WO2008022619A1 - Drehbewegungssensor - Google Patents

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WO2008022619A1
WO2008022619A1 PCT/DE2007/001414 DE2007001414W WO2008022619A1 WO 2008022619 A1 WO2008022619 A1 WO 2008022619A1 DE 2007001414 W DE2007001414 W DE 2007001414W WO 2008022619 A1 WO2008022619 A1 WO 2008022619A1
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WO
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rotary motion
motion sensor
structures
sensor according
resonator
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Application number
PCT/DE2007/001414
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Ruile
Anton Leidl
Original Assignee
Epcos Ag
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Filing date
Publication date
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Priority to US12/438,251 priority patent/US8393214B2/en
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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
    • G01C19/5698—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using acoustic waves, e.g. surface acoustic wave gyros

Definitions

  • a rotary motion sensor which is referred to in the literature as a gyro-sensor is z. B. from the publication Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2,003) pp. 3115-3119.
  • Another sensor is known from the publication US 6,237,414 Bl.
  • a problem to be solved ' is given a rotary motion sensor comprising a high sensitivity to rotational movements and small dimensions.
  • the invention relates to a rotary motion sensor with at least one electroacoustic resonator in which a surface acoustic wave can be excited.
  • a rotational movement of the resonator about an axis of rotation causes the change of the resonant frequency of the resonator.
  • the rotational movement of the resonator about the axis of rotation causes the change of the wave propagation, and in particular the change of the propagation velocity of the wave, resulting in the change of the resonance frequency.
  • a surface wave rotating motion sensor is characterized by a small size.
  • the sensor effect is based on the fact that an object moving in a rotating system has a Coriolis force directed perpendicular to the linear velocity of the object and to the rotational speed of the system.
  • the rotary motion sensor can, for. As used in the automotive sector or for cameras.
  • the rotary motion sensor can be used in particular to support navigation systems.
  • the resonator has an array of electrode strips arranged on a piezoelectric substrate, which are arranged parallel to one another.
  • the electrode strips are preferably connected alternately to two busbars. Thus, a converter is formed.
  • the resonator can have two acoustic reflectors between which (in the wave propagation direction) the transducer can then be arranged.
  • Each reflector preferably has reflector strips which may be formed substantially like the electrode strips and placed with the same periodicity.
  • the rotary motion sensor preferably has oscillation structures which are capable of oscillation in the wave propagation direction.
  • the oscillating structures are preferably also oscillatable in a transverse direction.
  • the transverse direction is a direction perpendicular to the wave propagation direction, which lies in the lateral plane in which the wave propagates.
  • the vibrating structure is vibrated by the deflection of the atoms at the surface as it passes through the surface wave.
  • the oscillating structure can oscillate in the wave propagation direction as in the Rayleigh wave or in the transverse direction as in the shear wave.
  • the Coriolis force acts on the vibration structure oscillating in the coordinate system of the sensor in such a way that an additional oscillating component is produced, which is directed perpendicular to the original direction of vibration and to the axis of rotation.
  • the axis of rotation is aligned along the surface normal during the rotation of the sensor. If the original oscillation of the oscillating structure takes place in the wave propagation direction, an oscillation component in the transverse direction arises during the rotation of the sensor. If the original oscillation of the oscillating structure takes place in the transverse direction, an oscillation component in the direction of wave propagation arises when the sensor is rotated.
  • the resulting due to the Coriolis force oscillating component causes a change in velocity of the acoustic wave.
  • this oscillating component influences the reflection conditions for the wave in the resonator.
  • the sensor effect of the respective vibrating structure depends on its nature.
  • the nature of the vibrating structure is understood to mean, in particular, its material composition and geometric parameters such as the height and lateral dimensions-the width and the length.
  • At least a part of the oscillating structures is arranged in the transducer region, ie in an area in which the wave mainly propagates. However, a further part of the oscillating structures can also be arranged in the reflector region. ⁇ '
  • the -schwwing Jardin can by electrode strips or reflector strips with a particularly high aspect ratio, d. H. the ratio of the height to the wavelength, be formed.
  • the height of the electrode and reflector strips may be, for example, at least one wavelength.
  • the height of the electrode and reflector strips can also be two wavelengths and more.
  • the gyro effect is greater the higher the vibrating structures are. Sufficiently high vibrational structures can be excited to vibrate by the movement of the surface in an advantageous placement explained below in the resonator.
