WO2005098358A2 - Rotations-drehratensensor mit mechanisch entkoppelten schwingungsmoden - Google Patents

Rotations-drehratensensor mit mechanisch entkoppelten schwingungsmoden Download PDF

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WO2005098358A2
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Oliver Schwarzelbach
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V.
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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
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure

Definitions

  • the present invention relates to a rotation rate sensor, in particular a micromechanical rotation rate sensor for detecting a rotary movement using the Coriolis force induced by this movement.
  • Micromechanical rotation rate sensors are known. For some time now, they have been able to be built on a silicon wafer using classic etching techniques. They can comprise a first element arranged in an xy plane (primary oscillator, drive element), which is excited to an oscillating oscillation, and a second element, used for the detection (secondary oscillator, output element), which is connected to the first element via connecting links connected is.
  • the Coriolis force acts with 2m v r xu on the mass points of the body in rotational oscillation; This force is transmitted to the detection element by suitable measures, such that it is deflected out of the xy plane.
  • suitable means for example capacitive electrodes.
  • EP 0906557 B1 describes a rotation rate sensor with decoupled orthogonal primary and secondary vibrations.
  • the primary oscillator is fastened in the middle of the substrate via a primary oscillation suspension and holds a secondary oscillator located in the same plane and provided as a detection element via torsion springs, the torsion springs inducing the induced oscillation
  • Vibration of the primary vibrator is rigidly transmitted to the secondary vibrator.
  • the Coriolis force acts on both elements.
  • the secondary oscillator is thereby tilted out of its plane, the primary oscillator remains in this plane because, on the one hand, it is anchored to the substrate in such a way that tilting out of this plane is not possible and, on the other hand, the torsion springs retransfer the r to the secondary oscillator prevent Coriolis force acting on the primary transducer.
  • Vibration element which is excited to a radial vibration, arranged in a circle around a tiltable sensor element, which is attached to the substrate via two anchors.
  • Torsion springs connect the vibration element to the sensor element, and these are designed such that they neither transmit the vibration of the vibration element to the sensor element nor transmit the tilting movement of the sensor element caused by Coriolis force back to the vibration element.
  • the two aforementioned rotation rate sensors are designed in such a way that they are able to detect a rotary movement that is perpendicular to the axis of the excited rotary vibration.
  • the detection of the rotary movement is therefore always carried out by deflecting the detection element out of the plane of the excitation vibration; the detection element tilts on one side in the direction of the substrate on which the structure of vibration and
  • Detection element is anchored. If there are gas molecules between the substrate and the detection element, they can have a damping or distorting effect. It is therefore necessary that such rotation rate sensors are sealed in a well-evacuated housing.
  • the vibration modes of the vibration element and the detection element of the aforementioned rotation rate sensors are not decoupled in the vibration plane of the vibration element. They are therefore not able to detect a rotary movement that takes place around the same axis in which the excitation element also vibrates.
  • US Pat. No. 6,308,567 B1 proposes a rotation rate sensor in which two pairs of masses lying opposite one another are excited to a torsional vibration in the opposite direction to one another. Due to this vibration, of course, a radially outward centrifugal force acts on all these masses. If a rotational movement (to be detected) is impressed on this system from outside, the vector of the resulting Coriolis force acts radially outwards for one pair of masses and inwards for the other. The factually measured force of the one mass pair is then subtracted from that of the other mass pair by an arithmetic operation, whereby the centrifugal force is shortened from the overall equation, while the absolute values of the Coriolis force add up positively.
  • the object of the present invention is to provide a rotation rate sensor which overcomes this disadvantage.
  • VD, VD * excitation (drive) oscillation
  • reference oscillation fo fo frequency of VD
  • VD * f 1 resonance frequency of this oscillation system
  • f2 is approximately equal to f1.
  • fMD modulation frequency for recording the reference vibration
  • fMS modulation frequency for recording the measurement vibration
  • Figure 1 shows a schematic plan view of a specific embodiment of the rotation rate sensor according to the invention.
  • FIG. Figure 3 shows schematically the structure of a rotation rate sensor according to the invention in section through an xz or yz plane and a possible manufacturing technique for such sensors.
  • FIG. 4 shows how the resonance frequencies of reference oscillation f 1
  • the frequency of the centrifugal force (2 x reference vibration) lies in the strongly damped range.
  • the frequencies (1) and (2) can be set geometrically.
  • Figure 5 shows a possible evaluation electronics for the invention
  • Rotation rate sensor in a simplified form. This is a so-called high modulation method, which is often used in the evaluation of capacitive sensors.
  • Two synchronous demodulators (combinations of multiplier / low-pass filter) extract the amplitude values of the desired frequency components (first those of the modulation signal fMS, then those of the excitation oscillation fo) step by step from the total signal.
  • FIG. 6 shows a specific embodiment of a rotation rate sensor according to the invention in the rest position.
  • FIG. 7 shows the sensor of FIG. 6 in the deflected position with respect to the applied rotational vibration according to a first embodiment of the invention.
  • the position of the sensor shown in FIG. 9 results from the action of a rotary movement to be detected either on the rotationally vibrating sensor according to the first embodiment of the invention as shown in FIG. 7 or on the sensor vibrating in the radial direction according to the second embodiment of the invention as in FIG 8 shown.
  • the rotation rate sensor according to the invention differs from the previously known rotation rate sensors in that it has one or more detection element (s) whose vibration mode is / are mechanically decoupled from the vibration mode of the vibration element (s), although both vibration element (s) and Swing the detection element (s) in the same plane.
  • This decoupling is achieved by providing connecting elements between vibration element (s) and detection element (s), which on the one hand transmit rotational vibrations (excitation vibration v D , detection vibration vs) stiffly between the vibration element and the detection element, but on the other hand are designed so that a radial vibration of the vibration element or the detection element does not affect the each other element is transferred.
  • These connecting elements can be designed as radially vibratable springs, the resonance frequency f2 of which is the same as the resonance frequency f 1 of the excitation vibration VD or the resonance frequency f1 * of the detection vibration vs. If the oscillation element is excited to a rotational oscillation, its oscillation mode acts on the detection element at twice the frequency due to the centrifugal force which is always directed radially outwards from the anchor point. If the oscillation element is excited to a radial oscillation, the detection element gets into a rotation oscillation due to the Coriolis force due to an external rotational movement of the sensor, and here the oscillation mode of the detection element acts on the oscillation element with twice the frequency for the same reason.
