Messeffekt) .
Vorteile der Erfindung
Bei der Auslegung der Drehratensensoren wird wie oben beschrieben per Design (durch Wahl geeigneter Symmetrien) ein ausgezeichnetes kartesisches Koordinatensystem K= (x, y) für die Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene vorgegeben. Die Massen- und Federverteilungen werden derart ausgelegt, dass die Hauptachsensysteme der Massen- und Federsteifigkeitstensoren für die Primär- und Sekundärschwingungen exakt mit K übereinstimmen.
Des weiteren wird bei der Ausführung der Detektionsmittel darauf geachtet, dass durch den Betrieb der Sensoren in der Primärschwingung (ohne äußere Drehrate) keine Signale an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt entstehen. Dazu werden die Detektionsmittel so ausgelegt, dass deren ausgezeichnetes Koordinatensystem KD ebenfalls mit dem Koordinatensystem der Mechanik K übereinstimmt, d.h. also ebenfalls gilt: KD=(x,y) . Bei solchen idealen Drehratensensoren entsteht somit keine Überkopplung der Primärschwingung in die Detektionseinrichtung für den Corioliseffekt . Eine derartige Überkopplung wird Quadratur genannt. Quadratursignale sind somit Signale an den Detektionsmitteln für den Corioliseffekt, die auch ohne Relativbewegung des Sensors gegenüber einem äußeren Inertialsystem vorhanden sind, wobei der Sensor in seiner Primärschwingung betrieben wird.
Der Grund für das Auftreten von Quadratursignalen ist, dass das Koordinatensystem der Sensorelementmechanik K=(x,y) nicht mit dem Koordinatensystem der Detektionsmittel 2Ω.=(x',y') zusammenfällt, sondern beide Systeme leicht gegeneinander um einen Winkel theta verdreht sind.
Typische Ursachen für diese Verdrehung sind z.B. Asymmetrien an der Sensorstruktur aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess . Diese können sich durch asymmetrische Massenverteilungen oder auch asymmetrische Federsteifigkeiten äußern. Als Folge daraus stimmen die Hauptachsensysteme der Masse- bzw. Federsteifigkeitstensoren nicht mehr mit KD überein. Das Auftreten von Quadratur ist nicht spezifisch für die bei den hier beschriebenen Drehratensensoren verwendete Silizium- Technologie mit einer Sensorstruktur aus epitaktisch aufgewachsenem Poly-Silizium. Auch bei Vibrationsgyroskopen aus einkristallinem Silizium-Material oder Quarz-Einkristallen treten aufgrund von Imperfektionen im Fertigungsprozess Quadratursignale auf.
Quadratur-Störsignale bei Drehratensensoren aufgrund von Fertigungsimperfektionen sind bekannt und werden bei Drehratensensoren unterschiedlichster Technologien angetroffen. Dabei sind gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Methoden zur Reduktion dieser Störsignale bekannt.
Ein erstes Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Unterdrückung der Quadratursignale macht sich die unterschiedliche Phasenlage von Drehraten- und Quadratursignal zu nutze. Die Coriolis-Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit der Primärschwingung wohingegen die Quadratur proportional zur Auslenkung der Primärschwingung entsteht. Somit besteht eine Phasenverschiebung von 90° zwischen Drehraten- und Quadratursignal . An den Detektionsmitteln werden Quadratur- und Drehratensignale als mit der Frequenz der Primärschwingung amplitudenmodulierte Signale detektiert. Durch die Methode der Synchrondemodulation, wie sie z.B. in DE 197 26 006 oder auch in US 5672949 beschrieben wird, können zunächst die Signale wieder in das Basisband demoduliert werden. Zusätzlich kann durch geeignete Wahl der Phasenlage des Referenzsignals für die Demodulation das Quadratursignal unterdrückt werden. Bei dieser Methode wird das Quadratursignal im Sensorelement selbst nicht beeinflusst. Des weiteren muss das Quadratursignal auch die primären Signalwandlungspfade an den Detektionsmitteln passieren, es kann erst relativ spät im Signalpfad elektronisch unterdrückt werden. Bei im Vergleich zum Drehratenmessbereich großen Quadratursignalen bedeutet dies drastisch erhöhte Anforderungen an den Dynamikbereich der ersten Signalwandlungsstufen und führt oftmals zu erhöhtem Sensorrausche .