  • the oscillating structures are preferably tower-like. This means that the height of the vibrating structure exceeds its width or length. The height is preferably at least three times the width measured in the wave propagation direction.
  • the oscillating structures preferably each have a height of at least ⁇ , where ⁇ is the wavelength of an acoustic wave that can be excited in the transducer.
  • the width of the oscillating structures measured in the wave propagation direction is preferably at most a quarter wavelength, which is usually the same as the width of the electrode strips.
  • the transverse length, ie the length of the oscillating structures measured in the transverse direction is preferably at most 2 ⁇ .
  • the oscillating structures preferably extend in the transverse direction, ie their transverse length exceeds the width.
  • the wave that can be excited in the resonator can be a shear wave, Rayleigh wave or leaky wave.
  • the deflection of the atoms in the case of the shear wave is substantially perpendicular to the wave propagation direction.
  • the deflection of the atoms in the case of the leaky wave is essentially perpendicular in the wave propagation direction.
  • the maximum deflection of the atoms leading to wave crests usually occurs (with periodically arranged, equally wide electrode strips) approximately in the middle of the electrode strips.
  • the wave nodes lie between the electrodes.
  • the deflection of the atoms in the case of the shear wave is substantially perpendicular to the wave propagation direction. Therefore, in the absence of any rotational movement of the sensor, the oscillating structures also oscillate perpendicular to the wave propagation direction, ie parallel to the electrode strips. Turning around a surface normal has an effect on the oscillating structure the Coriolis force and generates an additional vibration component in a direction perpendicular thereto, ie in the wave propagation direction.
  • the shear wave the position of the oscillating structures is preferred to the electrode strips, 'because there the maximum displacement of the doctorsnato-' me takes place and thus the strongest vibration amplitude can be achieved in Transversalrichtu ⁇ g.
  • the oscillation amplitude which is decisive for the sensor effect can also be increased in the direction perpendicular thereto, it is possible to increase the sensor effect.
  • the position of the oscillating structures on the electrode strips is likewise preferred, since at this point the strongest oscillation amplitude in the wave propagation direction can be achieved.
  • a rotational movement of the sensor about a surface normal caused due to the Coriolis force an additional vibration of the vibrating structures perpendicular to the original direction of vibration, wherein a vibration component is formed parallel to the electrodes. In this case too, it is possible to influence the propagation velocity and the reflection conditions for the surface wave by means of the Coriolis effect.
  • the location of the oscillating structures between the electrode strips is also provided.
  • the vibrating structures may together form a vibrating arrangement.
  • Several successive oscillating structures in the transverse direction can, for example, form a row.
  • Several successive oscillation structures in the wave propagation direction can form a column.
  • the oscillating arrangement can have a plurality of columns and / or rows.
  • the oscillating arrangement can in an advantageous variant in Transverse direction and / or wave propagation direction be periodic.
  • the oscillating structures can in principle be distributed as desired in the wave propagation range of the resonator, ie their position and distance to the adjacent oscillating structure can be chosen as desired.
  • the oscillating structures may additionally differ in terms of their width, length, height, material and / or layer structure.
  • the successive wave propagation in the direction of vibration structures may be offset from each other, for example, in the transverse direction.
  • the offset may be smaller than the transversal length of the vibrating structure.
  • the offset can also be equal to the transversal length of the oscillating structure, wherein at least two rows of the oscillating structures form a checkerboard arrangement.
  • a distribution of the tower-like oscillating structures on the resonator so that no gaps arise in the wave propagation direction whose length is greater than one wavelength, .. has the advantage that overall (in the transverse direction) results in a homogeneous propagation of the wave, so that no partial tracks with divergent propagation speeds are formed.
  • the oscillating structures can each be arranged at least partially on one of the electrode strips.
  • the oscillating structures can also be arranged at least partially between the electrode strips.
  • the base area of the respective oscillating structure does not extend beyond the electrode strip or over the gap between two adjacent electrode strips.
  • the vibrating structures can in principle be any material, e.g. As a metal, a metal alloy or 'one Plastic included. Photostructurable polymers such. B..
  • the material SU-8 is particularly suitable for this. This material is based on a novolak epoxy resin, the multifunk. • contains conventional bisphenol A and a photoinitiator as a curing agent.
  • the vibrating structures may each have two or more layers.
  • the material of the uppermost layer preferably has a higher density than the material of an underlying layer of the respective oscillating structure.
  • the sensor effect can be enhanced.
  • the freely oscillating oscillating structures have a particularly large oscillation amplitude in a specific frequency range of the oscillations which lies around the resonant frequency.