  • the decoupling between the two oscillation modes results as follows: a) If the drive oscillation is a rotational oscillation, due to the fact that the rotation rate acts on the detection element in such a way that the Coriolis force causes it to be set into a radial oscillation with the frequency of the excitation oscillation fo; (The interference signal with the frequency 2 * f D , which is generated by the centrifugal force, can be separated from the useful signal with the frequency f, which is generated by the rotation rate-dependent Coriolis force, using suitable filter electronics; e.g.
  • the drive oscillation is a radial oscillation, in that the rotation rate acts on the detection element in such a way that the Coriolis force causes it to be set into a rotational oscillation which has the same frequency as the excitation oscillation fo *;
  • the interference signal can be separated from the excitation vibration as described under a)) or c) by operating the arrangement in such a way (e.g. under vacuum) that mechanical, radial vibrations with frequencies beyond the resonance frequency of the excitation vibration, such as the interference signal the frequency 2 * fo, are strongly attenuated; or d) by a combination of a) and c) or e) by a combination of b) and c).
  • FIG. 3 schematically shows how the yaw rate sensors according to the invention can be constructed on average through an x-z or y-z axis and how they can be manufactured.
  • the structure shown is particularly favorable, since it is formed from only a few components and enables an integral structure of armature, vibration element, connecting elements (springs) and detection elements: a substrate, e.g. a silicon wafer, is covered with a structured sacrificial layer, e.g. an oxide that can be redissolved with a suitable solvent.
  • a structurable layer of a material, e.g. Polysilicon applied, from which the vibration element, the anchor structure, the connecting elements and the detection elements are to be formed (Fig. 3a).
  • the structurable layer is connected directly to the substrate at the location of the later anchor. It can only be two-dimensional, e.g. be structured by suitable measures such as exposure through a shadow mask and subsequent removal of the unexposed, non-crosslinked areas (FIG. 3b). The sacrificial layer is then dissolved and removed.
  • the rotation rate sensor according to the invention can be operated in various ways.
  • at least one oscillation element can be excited to a rotation oscillation, and the Coriolis force occurring during a rotational movement of the sensor is measured as a radial oscillation.
  • the centrifugal force caused by the excitation oscillation does not interfere with the measurement.
  • at least one oscillation element can be excited to produce a radial oscillation, and in this case the Coriolis force that occurs when the sensor rotates is detected as a rotational oscillation.
  • the occurrence of centrifugal force (caused by the rotational vibration) does not directly affect the detection of the Coriolis force, care must be taken here that the centrifugal force does not disturb the radial excitation vibration.
  • rotation rate sensor can have the same design for both variants, the individual parts function differently. Therefore, both variants will be described below with reference to figures in which the same parts are identified with the same reference numerals. Because of the different Functions of these parts are named differently in the corresponding explanations.
  • FIGS 1 and 6 show two embodiments of the rotation rate sensor according to the invention, which can be operated in the two ways described.
  • the sensor has a vibration element 1, which physically represents a freely moving mass.
  • the shape of this element can be chosen freely depending on the other spatial conditions of the sensor structure.
  • the vibration element is connected to the base or substrate via a central anchor structure 3, which is provided with springs in the illustrated embodiments.
  • the number of springs is four in all examples; however, it should be clear that a different number of springs can also be used.
  • Masses 5, which function as detection elements, are fastened to the vibration element 1 via connecting elements 4 designed as springs.
  • the configuration of the connecting elements as springs is exemplary, as is the number of springs and the associated detection elements.
  • FIG. 6 shows a mirror-symmetrical embodiment variant with two detection elements, each of which is arranged in a recess of the vibration element via two springs.
  • Capacitive electrodes or the like e.g. designed as interdigital structures that
  • Vibrating elements (reference number 6 in the first variant) and measure their position (reference number 7 in the first variant), and the radial position of the detection element is detected by electrode structures (reference numbers 8 and 9 in the first variant), which are also e.g. can be interdigital electrodes.
  • the vibration element 1 is set into a rotational vibration, ie excitation vibration VD with a constant frequency (fo) and amplitude around the anchor point (the z-axis) and parallel to the substrate plane (xy plane) (see FIG. 7).
  • the excitation of the rotational oscillation can take place according to known methods and using known elements, for example by attaching interdigital structures to which an AC voltage with the frequency fo is applied. In principle, such structures are already used in other micro rotation rate sensors, see, for example, the two publications mentioned above. Such structures can also be used to record the rotational vibration for monitoring purposes.
  • the detection elements 5 Since the springs 4 are stiff with respect to the rotational vibration, the detection elements 5 connected to them follow this vibration with the same frequency. Spin accelerations do not cause any bending vibration in the direction of rotation. Due to the oscillating rotation, the detection elements 5 are exposed to a centrifugal acceleration a z , which is directed radially outwards with each half-wave of the rotational vibration. The masses are thus excited with a centrifugal force F z (see FIG. 2) whose frequency f z is twice as great as the resonance frequency of the rotary oscillation. f z is therefore equal to 2xf D (indicated by the double arrow).
  • the springs 4 between the vibration element and the detection elements are designed in such a way that a radial vibration that occurs with respect to the anchor element 3 through the detection elements 5 has the same resonance frequency f 2 as the rotational vibration of the vibration element 1 (ie f
  • f 2 ).
  • the Coriolis force F c acting on the detection elements 5 excites them to a radially directed vibration (see FIG. 9).
  • the rate of rotation is modulated in the amplitude of this vibration.
  • a radial vibration is impressed on the sensors, as shown in the sequence of figures 6, 8 and 9. Accordingly, the elements have different functions:
  • the element 1, which functions as a vibration element in the first operating mode, is in this way a detection element, the rotational vibration of which is detected via the interdigital structures 6, 7.
  • the elements 5, which function as detection elements in the first mode of operation, are provided as vibration elements in the second mode of operation, which are excited with the aid of the excitation electrodes 8 to produce a radial vibration which is monitored via the electrodes 9.
  • the detection element is connected to the base or substrate via the central anchor structure 3 and the springs 2.
  • the springs 4 connect the excitation elements 5 to the detection element 6.
  • the vibration elements 5 are set into a radial excitation vibration VD * with constant frequency (fo *) and amplitude in any direction parallel to the substrate plane (x-y plane) (see FIG. 8).
  • Radial vibration can be carried out using the same methods and using the same elements, as described above for the first operating mode.
  • FIGS. 6 and 8 these are elements 8 and 9.
  • Rotational vibration is directed radially outwards.
  • the masses of the excitation element are thus excited with a centrifugal force F z , the frequency f z of which is twice as great as the resonance frequency of the rotational vibration.