Eine zweites Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Reduktion der Quadratursignale ist das physikalische Auswuchten der mechanischen Sensorstrukturen. Im Gegensatz zum ersten Verfahren wird hierbei durch Nachbearbeiten der Sensorelemente direkt die Ursache der Quadratur behoben, so dass an den Detektionsmitteln keine Quadratursignale auftreten.
Bei feinmechanischen Drehratensensoren wird dies aktiv durch iterative mechanische Materialabtragung an unterschiedlichen Stellen im Sensorelement erreicht. Durch dieses Verfahren wird das Hauptachsensystem der Masse- oder Federsteifigkeitstensoren für Primär- und Sekundärschwingung derart modifiziert, dass die zunächst vorhandene Verdrehung des Koordinatensystems der Sensorelementmechanik K gegenüber dem Koordinatensystem der Detektionsmittel KD rückgängig gemacht wird.
Bei Drehratensensoren aus einkristallinem Quarzmaterial wird teilweise durch Lasertrimmung eine Materialabtragung an ausgezeichneten Stellen im Sensorelement vorgenommen. Auch hier wird der Masse- oder Federsteifigkeitstensor derart modifiziert, dass schlussendlich die Verdrehung von K gegenüber KD im wesentlichen rückgängig gemacht wird.
Auch bei mikromechanischen Drehratensensoren aus einkristallinem Silizium wird die Lasertrimmung an Massestrukturen verwendet (z.B. VSG bzw. CRS-03 von Silicon Sensing Systems Ltd.). Weiterhin ist allgemein bekannt, für allgemeine Stimmgabel- Drehratensensoren die Lasertrimmung an ausgezeichneten FederStrukturen innerhalb der Sensorstruktur. Mit diesem Verfahren kann im Betrieb der Sensorelemente in der Primärschwingung gezielt das Hauptachsensystem des Federkonstantentensors solange modifiziert werden, bis K und KD übereinstimmen und somit das Quadratursignal eliminiert ist. Die hier beschriebenen Verfahren eliminieren die Quadratur im Sensorelement selbst und sind daher bezüglich Sensorperformance dem ersten Verfahren überlegen. Jedoch stellt das Auswuchten einen aufwendigen und oftmals iterativen sowie langwierigen und damit sehr kostenintensiven Prozess dar.
Gemäß eines weiteren allgemein bekannten Verfahrens gemäß dem Stand der Technik wird eine elektronische Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren durchgeführt. Hierbei wird die Unterdrückung des Quadratursignals durch gezielte Injektion eines elektrischen Signals in die elektronische Wandlereinheit an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt erzielt. Hierbei wird die Größe des Signals so gewählt, dass es das durch die Quadratur erzeugte Signal an den Detektionsmitteln genau kompensiert.
Auch bei dieser Methode (analog zum ersten Verfahren gemäß dem Stand der Technik) wird die mechanische Ursache für das Quadratursignal selbst nicht eliminiert. Im Gegensatz zur ersten Methode wird jedoch hier das Quadratur ignal noch vor der primären Signalwandlung unterdrückt. Dies kann die Anforderungen an Dynamikbereich und Rauschen der primären Signalwandlung reduzieren.
Ein gravierender Nachteil der beschriebenen Methode ist jedoch, dass sie nur für eine ganz spezielle Auslegung der Sensor- Auswerteelektronik geeignet ist. Diese Auswertemethode (Basisbandauswertung) hat jedoch gravierende prinzipiell bedingte Nachteile (elektrisches Übersprechen, etc.) und kann daher für die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Drehratensensoren nicht angewendet werden.