  • An oscillation amplitude plotted against frequency is called a resonance curve.
  • the quality of the oscillation resonance, d. H. the maximum oscillation amplitude and the half-value bandwidth of a resonance curve can be determined by the mechanical parameters of the oscillating structures such. B. width, length, height, mass, layer sequence, etc. set.
  • the half-value bandwidth is preferably selected such that the operating frequency range predetermined for the sensor lies within this bandwidth.
  • the vibrating structures may have at least one layer which is electrically nonconductive.
  • the electrically non-conductive layer may in particular be the lowermost layer of the layer sequence of a vibrating structure which is arranged between the electrode strips. - S -
  • the oscillating structures can also comprise at least one layer. which is electrically conductive. If the respective resonant structure is arranged on the electrode strips, ⁇ the lowermost layer of the layer sequence of the • vibrating structure may even be electrically conductive.
  • an adhesive layer which gives good adhesion between the substrate or the electrode strip and the oscillating structure is suitable as the lowermost layer of the layer sequence of the oscillating structure.
  • the vibrating structures can be produced in a lithography process. Electrically conductive oscillating structures can be produced in a galvanic deposition process.
  • the oscillating structures can also be produced by means of the so-called LIGA technique.
  • LIGA stands for Lithography Galvanoform Impression.
  • the sensor may have at least one second resonator, which is aligned perpendicular to the first resonator.
  • three resonators are preferably provided, which are all oriented perpendicular to one another.
  • the second resonator can serve, for example, as a reference resonator.
  • the second resonator is preferably constructed substantially the same as the first, but for example, its resonant structures are different, so that the two resonators behave differently with respect to the efficiency.
  • FIG. 1 shows an arrangement of oscillating structures on electrode strips of a transducer operating with surface waves
  • FIG. 2 shows a resonator operating with surface waves with oscillating structures which are arranged in the region of the converter and the reflectors.
  • FIGS. 1 and 2 a SAW resonator with a converter 10 is shown in fragmentary form.
  • the transducer 10 has electrode strips 20 which extend in the transverse direction y.
  • the electrode strips 20 are, as indicated in Fig. 2, preferably alternately connected to busbars 41, 42. Between two electrode strips with different polarities, an acoustic wave is excited, which extends in the wave propagation direction x, d. H. perpendicular to the electrode strips, spreads.
  • the transducer 10 is disposed between the reflectors 11, 12.
  • Each reflector has reflector strips 21, which preferably have substantially the same width and arrangement as the electrode strips.
  • Tower-like oscillating structures 30 are arranged on the electrode and reflector strips.
  • the oscillating structures 30 can also be arranged between the electrode or reflector strip.
  • the oscillating structures 30 in the variant according to. Figure 1 form a regular arrangement with columns and rows. However, in principle, as indicated in FIG. 2, they can be arranged as desired in the resonator.
  • the resonator can have different resonator regions which have different properties with respect to the oscillatory structures. This may be important for the adaptation of the resonator structure to the wave profile of the excitable wave.
  • a waveguide By dividing the resonator into resonator regions having different properties with respect to the vibrating structures, a waveguide can be created.
  • the resonator has an acoustic trace in which the wave propagates.
  • the acoustic track can be subdivided into partial tracks arranged parallel to one another.
  • the partial tracks are then provided as transverse resonator areas.
  • the oscillating structures which belong to different resonator regions, may, for example, have mutually different transverse lengths. They can also have different heights from each other.
  • the oscillating structures may consist of different materials or have mutually different sequences of layers.
  • the density of the arrangement of vibrating structures may be different in different resonator areas. Preferably, a higher density of the oscillating structures is selected in the central region than in the peripheral regions.
  • the transverse edge regions of the resonator Preferably, in the transverse edge regions of the resonator smaller vibrating structures than in the inside used resonator ranges.
  • a smaller height and / or transversal length of the oscillating structures is preferably selected than in the inner resonator regions.
  • a lower density with regard to the arrangement of oscillating structures than in the inner resonator regions is used in the transverse edge regions of the resonator.
  • the oscillating structures can be chosen to be smaller in the edge regions than in the inner regions. With these measures, it is possible to achieve a higher propagation velocity in the edge regions than in the inner regions, which is advantageous for forming a waveguide in the sense of adapting the excitation profile to the wave profile to be achieved.