  • f z is 2xf D here .
  • the detection of the radial vibration (s) of the detection element (s) can be carried out according to known methods, for example capacitively via interdigital structures.
  • connection elements can also be realized by structures other than the springs described here, provided that they have the functional features described above.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor zur Detektion einer Drehung. Der Sensor weist die folgenden Bestandteile auf: ein Substrat, mindestens ein Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotations- oder Radialschwingung versetzt werden kann, eine Ankerstruktur ein oder mehrere Detektionselement(e), ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, eine Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingungselements und eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen oder rotatorischen Schwingung des oder der Detektionselemente(s). Jedes der Detektionselemente kann in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung des Schwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen oder umgekehrt, wobei aber die durch die Rotationsschwingung Zentrifugalkraft Fz im wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Detektionselemente(s) bzw. das oder der Schwingungselemente(s) auslösen kann. Außerdem werden verschiedene Verfahren zum Betreiben des Sensors bereitgestellt.

Description

Rotations-Drehratensensor mit mechanisch entkoppelten Schwingungsmoden
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondere einen mikromechanischen Drehratensensor zum Detektieren einer Drehbewegung unter Ausnutzung der durch diese Bewegung induzierten Coriolis-Kraft.
Mikromechanische rotatorische Drehratensensoren (Gyroskope) sind bekannt. Seit einiger Zeit lassen sie sich mit Hilfe klassischer Ätztechniken auf einem Siliziumwafer aufbauen. Sie können ein erstes, in einer x-y-Ebene angeordnetes Element (Primärschwinger, drive element), das zu einer oszillierenden Schwingung angeregt wird, und ein zweites, für die Detektion verwendetes Element (Sekundärschwinger, Outputelement) umfassen, das über Verbindungsglieder mit dem ersten Element verbunden ist. Tritt eine Drehbewegung Ω des Sensors um eine Achse senkrecht zur Schwingungsachse auf, wirkt die Corioliskraft mit 2m vrxu auf die Massenpunkte des in Rotationsschwingung befindlichen Körpers ein; durch geeignete Maßnahmen wird diese Kraft auf das Detektionselement übertragen, derart, dass dieses aus der x-y-Ebene heraus ausgelenkt wird. Diese Drehbewegung wird sodann mit geeigneten Mitteln, z.B. kapazitiven Elektroden, erfasst.
Das oben beschriebene System ist bisher in zwei unterschiedlichen Gestaltungsformen realisiert worden. In der EP 0906557 B1 wird ein Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen beschrieben. Der Primärschwinger ist über eine Primärschwingeraufhängung mittig am Substrat befestigt und hält über Torsionsfedern einen in derselben Ebene befindlichen, als Detektionselement vorgesehenen Sekundärschwinger, wobei die Torsionsfedern die induzierte
Schwingung des Primärschwingers starr auf den Sekundärschwinger übertragen. Bei einer Drehung des Sensors um eine Ebene, die senkrecht auf der Ebene steht, in der sich die beiden Schwingungselemente befinden, wirkt die Corioliskraft auf beide Elemente ein. Während der Sekundärschwinger hierdurch aus seiner Ebene verkippt wird, bleibt der Primärschwinger in dieser Ebene, da er zum einen so am Substrat verankert ist, dass ein Verkippen aus dieser Ebene heraus nicht gut möglich ist und zum anderen die Torsionsfedern eine Rückübertragung der auf den Sekundärschwinge r einwirkenden Corioliskraft auf den Primärschwinger verhindern.
Den umgekehrten Weg geht der Vorschlag gemäß US 5,955,668: Hier ist das
Schwingungselement, das zu einer Radialschwingung angeregt wird, kreisförmig um ein verkippbares Sensorelement angeordnet, das über zwei Anker am Substrat befestigt ist. Torsionsfedern verbinden das Schwingungselement mit dem Sensorelement, und diese sind so ausgestaltet, dass sie weder die Schwingung des Schwingungselements auf das Sensorelement übertragen noch die durch Corioliskraft verursachte Kippbewegung des Sensorelements auf das Schwingungselement rückübertragen.
Die beiden vorgenannten Drehratensensoren sind wie erwähnt so ausgelegt, dass sie in der Lage sind, eine Drehbewegung zu detektieren, die senkrecht zur Achse der angeregten Drehschwingung erfolgt. Die Detektion der Drehbewegung erfolgt daher zwangsläufig immer über eine Auslenkung des Detektionselements aus der Ebene der Anregungsschwingung heraus; dabei neigt sich das Detektionselement auf seiner einen Seite in Richtung des Substrates, auf dem die Struktur aus Schwingungs- und
Detektionselement verankert ist. Befinden sich Gasmoleküle zwischen dem Substrat und dem Detektionselement, können diese eine dämpfende oder das Ergebnis verzerrende Wirkung besitzen. Deshalb ist es notwendig, dass derartige Drehratensensoren in einem gut evakuierten Gehäuse verschlossen sind.
In der Schwingungsebene des Schwingungselements sind die Schwingungsmoden von Schwingungselement und Detektionselement der vorgenannten Drehratensensoren nicht entkoppelt. Sie sind daher nicht in der Lage, eine Drehbewegung zu detektieren, die um dieselbe Achse erfolgt, in der auch das Anregungselement schwingt.
Damit dies gelingen könnte, müsste ein Weg gefunden werden, die zu detektierende Kraft unabhängig von der notwendigerweise durch die Anregungsschwingung auftretenden Zentrifugalkraft zu messen. Das US Patent 6,308,567 B1 schlägt hierfür einen Drehratensensor vor, bei dem zwei Paare von einander gegenüberliegende Massen zu einer Drehschwingung in Gegenrichtung zueinander angeregt werden. Aufgrund dieser Schwingung wirkt selbstverständlich auf alle diese Massen eine radial auswärts gerichtete Zentrifugalkraft ein. Wird diesem System von außen eine (zu detektierende) Drehbewegung aufgeprägt, wirkt der Vektor der daraus resultierenden Corioliskraft bei dem einen Massenpaar in Radialrichtung nach außen, bei dem anderen nach innen. Durch eine Rechenoperation wird dann die faktisch gemessene Kraft des einen Massenpaares von der des anderen Massenpaares abgezogen, wodurch sich der Zentrifugalkraft aus der Gesamtgleichung herauskürzt, während sich die Absolutwerte der Corioliskraft positiv addieren.