In der US 6067858 wird ein weiteres Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur elektronischen Quadraturkompensation in kapazitiven mikromechanischen Drehratensensoren diskutiert. Zwischen beweglichen Kammfingern und feststehenden Elektroden werden unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt. Der er indungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch ein spezielles Verfahren, basierend auf der gezielten Einwirkung statischer Kräfte, eine Reduktion der
Quadratursignale erreicht wird. Dabei werden durch an geeigneten Teilen der Sensorstruktur angebrachte Elektrodenstrukturen durch gezieltes Anlegen von äußeren elektrischen Gleichspannungen zeitlich konstante (statische) elektrostatische Kräfte auf die Sensorstruktur ausgeübt. Durch die geeignete Anbringung der Elektrodenstrukturen (QuadraturkompensationsStrukturen) wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung gedreht wird, wobei der Drehwinkel durch die Höhe der Spannung eingestellt werden kann. Dadurch kann das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis-Effekt in Übereinstimmung gebracht werden und somit die Quadratur unterdrückt werden. Die Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Quadraturkompensation mittels statischer Kräfte dar. Die Kräfte werden dabei durch an ausgezeichneten Teilen der Sensorstruktur angebrachten Elektrodenstrukturen erzeugt, dergestalt dass eine äußere elektrische Gleichspannung an fest gegenüber dem Substrat aufgehängten Elektroden gegenüber der beweglichen Sensorstruktur angelegt wird. Durch die geeignete Anbringung dieser Elektrodenstrukturen
(Quadraturkompensationsstrukturen) wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung derart gedreht wird, dass es exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis-Effekt KD in Übereinstimmung gebracht wird und somit die Quadratur unterdrückt werden kann. Die Erfindung stellt somit ein statisches Verfahren zur Quadraturkompensation dar. Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt ähnlich wie ein mechanisches Auswuchten der Sensorstruktur. Gegenüber dem physikalischen Auswuchten besitzt es jedoch den Vorteil, dass die Kompensation hier durch Anlegen einer äußeren Spannung (durch Abgleich) erfolgen und somit ein teurer Prozessschritt entfallen kann. Des Weiteren ist das Verfahren kompatibel mit allen denkbaren Sensor-Auswerteelektroniken.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen
Figur 1 die Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehratensensor in Grobansicht,
Figur 2 eine Teilstruktur eines erfindungsgemäßen
Drehratensensors in Detailansicht und
Figur 3 eine Detailansicht von erfindungsgemäßen
KompensationsStrukturen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Im Nachfolgenden wird eine mögliche Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur statischen
Quadraturkompensation beispielhaft an einem mikromechanischen Drehratensensor dargestellt.
Das Verfahren kann auf eine spezielle Klasse von Drehratensensoren angewendet werden. Dabei handelt es sich um linearschwingende Vibrationsgyroskope. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung erläutert, wobei zunächst die für das Verständnis der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung wesentlichen funktionalen Bauteile des Drehratensensors anhand der Grobdarstellung von Fig. 1 kurz beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf die strukturierten Teile bzw. der Struktur eines Drehratensensors bzw. eines Drehraten- Sensorelements, wobei das unter der insbesondere mikromechanisch strukturierten Struktur des Drehratensensors liegende Substrat aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist.
Für das Substrat und die über dem Substrat angeordneten Sensorele ente wird als Material bevorzugt Silizium verwendet, welches durch entsprechende Dotierungen leitend ausgebildet ist. Das Substrat kann durch isolierende Schichten dort, wo es erforderlich ist, elektrisch isoliert werden. Es können aber auch andere Materialien wie Keramik, Glas oder Metalle für den erfindungsgemäßen Drehratensensor verwendet werden.
Der in Figur 1 dargestellte Drehratensensor ist erfindungsgemäß insbesondere zur Herstellung in reiner Oberflächenmikromechanik ausgelegt. Sensiert wird eine Drehung um die Substratnormale (z- Achse) , d.h. eine Achse, die senkrecht auf der Substratoberfläche steht und die im folgenden auch als dritte Achse bezeichnet wird. Alle beweglichen Teile der Struktur sind erfindungsgemäß im wesentlichen vollständig ladungsleitend, d.h. elektrisch leitend.
Die Sensorstruktur umfaßt erfindungsgemäß insbesondere zwei bevorzugt symmetrisch ausgelegten TeilStrukturen, die im linken bzw. rechten Teil der Figur 1 dargestellt sind und mit den Bezugszeichen 50a und 50b bezeichnet sind. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass die erfindungsgemäße Sensorstruktur lediglich eine solche Teilstruktur 50a umfaßt.