  • the oscillating structures 30 in the variant according to FIG. 2 are each partially arranged on the electrode and reflector strips and partly in between. Larger, preferably longer structures are located in the central resonator region and smaller, preferably shorter, oscillating structures in the transverse and / or longitudinal edge region of the resonator.

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Abstract

Es wird ein Drehbewegungssensor mit mindestens einem elektroakustischen Resonator angegeben, in dem eine akustische Oberflächenwelle anregbar ist. Eine Drehbewegung des Resonators um eine Drehachse ruft die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle hervor. Dies bewirkt die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Der Drehbewegungssensor umfasst vorzugsweise Schwingstrukturen (30), die in Wellenausbreitungsrichtung und in Transversalrichtung schwingfähig sind.

Description

Besehreibung
Drehbewegungssensor
Ein Drehbewegungssensor, der in der Fachliteratur auch als Gyro-Sensor bezeichnet wird, ist z. B. aus der Druckschrift Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2.003) pp.- 3115-3119 bekannt. Ein weiterer Sensor ist aus der Druckschrift US 6,237,414 Bl bekannt .
Eine zu lösende Aufgabe 'besteht darin, einen Drehbewegungs- sensor angegeben, der eine hohe Empfindlichkeit zu Drehbewegungen und kleine Abmessungen aufweist.
Es wird ein Drehbewegungssensor mit mindestens einem elektro- akustischen Resonator angegeben, in dem eine akustische Oberflächenwelle anregbar ist . Eine Drehbewegung des Resonators um eine Drehachse bewirkt die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators .
Die Drehbewegung des Resonators um die Drehachse ruft die Änderung der Wellenausbreitung und insbesondere die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle hervor, was die Änderung der Resonanzfrequenz zur Folge hat.
Die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Die Frequenzänderung kann sehr genau und auch ohne großen schaltungstechnischen Aufwand gemessen werden. Aus einer solchen Messung kann man auf den Wert der Drehgeschwindigkeit schließen. Ein mit Oberflächenwellen arbeitender Drehbewegungssensor zeichnet sich durch eine kleine Größe aus .
Der Sensoreffekt (Gyro-Effekt) beruht auf der Tatsache, dass auf ein Objekt, das sich in einem sich drehenden System bewegt, eine Coriolis-Kraft wirkt, die senkrecht zur Lineargeschwindigkeit des Objekts und zur Drehgeschwindigkeit des Systems gerichtet ist .
Der Drehbewegungssensor kann z. B. im Automobilbereich oder für Kameras verwendet werden. Der Drehbewegungssensor kann insbesondere zur Unterstützung von Navigationssystemen verwendet werden .
Der Resonator weist eine Anordnung von auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektrodenstreifen auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Elektrodenstreifen sind vorzugsweise abwechselnd an zwei Sammelschienen angeschlossen. Somit wird ein Wandler gebildet. Der Resonator kann zwei akustische Reflektoren aufweisen, zwischen denen (in Wellenausbreitungsrichtung) der Wandler dann angeordnet sein kann. Jeder Reflektor weist vorzugsweise Reflektorstreifen auf, die im Wesentlichen wie die Elektrodenstreifen ausgebildet und mit der gleichen Periodizität platziert sein können.
Der Drehbewegungssensor weist vorzugsweise Schwingstrukturen auf, die in Wellenausbreitungsrichtung schwingfähig sind. Die Schwingstrukturen sind vorzugsweise auch in einer Transversalrichtung schwingfähig. Als Transversalrichtung wird eine zur Wellenausbreitungsrichtung senkrechte Richtung bezeichnet, die in der Lateralebene liegt, in der sich die Welle ausbreitet . Die Schwingstruktur wird durch die Auslenkung der Atome an der Oberfläche beim Durchlaufen der Oberflächenwelle zum Schwingen gebracht. Die Schwingstruktur kann je nach Wellenmode wie bei der Rayleigh-Welle in Wellenausbreitungsrichtung oder wie bei der Scherwelle in Transversalrichtung schwingen. Bei einer Drehung des Sensors wirkt die Coriolis-Kraft auf die im Koordinatensystem des Sensors schwingende Schwingstruktur derart, dass eine zusätzliche Schwingkomponente entsteht, die senkrecht zur ursprünglichen Schwingungsrichtung und zur Drehachse gerichtet ist.