Um die Symmetrie für das Herausrechnen der Zentrifugalkraft zu gewährleisten, müssen vier C -Wandler eingesetzt werden, die sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Hinzu kommt ein Schaltungsteil zur Durchführung der notwendigen Verrechnungsoperation zur Eliminierung der Zentrifugalkraft. Der hierzu benötigte Auswerteschaltkreis erfordert einen großen Platzbedarf. Dies schlägt sich direkt auf die Produktionskosten nieder.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehratensensor bereitzustellen, der diesen Nachteil überwindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 1 oder 2. Ein Verfahren zum Betreiben des Sensors ist in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachstehend werden folgende Schwingungs- und Frequenzbezeichnungen verwendet:
VD, VD*: Anregungs(Drive)-Schwingung, Referenzschwingung fo, fo Frequenz von VD, VD* f 1 : Resonanzfrequenz dieses Schwingungssystems
fD, fp* ist in der Regel derart gewählt, dass sie mit f1 zusammenfällt, um eine möglichste große Schwingungsamplitude zu erreichen: f D = f 1
vs : Detektions(Sense)-Schwingung, Messschwingung fs : Frequenz von vs f2: Resonanzfrequenz dieses Schwingungssystems
Durch geometrische Anpassung ist f2 ungefähr gleich f1.
fMD: Modulationsfrequenz zur Erfassung der Referenzschwingung fMS: Modulationsfrequenz zur Erfassung der Messschwingung.
fz: Frequenz der durch die Zentrifugalkraft erzeugten (Stör-)Schwingung
Die Erfindung wird unter anderem anhand von Figuren rein beispielhaft näher erläutert:
Figur 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine spezifische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
In Figur 2 sind die Kräfte eingezeichnet, die bei einer Drehung der Vorrichtung auftreten. Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehratensensors im Schnitt durch eine x-z- oder y-z-Ebene sowie eine mögliche Herstellungstechnik für solche Sensoren.
Figur 4 zeigt, wie die Resonanzfrequenzen von Referenzschwingung f 1
(Anregungsschwingung) und Detektionsschwingung f2 liegen. Die Zentrifugalkraft liegt mit ihrer Frequenz (2 x Referenzschwingung) im stark gedämpften Bereich. Die Frequenzen (1 ) und (2) lassen sich geometrisch einstellen.
Figur 5 stellt eine mögliche Auswerteelektronik für den erfindungsgemäßen
Drehratensensor in vereinfachter Form dar. Es handelt sich hier um ein sogenanntes Hochmodulationsverfahren, das in der Auswertung von kapazitiven Sensoren häufig zum Einsatz kommt. Zwei synchrone Demodulatoren (Kombinationen aus Multiplizierer/Tiefpassfilter) extrahieren die Amplitudenwerte der gewünschten Frequenzanteile (erst die des Modulationssignal fMS, dann die der Anregungsschwingung fo) stufenweise aus dem Gesarntsignal.
In Figur 6 ist eine spezifische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehratensensors in Ruheposition gezeigt.
In Figur 7 sieht man den Sensor der Figur 6 in ausgelenkter Stellung bezüglich der aufgebrachten Rotationsschwingung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
In Figur 8 sieht man denselben Sensor in ausgelenkter Stellung bezüglich der aufgebrachten Radialschwingung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
Die in Figur 9 gezeigte Stellung des Sensors resultiert aus der Einwirkung einer zu detektierenden Drehbewegung entweder auf den rotatorisch schwingenden Sensor gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung wie in Fig. 7 gezeigt oder auf den in Radialrichtung schwingenden Sensor gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung wie in Fig. 8 gezeigt.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor unterscheidet sich dadurch von den bisher bekannten Drehratensensoren, dass er ein oder mehrere Detektionselement(e) aufweist, dessen/deren Schwingungsmodus vom Schwingungsmodus des oder der Schwingungselemente(s) mechanisch entkoppelt ist/sind, obwohl sowohl Schwingungselement(e) als auch Detektionselement(e) in derselben Ebene schwingen. Diese Entkopplung gelingt durch die Bereitstellung von Verbindungselementen zwischen Schwingungselement(en) und Detektionselement(en), die einerseits rotatorische Schwingungen (Anregungsschwingung vD, Detektionsschwingung vs) steif zwischen Schwingungselement und Detektionselement übertragen, auf der anderen Seite aber so ausgelegt sind, dass eine Radialschwingung des Schwingungselements oder des Detektionselements nicht auf das jeweils andere Element übertragen wird. Diese Verbindungselemente können als radial schwingungsfähige Federn ausgestaltet sein, deren Resonanzfrequenz f2 die gleiche ist wie die Resonanzfrequenz f 1 der Anregungsschwingung VD bzw. die Resonanzfrequenz f1* der Detektionsschwingung vs. Wird das Schwingungselement zu einer Rotationsschwingung angeregt, wirkt dessen Schwingungsmode durch die immer radial vom Ankerpunkt nach außen gerichtete Zentrifugalkraft mit doppelter Frequenz auf das Detektionselement. Wird das Schwingungselement zu einer Radialschwingung angeregt, gerät das Detektionselement bei einer äußeren Drehbewegung des Sensors aufgrund der Corioliskraft in eine Drehschwingung, und hier wirkt der Schwingungsmode des Detektionselements aus dem gleichen Grund mit doppelter Frequenz auf das Schwingungselement zurück.
Die Entkopplung zwischen beiden Schwingungsmoden ergibt sich wie folgt: a) Wenn die Antriebsschwingung eine Rotationsschwingung ist, dadurch, dass die Drehrate auf das Detektionselement derart wirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung fo gleichfrequente radiale Schwingung versetzt wird; (das Störsignal mit der Frequenz 2*fD, das durch die Zentrifugalkraft erwirkt wird, kann vom Nutzsignal mit der Frequenz f , das von der drehratenabhängigen Corioliskraft erzeugt wird, durch eine geeignete Filterelektronik getrennt werden; z.B. durch synchrone Demodulation s. Figur 5) b) Wenn die Antriebsschwingung eine Radialschwingung ist, dadurch, dass die Drehrate auf das Detektionselement derart wirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung fo* gleichfrequente rotatorische Schwingung versetzt wird; (das Störsignal kann von der Anregungsschwingung wie unter a) beschrieben getrennt werden) oder c) dadurch, dass die Anordnung derart betrieben wird (z.B. unter Vakuum), dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung, wie z.B. das Störsignal mit der Frequenz 2*fo, stark gedämpft werden; oder d) durch eine Kombination von a) und c) oder e) durch eine Kombination von b) und c).
Die vorliegende Erfindung soll anhand der in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend näher erläutert werden.
In Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie die erfindungsgemäßen Drehratensensoren im Schnitt durch eine x-z- oder y-z-Achse aufgebaut sein können und wie sie sich herstellen lassen. Der gezeigte Aufbau ist besonders günstig, da er aus nur wenigen Bestandteilen gebildet wird und einen integralen Aufbau von Anker, Schwingungselement, Verbindungselementen (Federn) und Detektionselementen ermöglicht: Ein Substrat, z.B. ein Silizium-Wafer, wird mit einer struktu rierten Opferschicht bedeckt, z.B. einem mit einem geeigneten Lösungsmittel wieder auflösbaren Oxid. Darüber wird eine strukturierbare Schicht aus einem Material z.B. Polysilizium aufgebracht, aus dem das Schwingungselement, die Ankerstruktur, die Verbindungselemente und die Detektionselemente gebildet werden sollen (Fig. 3a). Die strukturierbare Schicht ist am Ort des späteren Ankers direkt mit dem Substrat verbunden. Sie kann ausschließlich zweidimensional, z.B. durch geeignete Maßnahmen wie Belichten durch eine Lochmaske und anschließendes Herauslösen der unbelichteten, unvemetzten Flächen strukturiert werden (Fig.3b). Anschließend wird die Opferschicht aufgelöst und entfernt.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor kann auf verschiedene Arten betrieben werden. So kann mindestens ein Schwingungselement zu einer Rotatϊonsschwingung angeregt werden, und die bei einer Drehbewegung des Sensors auftretende Corioliskraft wird als Radialschwingung gemessen. In diesen Fällen m uss dafür gesorgt werden, dass die durch die Anregungsschwingung verursachte Zentrifugalkraft die Messung nicht stört. Alternativ kann mindestens ein Schwingungselernent zu einer Radialschwingung angeregt werden, und in diesem Falle wird die bei einer Drehbewegung des Sensors auftretende Corioliskraft als Rotationsschwingung detektiert. Obwohl in dieser Variante das Auftreten von Zentrifugalkraft (verursacht durch die Rotationsschwingung) die Detektion der Corioliskraft nicht unmittelbar beeinträchtigt, muss hier jedoch dafür gesorgt werden, dass die Zentrifugalkraft die ebenfalls radiale Anregungsschwingung nicht stört.
Obwohl der Drehratensensor für beide Varianten dieselbe Bauweise aufweisen kann, fungieren die einzelnen Teile darin unterschiedlich. Deshalb sollen beide Varianten nachstehend anhand von Figuren beschrieben werden, in denen dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Aufgrund der unterschiedlichen Funktionen dieser Teile werden sie in den entsprechenden Erläuterungen jedoch unterschiedlich benannt.
Die Figuren 1 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Drehratensensors, der auf die beiden beschriebenen Arten betrieben werden kann.
Zuerst soll nachstehend die erste Betriebsart näher erläutert werden.
Der Sensor weist ein Schwingungselement 1 auf, das physikalisch eine frei bewegliche Masse darstellt. Die Gestalt dieses Elements kann in Abhängigkeit von den sonstigen räumlichen Gegebenheiten der Sensorstruktur frei gewählt werden. Das Schwingungselement ist über eine zentrale Ankerstruktur 3 mit dem Untergrund oder Substrat verbunden, die in den dargestellten Ausgestaltungen mit Federn versehen ist. Die Anzahl der Federn ist in allen Beispielen vier; es sollte aber klar sein, dass auch eine davon abweichende Anzahl von Federn verwendet werden kann.
Am Schwingungselement 1 sind über als Federn ausgestaltete Verbindungselemente 4 Massen 5 befestigt, die als Detektionselemente fungieren. Auch hier sollte wiederum klar sein, dass die Ausgestaltung der Verbindungselemente als Federn beispielhaft ist, desgleichen die Zahl der Federn und der damit verbundenen Detektionselemente.
In der Ausgestaltung der Fig. 1 sind z.B. vier symmetrisch angeordnete Massen vorgesehen, die sich radial gesehen außerhalb des Schwingungselements befinden. Anders in Fig. 6, die eine spiegelsymmetrische Ausführungsvariante mit zwei Detektionselementen zeigt, von denen jedes über zwei Federn in einer Aussparung des Schwingungselements angeordnet ist.
In den Fig. 6 bis 9 sind Anregungs- und Erfassungseinrichtungen für die Anregungsschwingung und für die zu messende Radialschwingung gezeigt: Dabei regen kapazitive Elektroden o.a., z.B. als Interdigitalstrukturen ausgelegt, die
Schwingungselemente an (Bezugszeichen 6 in der ersten Variante) und messen deren Stellung (Bezugszeichen 7 in der ersten Variante), und die radiale Stellung des Detektionselements wird von Elektrodenstrukturen (Bezugszeichen 8 und 9 in der ersten Variante) erfasst, bei denen es sich ebenfalls z.B. um Interdigitalelektroden handeln kann.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors gemäß der ersten Variante lässt sich anhand der Figurenfolge 6, 7 und 9 ersehen. In Figur 6 befindet sich der Sensor in Ruhestellung. Im Betrieb wird das Schwingungselement 1 in eine Rotationsschwingung, d.h. Anregungsschwingung VD mit konstanter Frequenz (fo) und Amplitude um den Ankerpunkt (die z-Achse) und parallel zur Substratebene (x-y Ebene) versetzt (siehe Figur 7). Die Anregung der Rotationsschwingung kann nach bekannten Methoden und unter Einsatz bekannter Elemente erfolgen, beispielsweise durch Anbringen von Interdigitalstrukturen, an die eine Wechselspannung mit der Frequenz fo gelegt wird. Solche Strukturen werden prinzipiell bereits bei anderen Mikro-Drehratensensoren eingesetzt, siehe hierzu z.B. die beiden oben genannten Druckschriften. Auch die Erfassung der Rotationsschwingung zu Überwachungsszwecken kann über solche Strukturen erfolgen.
Da die Federn 4 gegenüber der Rotationsschwingung steif sind, folgen die mit ihnen verbundenen Detektionselemente 5 dieser Schwingung mit derselben Frequenz. Drehbeschleunigungen führen zu keiner Biegeschwingung in Rotationsrichtung. Aufgrund der oszillierenden Rotation werden die Detektionselemente 5 einer Zentrifugalbeschleunigung az ausgesetzt, die bei jeder Halbwelle der Rotationsschwingung radial nach außen gerichtet ist. Somit werden die Massen mit einer Zentrifugalkraft Fz angeregt (siehe Figur 2), deren Frequenz fz doppelt so groß ist wie die Resonanzfrequenz der Rotationsschwingung. fz ist damit gleich 2xfD (angedeutet mit dem doppelten Pfeil).