Jede der Teilstrukturen 50a, 50b umfaßt drei gegenüber dem Substrat, mit dem das Referenzkoordinatensystem verbunden ist, bewegliche Einzelmassen. Hierbei ist innerhalb der TeilStrukturen jeweils eine erste Masse als Antriebsmasse la,lb vorgesehen. Sie ist so mit Federn 5a, 5b mittels Verankerungsmitteln 18a, 18b am Substrat aufgehängt, dass die Antriebsmasse bevorzugt nur eine In-Plane-Bewegung (parallel zur Substratebene) in einer ersten Richtung bzw. gemäß einer ersten Achse (X-Achse) ausführen kann und eine In-Plane-Bewegung in einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse (Y-Achse) unterdrückt wird. Hierzu sind die Federn 18a, 18b in in x- Richtung weich und in y-Richtung steif . Die erste Achse wird auch Antriebsachse X genannt; die zweite Achse wird auch Detektrionsachse Y genannt .
Innerhalb der TeilStrukturen 50a, 50b ist weiterhin eine dritte Masse, die im folgenden auch Detektionselement 3a, 3b genannt wird, so mit Federn 6a, 6b gegenüber dem Substrat aufgehängt, dass diese bevorzugt eine In-Plane-Bewegung nur in der Detektionsrichtung Y ausführen kann und eine Bewegung in Antriebsrichtung X unterdrückt wird. Hierzu sind die Federn 6a, 6b in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif.
Innerhalb der Teilstrukturen 50a, 50b ist jeweils eine zweite Masse als Corioliselement 2a, 2b mit der ersten Masse la, lb und der dritten Masse 3a, 3b mit Federn 7a, 7b, 8a, 8b derart verbunden, dass das Corioliselement 2a, 2b gegenüber der Antriebsmasse la, lb eine In-Plane-Relativbewegung bevorzugt nur in Detektionsrichtung ausführen kann und eine Relativbewegung in Antriebsrichtung unterdrückt wird, und dass das Corioliselement 2a, 2b gegenüber dem Detektionselement 3a, 3b eine In-Plane- Relativbewegung bevorzugt nur in x-Richtung ausführen kann und eine Relativbewegung in y-Richtung unterdrückt wird, derart, dass das Corioliselement 2a, 2b sowohl eine Bewegung in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung ausführen kann. Hierzu sind die Federn 7a, 7b zwischen dem Corioliselement 2a, 2b und dem Detektionselement 3a, 3b in X-Richtung weich vorgesehen und in Y-Richtung steif vorgesehen. Die Federn 8a, 8b zwischen dem Corioliselement 2a, 2b und der Antriebsmasse la, lb sind in y- Richtung weich vorgesehen und in x-Richtung steif vorgesehen.
Die Antriebmasse la, lb, das Corioliselement 2a, 2b und das Detektionselement 3a, 3b werden im folgenden gemeinsam auch als bewegliche Sensorelemente la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b bezeichnet, da sie gegenüber dem Subtrat eine gewisse - durch die Federelemente eingeschränkte - Beweglichkeit aufweisen. Die Sensorelemente la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b sind erfindungsgemäß insbesondere als im wesentlichen rechteckige, rahmenförmige Strukturen vorgesehen, wobei das Corioliselement 2a, 2b, das Detektionselement 3a, 3b umgibt und wobei die Antriebsmasse la, lb das Corioliselement 2a, 2b umgibt.
Bei einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur mit zwei Teilstrukturen 50a, 50b sind beide Corioliselemente 2a, 2b über Federn 11 so verbunden, dass eine direkte mechanische Kopplung beider Teilstrukturen 50a, 50b sowohl in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung vorliegt, derart dass es zur Ausbildung von parallelen und antiparallelen Schwingungsmoden in x-Richtung (unter Beteiligung der Antriebsmassen la, lb und der Corioliselemente 2a, 2b kommt (Nutzmoden Antrieb, Primärschwingung) und dass es zur Ausbildung von parallelen und antiparallelen In-Plane-Schwingungsmoden in y-Richtung (unter Beteiligung der Corioliselemente 2a, 2b und der Detektionselemente 3a, 3b) kommt (Nutzmoden Detektion, Sekundärschwingung) .