Im Folgenden wird angenommen, dass die Drehachse bei der Drehung des Sensors entlang der Oberflächennormale ausgerichtet ist. Erfolgt die ursprüngliche Schwingung der Schwingstruktur in Wellenausbreitungsrichtung, so entsteht bei der Drehung des Sensors eine Schwingkomponente in Transversalrichtung. Erfolgt die ursprüngliche Schwingung der Schwingstruktur in Transversalrichtung, so entsteht bei der Drehung des Sensors eine Schwingkomponente in Wellenausbreitungsrichtung.
Die aufgrund der Coriolis-Kraft entstandene Schwingkomponente bewirkt eine Geschwindigkeitsänderung der akustischen Welle. Außerdem beeinflusst diese Schwingkomponente die Reflexions- bedingungen für die Welle im Resonator.
Der Sensoreffekt der jeweiligen Schwingstruktur hängt von ihrer Beschaffenheit ab. Unter der Beschaffenheit der Schwingstruktur ist insbesondere deren MaterialZusammensetzung und geometrische Parameter wie die Höhe und laterale Abmessungen - die Breite und die Länge - zu verstehen. Zumindest ein Teil der Schwingstrukturen ist im Wandlerbereich angeordnet, d. h. in einem Bereich, in dem sich die Welle hauptsächlich ausbreitet. Ein weiterer Teil der Schwingstrukturen kann aber auch im Reflektorbereich angeordnet sein. ■ '
Die -Schwingstrukturen können durch Elektrodenstreifen oder Reflektorstreifen mit einem besonders großen Aspektverhältnis, d. h. dem Verhältnis der Höhe zur Wellenlänge, gebildet sein. Die Höhe der Elektroden- und Reflektorstreifen kann beispielsweise mindestens eine Wellenlänge betragen. Die Höhe der Elektroden- und Reflektorstreifen kann auch zwei Wellenlängen und mehr betragen. Der Gyro-Effekt ist umso größer, je höher die Schwingstrukturen sind. Ausreichend hohe Schwing- strukturen können bei einer nachstehend erläuterten vorteilhaften Platzierung im Resonator durch die Bewegung der Oberfläche zum Schwingen angeregt werden.
Die Schwingstrukturen sind vorzugsweise turmartig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Höhe der Schwingstruktur ihre Breite oder Länge übersteigt . Vorzugsweise beträgt die Höhe zumindest das Dreifache der in Wellenausbreitungsrichtung gemessenen Breite .
Die Schwingstrukturen weisen jeweils vorzugsweise eine Höhe von mindestens λ auf, wobei λ die Wellenlänge einer im Wandler anregbaren akustischen Welle ist. Die in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Breite der Schwingstrukturen beträgt vorzugsweise maximal eine Viertelwellenlänge, ' die üblicher- ■ weise der Breite der Elektrodenstreifen entspricht. Die Transversallänge, also die in Transversalrichtung gemessene Länge der Schwingstrukturen, beträgt vorzugsweise maximal 2λ. Die Schwingstrukturen erstrecken sich vorzugsweise in Transversalrichtung, d. h. ihre Transversallänge übersteigt die Breite.
Die im Resonator anregbare Welle kann eine Scherwelle, Ray- leighwelle oder Leckwelle sein. Die Auslenkung der Atome im Falle der Scherwelle erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung. Die Auslenkung der Atome des Substrats .bei der Rayleighwelle erfolgt in Höhenrichtung und in Wellenausbreitungsrichtung. Die Auslenkung der Atome im Falle der Leckwelle erfolgt im Wesentlichen senkrecht in Wellenausbreitungsrichtung.
Die maximale Auslenkung der Atome, die zu Wellenbäuchen führt, erfolgt üblicherweise (bei periodisch angeordneten, gleich breiten Elektrodenstreifen) ungefähr in der Mitte der Elektrodenstreifen. Die Wellenknoten liegen dagegen zwischen den Elektroden.
Je größer die Schwingamplitude der ursprünglichen Schwingung ist, desto größer ist auch die Amplitude der durch den Gy- roeffekt erzeugten dazu senkrechten Schwingung und umso, größer ist daher der Nutzeffekt. Daher wird die Lage der Schwingstrukturen - je nach im Resonator benutzter Wellenmode der Oberflächenwelle - so gewählt, dass eine maximal große Schwingung erzielt werden kann.