Die Federn 4 zwischen dem Schwingungselement und den Detektionselementen sind derart ausgelegt, dass eine gegenüber dem Ankerelement 3 durch die Detektionselemente 5 erfolgende radiale Schwingung die gleiche Resonanzfrequenz f2 besitzt wie die Rotationsschwingung des Schwingungselements 1 (d.h. f| = f2).
Radialschwingungen jenseits der Resonanzfrequenz sind stark gedämpft. Daraus ergibt sich, dass die Zentrifugalkraft Fz zu keiner radial gerichteten Bewegung führt.
Jenseits der Resonanzfrequenz ist die Dämpfung so stark, dass eine Schwingung durch die Zentrifugalkraft Fz stark reduziert ist und damit beide Schwingungssysteme als entkoppelt anzusehen sind.
Wird das Gesamtsystem einer Drehrate Ω ausgesetzt, die um dieselbe Achse z dreht wie die Schwingung des Schwingungselements, regt die auf die Detektionselemente 5 wirkende Corioliskraft Fc diese zu einer nach radial gerichteten Schwingung an (siehe Figur 9). In der Amplitude dieser Schwingung ist die Höhe der Drehrate moduliert. In der zweiten Betriebsart wird den Sensoren eine Radialschwingung aufgeprägt, wie in der Figurenfolge 6, 8 und 9 gezeigt. Demzufolge haben die Elemente andere Funktionen: Das Element 1 , das in der ersten Betriebsart als Schwingungselement fungiert, ist in dieser Art ein Detektionselement, dessen Rotationsschwingung über die Interdigitalstrukturen 6,7 erfasst wird. Die Elemente 5, die in der ersten Betriebsart als Detektionselemente fungieren, sind in der zweiten Betriebsart als Schwingungselemente vorgesehen, die mit Hilfe der Anregungselektroden 8 zu einer Radialschwingung angeregt werden, die über die Elektroden 9 überwacht wird. Das Detektionselement ist über die zentrale Ankerstrukti-ir 3 und die Federn 2 mit dem Untergrund oder Substrat verbunden. Die Federn 4 verbinden die Anregungselemente 5 mit dem Detektionselement 6.
Im Betrieb werden die Schwingungselemente 5 in eine radiale Anregungsschwingung VD* mit konstanter Frequenz (fo*) und Amplitude in beliebiger Richtung parallel zur Substratebene (x-y Ebene) versetzt (siehe Figur 8). Die Anregung der
Radialschwingung kann nach den gleichen Methoden und unter Einsatz gleichartiger Elemente erfolgen, wie voranstehend für die erste Betriebsart beschrieben. In den Figuren 6 und 8 sind dies die Elemente 8 und 9.
Von außen einwirkende, zu detektierende Drehgesc_hwindigkeiten führen hier zu einer Rotationsschwingung der Anregungselemente 5. Da die Federn 4 gegenüber dieser Rotationsschwingung steif sind, folgt das mit ihnen verbundene Detektionselement 1 dieser Schwingung, die über die Elemente 8 und 9 detektiert wird. Aufgrund der oszillierenden Rotation werden die Anregungselemente 1 außerdem einer Zentrifugalbeschleunigung az ausgesetzt, die bei jed er Halbwelle der
Rotationsschwingung radial nach außen gerichtet ist. Somit werden die Massen des Anregungselements mit einer Zentrifugalkraft Fz angeregt, deren Frequenz fz doppelt so groß ist wie die Resonanzfrequenz der Rotationsscriwingung. fz ist damit auch hier gleich 2xfD.
Die Federn 4 zwischen den Schwingungselementen und dem Detektionselement sind derart ausgelegt, dass eine gegenüber dem Ankerelement 3 durch die Schwingungselemente 5 erfolgende radiale Schwingung die gleiche Resonanzfrequenz f2 besitzt wie die Rotationsschwingung des Detektionselements 1 (d.h. fo* = f2). Radialschwingungen jenseits der Resonanzfrequenz sind stark gedämpft. Daraus ergibt sich, dass die Zentrifugalkraft Fz zu keiner radial gerichteten Bewegung führt. Jenseits der Resonanzfrequenz ist die Dämpfung so stark, dass eine Schwingung durch die Zentrifugalkraft Fz stark reduziert ist und damit beide Schwingungssysteme als entkoppelt anzusehen sind.
Wird das Gesamtsystem einer Drehrate Ω ausgesetzt, die um eine Achse z dreht, die senkrecht auf der Schwingung des Schwingungselements steht, regt die auf die Anregungselemente 5 wirkende Corioliskraft Fc diese und über die biegesteifen Federn 4 auch das Detektionselement zu einer senkrecht auf der Achse z stehenden Drehschwingung (siehe Figur 9). In der Amplitude dieser Schwingung ist die Höhe der Drehrate moduliert.
Durch die Entkopplung wird die Anregungsschwingung nicht durch auftretende Zentrifugalkräfte gestört.
Die Erfassung der Radialschwingung(en) des bzw. der Detektionselemente kann nach bekannten Methoden, beispielsweise kapazitiv übe r Interdigitalstrukturen erfolgen.
Selbstverständlich können die Verbindungselemeni auch durch andere Strukturen als die hier beschriebenen Federn realisiert werden, sofern sie die voranstehend beschriebenen Funktionsmerkmale aufweisen.

Claims

Ansprüche:
1. Drehratensensor zur Detektion einer Drehung, um die der Sensor gedreht wird, umfassend folgende Bestandteile: 5 (a) ein Substrat (b) mindestens ein Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung VD versetzt werden kann, (c) eine Ankerstruktur, über die das Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist,
10 (d) ein oder mehrere Detektionselement(e), (e) ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/Verbinden, (f) eine Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingu gselements, und (g) eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen Schwingung des oder ι5 der Detektionselemente(s) dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Detektionselem ente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung vD des oder der Schwingungselemente(s) erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei abe r die Zentrifugalkraft Fz, die durch die Rotationsschwingung VD auf jedes dieser Detektionselemente 20 einwirkt, im wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Detektionselemente(s) auslösen kann.