Die Anregung bzw. der Antrieb der Struktur (Primärschwingung) erfolgt bevorzugt in der antiparallelen Antriebsmode (die erste Masse la der ersten Teilstruktur 50a bewegt sich gegenphasig zu der ersten Masse lb der zweiten Teilstruktur 50b) . Die bei einer äußeren Drehrate um die z-Achse auftretenden Coriolis- Beschleunigungen sind dann ebenfalls gegenphasig und führen bei geeigneter Auslegung der Strukturen zu einer Anregung der antiparallelen Detektionsmode (Sekundärschwingung) . Der dadurch erzeugte erwünschte Messeffekt kann dann durch geeignete Auswertung direkt unterschieden werden von einem (unerwünschten) Messeffekt, hervorgerufen durch äußere Linearbeschleunigungen in y-Richtung, welche gleichphasig auf die Detektion beider TeilStrukturen wirken würden. Die Anregung der Primärschwingung erfolgt über interdigitale Kammantriebe (Comb-Drives) an den Antriebs assen la, lb; ebenso die Detektion der Antriebsbewegung. Hierzu ist erfindungsgemäß eine erste Elektrode 12a, 12b und eine zweite Elektrode 13a, 13b vorgesehen, die die Primärschwingungen erzeugen. Die erste Elektrode 12a, 12b ist mit dem Substrat starr verbunden aber elektrisch isoliert vorgesehen. Die zweite Elektrode 13a, 13b ist mit der Antriebsmasse la, lb mechanisch starr und elektrisch leitend verbunden. Die erste Elektrode 12a, 12b und die zweite Elektrode 13a, 13b greifen hierbei fingerartig ineinander und bilden so Kammstrukturen. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden ist es somit möglich, vom Substrat eine Kraft auf die Antriebsmasse la, lb auszuüben.
Die Detektion der Coriolis-Beschleunigung erfolgt an Detektionsmitteln insbesondere in Form von dritten und vierten Elektroden innerhalb des Detektionselementes 3a, 3b. Das Detektionselement 3a, 3b ist dazu so ausgelegt, dass es die vierte Elektrode als den beweglichen Teil 16a, 16b einer Plattenkondensatoranordnung bildet. Als dritte Elektrode wird ein fester Teil 15a, 16b der Plattenkondensatoranordnung bezeichnet und ist mechanisch starr (aber elektrisch isoliert) mit dem Substrat verbunden. Dabei ist der feste Teil als aufgespaltete Elektrode ausgelegt, so dass die gesamte Anordnung einen Differenz-Plattenkondensator bildet.
In der Sensorstruktur erfolgt die Detektion an einer ruhenden Struktur (Detektion „in Ruhe") . Dies besagt, dass das Detektionselement 3a, 3b und somit die bewegliche Elektrode 16a, 16b der Plattenkondensatoranordnung, im wesentlichen keine Antriebsbewegung ausführt. Durch die Aufteilung der TeilStrukturen 50a, 50b des Drehratensensors in Antriebsmasse la, lb, Corioliselement 2a, 2b und Detektionselement 3a, 3b wird eine zweifache Entkopplung der Detektionsbewegung von der Antriebsbewegung erreicht. In Figur 2 ist die linke Teilstruktur 50a aus Figur 1 eines erfindungsgemäßen Drehratensensors in Detailansicht dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist dabei nur eine Teilstruktur (links) des Sensorelements gezeichnet.
Bei der Auslegung der Drehratensensoren wird per Design (durch Wahl geeigneter Symmetrien) ein ausgezeichnetes kartesisches Koordinatensystem K= (x,y) für die Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene vorgegeben. Die Massen- und Federverteilungen sollten idealerweise derart ausgelegt werden, dass die Hauptachsensysteme der Massen- und Federsteifigkeitstensoren für die Primär- und Sekundärschwingungen exakt mit K übereinstimmen.
Des weiteren wird bei der Ausführung der Detektionsmittel darauf geachtet, dass durch den Betrieb der Sensoren in der Primärschwingung (ohne äußere Drehrate) keine Signale an den Detektionsmitteln für den Coriolis-Effekt entstehen. Dazu sollten die Detektionsmittel so ausgelegt werden, dass deren ausgezeichnetes Koordinatensystem KD ebenfalls mit dem Koordinatensystem der Mechanik K übereinstimmt, d.h. es gilt: KD=(x,y) .
Wenn die Koordinatensysteme K und KD, beispielsweise wegen FertigungsSchwankungen, nicht vollständig übereinstimmen, kann es zu Quadratursignalen kommen.
Unterschieden wird zwischen positiven und negativen Quadratursignalen in Bezug zum Coriolis-Messeffekt: bei Bewegung der linken Teilstruktur 50a in Figur 2 in der Primärschwingung in positive x-Richtung und einer positiven äußeren Drehrate um die z-Achse wirkt die Coriolis-Beschleunigung in die negative y- Richtung. Ein positives Quadratursignal wirkt in dieselbe Richtung, ein negatives Quadratursignal in die entgegengesetzte Richtung. Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor werden durch an geeigneten Teilen - insbesondere der Antriebsmasse la, lb, dem Corioliselement 2a, 2b und dem Detektionselement 3a, 3b - der Sensorstruktur angebrachten Elektrodenstrukturen durch gezieltes Anlegen von äußeren elektrischen Gleichspannungen zeitlich konstante (statische) elektrostatische Kräfte auf die Sensorstruktur ausgeübt. Durch die geeignete Anbringung dieser Elektrodenstrukturen, die im folgenden auch als Quadraturkompensationsstrukturen bzw. als
Kompensationsstrukturen bezeichnet werden, wird erreicht, dass das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K durch die äußere elektrische Spannung gedreht wird, wobei der Drehwinkel durch die Höhe der Spannung eingestellt werden kann. Dadurch kann das Hauptachsensystem der Sensorelementmechanik K exakt mit dem Hauptachsensystem der Detektionsmittel für den Coriolis- Effekt KD in Übereinstimmung gebracht werden, und somit die Quadratur unterdrückt werden. Die Erfindung stellt demzufolge ein statisches Verfahren zur Quadraturkompensation dar.
In Fig. 2 sind elektrostatische Quadraturkompensationsstrukturen 19, 20 beispielhaft innerhalb dem Corioliselement 2a dargestellt. Die KompensationsStrukturen sind erfindungsgemäß in Form von zwei Unterstrukturen vorgesehen, wobei eine erste Unterstruktur 19 die positiven Quadratursignale kompensiert und wobei eine zweite Unterstruktur die negativen Quadratursignale kompensiert. Solche zwei Unterstrukturen sind insbesondere deshalb sinnvoll, weil - da erfindungsgemäß über elektrostatische Kräfte insbesondere attraktive Kräfte ausgeübt werden - dann eine Drehung des Koordinatensystems K sowohl in positiver als auch in negativer Richtung bewirkt werden kann.
In Fig. 3 sind Detailansichten auf die KompensationsStrukturen 19, 20 am Beispiel ihrer Realisierung am Corioliselement 2a dargestellt. Fig. 3a stellt eine Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a ohne Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage (d.h. die Verschiebung des Corioliselements 2a in X-Richtung verschwindet) dar, d.h. X = 0. Figur 3b stellt die Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a mit einer Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage in positiver X-Richtung dar, d.h. X = +Xo. Figur 3c stellt die Kompensationsstruktur 19, 20 mit dem Corioliselement 2a mit einer Auslenkung des Corioliselements 2a aus seiner Gleichgewichtslage in negativer X-Richtung dar, d.h. X = -Xo.