Drehratensensor zur Detektion einer Drehung, um die der Sensor gedreht wird, umfassend folgende Bestandteile: (a) ein Substrat (b) ein oder mehrere Schwingungselement(e), das/d ie durch Anregung in eine Radialschwingung vD* versetzt werden kann/können,
(c) mindestens ein Detektionselement,
(d) eine Ankerstruktur, über die das Detektionselement mit dem Substrat verbunden ist, (e) ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Schwingungselement(e) mit dem oder den Detektionselementen) verbindet/verbinden, (f) eine Anregungseinrichtung zur Anregung des oder der Schwingungselemente, und (g) eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer rotatorischen Schwingung des/der Detektionselemente(s) dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionselement in derselben Ebene, in der die Radialschwingung vD* des oder der Schwingun gselemente erfolgt, eine Rotationsschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, die durch diese Rotationsschwingung auf das oder die Schwingungselement(e) einwirkt, im wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Scrιwingungselement(e) auslösen kann und damit die Anregungsschwingung n icht stört.
3. Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurcb gekennzeichnet, dass jedes Verbindungselement eine Federanordnung ist, über die das oder ein Detektionselement mit dem oder einem Schwinguπgselement verbunden ist,
5 wobei die Federanordnung (i) im wesentlichen steif gegenüber der Rotationsschwingung VD bzw. der Anregungsschwingung VD* ist, derart, dass Rotationsschwingungen von dem/den Schwingungselement(en) auf das/die Detektionselement(e) bzw. umgekehrt übertragen werden,0 (ii) radiale Schwingungen des Detektionselements gegenüber dem Schwingungselement bzw. umgekehrt zulässt, wobei die Resonanzfrequenz f2 der Radialschwing ung identisch ist mit der Resonanzfrequenz fi oder f der rotatorischen Schwingung VD oder VD* und5 (iii) bewirkt, dass radiale Schwingungen vs, Ό* des/der Detektionselemente bzw des/der Schwingungselemente jenseits der Resonanzfrequenz stark gedämpft sind.
4. Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch0 gekennzeichnet, dass die Ankerstruktur eine Fede ranordnung umfasst, die sich in der Schwingungsebene des Schwingungselements auslenken lässt, aber im übrigen biegesteif ist.
5. Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch5 gekennzeichnet, dass er spiegelsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ist.
6. Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Detektionselemente radial weiter von der Ankerstruktur entfernt sind als das einzige Schwingungselement oder dass das0 oder die Schwingungselemente radial weiter von d er Ankerstruktur entfernt sind als das einzige Detektionselement.
7. Dreh atensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich das oder die Detektionselemente in Aussparungen eines einzigen Schwingungselements- befindet/befinden.
8. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichn et, dass sich das oder die Schwingungselemente in Aussparungen eines einzigen Detektionselements befindet/befinden.
5 9. Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er 2, 3, 4, 6 oder 8 Detektionseleme nte oder Schwingungselemente aufweist.
10. Drehratensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichn et, dass jedes 10 Detektionselement nur über ein Verbindungselement mit dem einzigen Schwingungselement verbunden ist.
11. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schwingungselement nur über ein Verbindungselement mit dem einzigen ι5 Detektionselement verbunden ist.
12. Drehratensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Detektionselement von zwei oder mehr Verbindungseleme nten gehalten wird.
20 13. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schwingungselement von zwei oder mehr Verbindungselermenten gehalten wird.
4. Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung um eine Drehachse z, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Drehraten sensor mit den folgenden Bestandteilen vorsieht: (a) einem Substrat (b) mindestens einem Schwingungseleme nt, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung VD in der Ebene zx-y versetzt werden kann, (c) einer Ankerstruktur, über die das Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, (d) einem oder mehreren Detektionselement(en), (e) einem oder mehreren Verbindungselement(en), das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, (f) einer Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingungselements, und (g) einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s) wobei jedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung vD des mindestens einen Schwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, die durch die Rotationsschwingung VD auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt, im wesentlichen keine Radialbewegung dieser Detektionselemente auslösen kann, dadurch gekennzeichnet, dass man das ode r die Schwingungselement(e) zu einer Schwingung VD in der x-y-Ebene anregt und die radiale Schwingung des oder der Detektionselemente(s), die durch die Einwirkung von Corioliskraft infolge der Drehbewegung des Sensors in der x-y-Achse auftritt, detektiert.
15. Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung um eine Drehachse z, dadurch . gekennzeichnet, dass man einen Drehratensensor mit den folgenden Bestandteilen vorsieht: 5 (a) ein Substrat (b) ein oder mehrere Schwingungselement(e), das/die durch Anregung in eine Radialschwingung vD* in der Ebene x-y versetzt werden kann/können, (c) mindestens ein Detektionselement, (d) eine Ankerstruktur, über die das Detektionselement mit dem Substrat 10 verbunden ist, (e) ein oder mehrere Verbindungselement(e), das/die das oder die Schwingungselement(e) mit dem oder den Detektionselement(en) verbindet/verbinden, (f) eine Anregungseinrichtung zur Anregung des oder der Schwingungselemente, ι5 und (g) eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer rotatorischen Schwingung des Detektionselement(s), wobei jedes der Detektionselements in derselben Ebene, in der die Radialschwingung VD* des oder der Schwingungselemente erfolgt, eine Rotationsschwingung
20 ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, die durch diese Rotationsschwingung auf das oder die Schwingungselemente einwirkt, im wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Schwingungselement(e) auslösen kann, dadurch gekennzeichnet, dass man das oder die Schwingungselement(e) zu einer Radialschwingung VD* in der x-y Ebene anregt
25 und die rotatorische Schwingung des oder der Detektionselemente(s), die durch die Einwirkung von Corioliskraft infolge der Drehbeweg ung des Sensors in der x-y- Achse auftritt, detektiert.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das 30 Anregen der Rotations- bzw. Radialschwingung als auch das Erfassen der zu detektierenden Schwingung kapazitiv über Interdigitalstrukturen erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplung zwischen dem Schwingungsrnodus der Rotationsschwingung VD und dem Schwingungsmodus der Radialschwingung dadurch erfolgt, dass (a) wenn die Antriebsschwingung eine Rotationsschwingung ist, die Drehrate derart gewählt wird, dass sie auf das Detektionselement in einer Weise einwirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung fD gleichfrequente radiale Schwingung versetzt wird, oder (b) Wenn die Antriebsschwingung eine Rad ϊalschwingung ist, die Drehrate auf das Detektionselement derart wirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz der Anregungsschwingung fD* gleichfrequente rotatorische Schwingung versetzt wird, und/oder (c) dass die Anordnung derart betrieben wird, dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung stark gedämpft werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein Störsignal mit der Frequenz 2*fo, das durch die Zentrifugalkraft erwirkt wird, durch filterelektronische Maßnahmen vom Nutzsignal der Radialschwingung mit der Freq uenz fü getrennt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der mechanischen, radialen Schwingungen mit Frequenzen jenseits der Resonanzfrequenz dadurch erfolgt, dass der Drehratensensor im Vakuum betrieben wird.