Jede der Unterstrukturen 19, 20 der Kompensationsstruktur ist erfindungsgemäß insbesondere als Kondensatoranordnung mit einer fünften Elektrode und einer sechsten Elektrode vorgesehen. Aus dem Corioliselement 2a sind geeignete Bereiche 60 ausgeschnitten, die im folgenden auch als Ausschnitte 60 bezeichnet werden. Die Ausschnitte 60 sind erfindungsgemäß insbesondere als rechteckige Ausschnitte 60 vorgesehen. Die Seitenwände dieser Ausschnitte 60 bilden jeweils die sechste Elektrode (19b, 20b) der elektrostatischen Kompensationsstruktur 19, 20. In den Ausschnitten 60 sind als fünfte Elektroden mechanisch starr mit dem Substrat verankerte Gegenelektroden (Plattenkondensatorstrukturen) (19a, 20a) vorgesehen. Die fünften Elektroden 19a und die ebenfalls fünften Elektroden 20a sind erfindungsgemäß, insbesondere über Leiterbahnen unterhalb der beweglichen Strukturen des Drehratensensors, jeweils elektrisch miteinander verbunden - wobei jedoch die fünften Elektroden 19a von den fünften Elektroden 20a elektrisch isoliert vorgesehen sind - , jedoch elektrisch isoliert gegenüber dem Substrat ausgeführt, so dass an diese Elektroden 19a, 20a von außen gewünschte elektrische Potenziale gegenüber der beweglichen Sensorstruktur angelegt werden können.
Die feststehenden fünften Elektroden (19a, 20a) sind asymmetrisch innerhalb der ausgeschnittenen Bereiche vorgesehen. Dies bedeutet, dass für die erste Unterstruktur 19 einer Kompensationsstruktur die fünfte Elektrode 19a beispielsweise näher am rechten Rand des entsprechenden Ausschnitts 60 vorgesehen ist und dass für die zweite Unterstruktur 20 einer Kompensationsstruktur die sechste Elektrode 20a beispielsweise näher am linken Rand des entsprechenden Ausschnitts 60 vorgesehen ist. In Ruhelage des Coriolislements 2a werden dadurch bei angelegten äußeren Quadraturkompensationsspannungen (elektrische Gleichspannungen) zwischen den fünften und sechsten Elektroden 19a, 20a, 19b, 20b statische Kräfte auf das Corioliselement 2a in y-Richtung ausgeübt. Die Größe dieser Kräfte kann erfindungsgemäß über die Gleichspannung zwischen den fünften und sechsten Elektroden insbesondere kontinuierlich verändert werden. Die Richtung der Kräfte ist durch die Asymmetrie der Anordnung vorgegeben. Hierbei ist die erste Unterstruktur 19 der in Figur 3 dargestellten
Kompensationsstruktur erfindungsgemäß in der Lage, Kräfte nach links auszuüben, was in Figur 3a mit einem im Bereich einer zum Bezugszeichen 19 gehörenden geschweiften Klammer nach links weisenden Pfeil dargestellt ist. Die zweite Unterstruktur 20 der in Figur 3 dargestellten Kompensationsstruktur ist erfindungsgemäß in der Lage, Kräfte nach rechts auszuüben, was in Figur 3a mit einem im Bereich einer zum Bezugszeichen 20 gehörenden geschweiften Klammer nach rechts weisenden Pfeil dargestellt ist.
Zur Kompensation von Quadratursignalen im Sensorelement ist es erfindungsgemäß vorgesehen, an einer der Unterstrukturen 19, 20 eine elektrische Kompensationsspannung beispielsweise gegenüber dem Corioliselement 2a anzulegen, um eine statische Kraftwirkung auf das Corioliselement 2a zu erzielen. Erfindungsgemäß ist es aber auch vorgesehen, die Kompensationsstrukturen 19, 20 so vorzusehen, dass eine statische Kraftwirkung auf eine andere oder mehrere der Sensorstrukturen erzielt wird.
Durch die Kraftwirkung der Kompensationsstrukturen 19, 20 ändern sich bei einer Bewegung des Corioliselements 2a in der Primärschwingung mit der Amplitude x0 die resultierenden Kräfte auf die Struktur nicht. Daher werden diese Kräfte auch statische Kompensationskräfte genannt.
In Fig. 2 ist die Wirkung der Kompensationskräfte näher erläutert. Die Richtung der statischen Kompensationskräfte ist dabei wiederum durch nach links weisende Pfeile im Bereich der ersten Unterstruktur 19 und durch nach rechts weisende Pfeile im Bereich der zweiten Unterstruktur 20 dargestellt. Durch die geeignete Anordnung der Kompensationsstrukturen (19,20) wird erreicht, dass durch die resultierenden Kräfte auf die CorMasse (2a) ein Drehmoment um den in Figur 2 mit dem Bezugzeichen S bezeichneten Schwerpunkt des Corioliselements 2a erzeugt wird, jedoch kein linearer Kraftanteil in y-Richtung vorliegt. Erfindungsgemäß ist die Kraftwirkung durch die an die Kompensationsstrukturen angelegten Spannungen derart, dass eine Verdrehung des - im betrachteten Beispiel - Corioliselements 2a und damit auch eine Verdrehung des Hauptachsensystems des Corioliselements 2a gegenüber dem Substrat bewirkt wird. In Figur 2 ist die erste Unterstruktur 19 auf einer ersten Seite des Corioliselements 2a (welche in der Figur 2 im oberen Figurbereich dargestellt ist) eher im rechten Bereich der Figur vorgesehen und die zweite Unterstruktur 20 ist auf der ersten Seite eher im linken Bereich der Figur 2 vorgesehen. Auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Corioliselements 2a (in der Figur 2 im unteren Figurbereich dargestellt) ist es umgekehrt: die erste Unterstruktur 19 ist eher im linken Bereich der Figur 2 vorgesehen und die zweite Unterstruktur 20 ist eher im rechten Bereich der Figur 2 vorgesehen. Daher kommt es durch Anlegen einer Spannung an der ersten Unterstruktur 19 zu einer Verdrehung des bzw. zu einem Drehmoment auf das Corioliselements 2a im Uhrzeigersinn in der Figur 2 und durch Anlegen einer Spannung an der zweiten Unterstruktur 20 zu einer Verdrehung des bzw. zu einem Drehmoment auf das Corioliselements 2a entgegen des Uhrzeigersinns in der Figur 2. Hierdurch ist es erfindungsgemäß keine Quadratursignale auf, was deutlich reduzierte Anforderungen an die primäre Sensor-Signalauswertung bzw. verbesserte Sensorperformance zur Folge hat. Die Erfindung beruht auf der Wirkung statischer Kräfte. Hierdurch ist eine leichte Umsetzbarkeit in Oberflächenmikromechanik gegeben. Die Erfindung ist einsetzbar für alle Vibrationsgyroskope, deren Primär- und Sekundärschwingung innerhalb der Substratebene verläuft. Darüberhinaus ist die Erfindung kompatibel mit unterschiedlichsten Sensor-Auswerteschaltungskonzepten.

Claims

Ansprüche
1. Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis- Element (2a, 2b) , das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist, wobei das Coriolis-Element (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse (X) anregbar ist, wobei eine Auslenkung des Coriolis-Elements (2a, 2b) aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer zweiten Achse (Y) , die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (X) vorgesehen ist, nachweisbar sind, wobei die erste und zweite Achse (X, Y) parallel zur Oberfläche des Substrats vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Substrat zumindest teilweise beweglich vorgesehene Sensorelemente (la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b) vorgesehen sind, wobei kraftvermittelnde Mittel (19, 20) vorgesehen sind, wobei die Mittel (19, 20) vorgesehen sind, eine statische Kraftwirkung zwischen dem Substrat und wenigstens einem der Sensorelemente (la, lb, 2a, 2b, 3a, 3b) zu vermitteln.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf das Corioliselement (2a, 2b) ausgeübt wird.
3. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf eine Antriebsmasse (la, lb) ausgeübt wird.
4. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung auf ein Detektionselement (3a, 3b) ausgeübt wird.
5. Dre ratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (19, 20) derart vorgesehen sind, dass die statische Kraftwirkung einem Drehmoment bezüglich einer im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Substrats stehenden dritten Achse (Z) entspricht .
6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (19, 20) Kompensationsstrukturen mit einer ersten Unterstruktur (19) und einer zweiten Unterstruktur (20) vorgesehen sind.
7. Drehratensensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstrukturen (19, 20) asymmetrisch vorgesehen sind.
8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsmitte (12a, 13a, 12b, 13b) vorgesehen sind, durch die das Corioliselement (2a, 2b) zu Schwingungen parallel zu der ersten Achse (X) anregbar ist, und dass Detektionsmittel (15a, 16a, 15b, 16b, 17) vorgesehen sind, durch die eine Auslenkung des Corioliselements (2a, 2b) aufgrund der Corioliskräft in der zweiten Achse (Y) nachweisbar ist.
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