* * *
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271611A (ja) * 2006-03-10 2007-10-18 Stmicroelectronics Srl 回転駆動運動を用いる微小電気機械集積センサ構造
WO2008043831A1 (de) * 2006-10-12 2008-04-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensor zur erfassung von beschleunigungen
WO2009156485A1 (de) * 2008-06-27 2009-12-30 Sensordynamics Ag Mikro-gyroskop
DE102012224081A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor zum Erfassen einer Drehrate eines Objektes
WO2020075437A1 (ja) 2018-10-12 2020-04-16 ソニー株式会社 支持構造および表示装置

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007057042A1 (de) * 2007-09-10 2009-03-12 Continental Teves Ag & Co. Ohg Mikromechanischer Drehratensensor mit Kopplungsbalken und Aufhängungs-Federelementen zur Unterdrückung der Quadratur
US8042394B2 (en) 2007-09-11 2011-10-25 Stmicroelectronics S.R.L. High sensitivity microelectromechanical sensor with rotary driving motion
DE102008008237B4 (de) 2008-02-08 2021-06-02 Volkswagen Ag Verfahren und System zur Erfassung der Drehbewegung eines Fahrzeugrades
DE102008041757B4 (de) * 2008-09-02 2019-01-03 Robert Bosch Gmbh Herstellungsverfahren für eine Rotationssensorvorrichtung und Rotationssensorvorrichtung
DE102009001248B4 (de) * 2009-02-27 2020-12-17 Hanking Electronics, Ltd. MEMS-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse
DE102009001244A1 (de) * 2009-02-27 2010-09-02 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse
DE102009002066A1 (de) * 2009-03-31 2010-10-07 Sensordynamics Ag Verfahren zum Erfassen von Beschleunigungen und Drehraten sowie MEMS-Sensor
US8534127B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
US9097524B2 (en) 2009-09-11 2015-08-04 Invensense, Inc. MEMS device with improved spring system
JP6575129B2 (ja) 2014-06-12 2019-09-18 株式会社デンソー 振動型角速度センサ
WO2015200846A2 (en) 2014-06-26 2015-12-30 Lumedyne Technologies Incorporated Systems and methods for extracting system parameters from nonlinear periodic signals from sensors
TWI650558B (zh) 2015-05-20 2019-02-11 美商路梅戴尼科技公司 用於決定慣性參數之方法及系統
US20180031602A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 Lumedyne Technologies Incorporated Converting rotational motion to linear motion
US10234477B2 (en) 2016-07-27 2019-03-19 Google Llc Composite vibratory in-plane accelerometer
JP6903610B2 (ja) * 2018-08-27 2021-07-14 株式会社東芝 共振器およびそれを含む装置
CN112682054B (zh) * 2020-12-03 2022-08-23 重庆文理学院 一种用于tbm施工监测的挖掘设备及其勘测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19500800A1 (de) * 1994-06-16 1995-12-21 Bosch Gmbh Robert Beschleunigungssensor
US5992233A (en) * 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
DE19928307A1 (de) * 1998-06-22 1999-12-30 Aisin Seiki Winkelratensensor
EP0971208A2 (de) * 1998-07-10 2000-01-12 Murata Manufacturing Co., Ltd. Drehgeschwindigkeitssensor
WO2001079862A1 (en) * 2000-04-14 2001-10-25 Microsensors, Inc. Z-axis micro-gyro
EP1416250A2 (de) * 2002-11-04 2004-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Z-Achsen Vibrationsgyroskop

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19641284C1 (de) * 1996-10-07 1998-05-20 Inst Mikro Und Informationstec Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalen Primär- und Sekundärschwingungen
US5955668A (en) * 1997-01-28 1999-09-21 Irvine Sensors Corporation Multi-element micro gyro
JP3796991B2 (ja) * 1998-12-10 2006-07-12 株式会社デンソー 角速度センサ
US6928876B2 (en) * 2003-11-13 2005-08-16 The Boeing Company Dual flexure plate angular accelerometer
US7043985B2 (en) * 2004-01-13 2006-05-16 Georgia Tech Research Corporation High-resolution in-plane tuning fork gyroscope and methods of fabrication

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19500800A1 (de) * 1994-06-16 1995-12-21 Bosch Gmbh Robert Beschleunigungssensor
US5992233A (en) * 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
DE19928307A1 (de) * 1998-06-22 1999-12-30 Aisin Seiki Winkelratensensor
EP0971208A2 (de) * 1998-07-10 2000-01-12 Murata Manufacturing Co., Ltd. Drehgeschwindigkeitssensor
WO2001079862A1 (en) * 2000-04-14 2001-10-25 Microsensors, Inc. Z-axis micro-gyro
EP1416250A2 (de) * 2002-11-04 2004-05-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Z-Achsen Vibrationsgyroskop

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ACAR C ET AL: "Distributed-mass micromachined gyroscopes for enhanced mode-decoupling" PROCEEDINGS OF IEEE SENSORS 2003. 2ND. IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SENSORS. TORONTO, CANADA, OCT. 22 - 24, 2003, IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SENSORS, NEW YORK, NY : IEEE, US, Bd. VOL. 2 OF 2. CONF. 2, 22. Oktober 2003 (2003-10-22), Seiten 445-450, XP010692301 ISBN: 0-7803-8133-5 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271611A (ja) * 2006-03-10 2007-10-18 Stmicroelectronics Srl 回転駆動運動を用いる微小電気機械集積センサ構造
WO2008043831A1 (de) * 2006-10-12 2008-04-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Sensor zur erfassung von beschleunigungen
US8549921B2 (en) 2006-10-12 2013-10-08 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foererung Der Angewandten Forschung E.V. Sensor for detecting acceleration
WO2009156485A1 (de) * 2008-06-27 2009-12-30 Sensordynamics Ag Mikro-gyroskop
DE102012224081A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor zum Erfassen einer Drehrate eines Objektes
US9689675B2 (en) 2012-12-20 2017-06-27 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor for detecting a rotation rate of an object
WO2020075437A1 (ja) 2018-10-12 2020-04-16 ソニー株式会社 支持構造および表示装置
US11525540B2 (en) 2018-10-12 2022-12-13 Sony Group Corporation Supporting structure and display apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004017480B4 (de) 2009-04-16
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