Die Auslenkung der Atome im Falle der Scherwelle erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung. Daher schwingen die Schwingstrukturen - in Abwesenheit einer Drehbewegung des Sensors - auch senkrecht zur Wellenausbreitungs- richtung, d. h. parallel zu den Elektrodenstreifen. Bei der Drehung um eine Oberflächennormale wirkt auf die Schwing- struktur die Coriolis-Kraft und erzeugt eine zusätzliche Schwingungskomponente in einer dazu senkrechten Richtung, also in Wellenausbreitungsrichtung. Bei der Scherwelle ist die Lage der Schwingstrukturen auf den Elektrodenstreifen bevorzugt, 'weil dort die maximale Verschiebung der Oberflächenato-' me stattfindet und somit die stärkste Schwingungsamplitude in Transversalrichtuήg erzielt werden kann. Da dadurch auch die für den Sensoreffekt ausschlaggebende Schwingungsamplitude in dazu senkrechter Richtung vergrößert werden kann, gelingt es, den Sensoreffekt zu verstärken.
Im Falle der Rayleighwelle ist ebenfalls die Lage der Schwingstrukturen auf den Elektrodenstreifen bevorzugt, da an dieser Stelle die stärkste Schwingungsamplitude in Wellenausbreitungsrichtung erzielt werden kann. Eine Drehbewegung des Sensors um eine Oberflächennormale bewirkt infolge der Coriolis-Kraft eine zusätzliche Schwingung der Schwingstrukturen senkrecht zur ursprünglichen Schwingungsrichtung, wobei eine Schwingungskomponente parallel zu den Elektroden entsteht. Auch in diesem -Fall gelingt es, durch den Coriolis-Effekt die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Reflexionsbedingungen für die Oberflächenwelle zu beeinflussen.
Die Lage der Schwingstrukturen zwischen den Elektrodenstreifen ist auch vorgesehen.
Die Schwingstrukturen können zusammen eine Schwinganordnung bilden. Mehrere in Transversalrichtung aufeinander folgende Schwingstrukturen können beispielsweise eine Reihe bilden. Mehrere in Wellenausbreitungsrichtung aufeinander folgende Schwingstrukturen können eine Spalte bilden. Die Schwinganordnung kann mehrere Spalten und/oder Reihen aufweisen. Die Schwinganordnung kann in einer vorteilhaften Variante in Transversalrichtung und/oder Wellenausbreitungsrichtung periodisch sein. Die Schwingstrukturen können aber im Wellenausbreitungsbereich des Resonators im Prinzip beliebig verteilt sein, d. h. ihre Lage und Abstand zur benachbarten Schwingstruktur kann beliebig gewählt werden. Die Schwingstrukturen können sich zusätzlich bezüglich ihrer Breite, Länge, Höhe, Material und/oder Schichtaufbau unterscheiden.
Die in Wellenausbreitungsrichtung aufeinander folgenden Schwingstrukturen können beispielsweise in Transversalrichtung einander gegenüber versetzt sein. Der Versatz kann kleiner sein als die Transversallänge der Schwingstruktur. Der Versatz kann auch gleich der Transversallänge der Schwingstruktur sein, wobei zumindest zwei Reihen der Schwingstrukturen eine Schachbrettanordnung bilden. Eine Verteilung der turmartigen Schwingstrukturen über die Resonatorfläche derart, dass in Wellenausbreitungsrichtung keine Lücken entstehen, deren Länge größer ist als eine Wellenlänge, hat.. den Vorteil, dass sich insgesamt (in Transversalrichtung) eine homogene Ausbreitung der Welle ergibt, so dass keine Teilspuren mit voneinander abweichenden Ausbreitungsgeschwindigkeiten gebildet werden.
Die Schwingstrukturen können jeweils zumindest teilweise auf einem der Elektrodenstreifen angeordnet sein. Die Schwingstrukturen können auch zumindest teilweise zwischen den E- lektrodenstreifen angeordnet sind. Vorzugsweise geht aber die Grundfläche der jeweiligen Schwingstruktur nicht über den E- lektrodenstreifen oder über den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Elektrodenstreifen hinaus .
Die Schwingstrukturen können im Prinzip ein beliebiges Material, z. B. ein Metall, eine Metalllegierung oder 'einen Kunststoff enthalten. Photostrukturierbare Polymere wie z. B. . das Material SU-8 sind besonders gut dafür geeignet. Dieses Material basiert auf einem Novolak-Epoxidharz, das multifunk- . • •tionelles Bisphenol A und einen Photoinitiator als Härtungsmittel enthält. Vorteilhaft sind für die Schwingstrukturen . -. Polymermaterialien, die metallisiert werden können.
Die Schwingstrukturen können jeweils zwei und mehr Schichten aufweisen. Das Material der obersten Schicht weist dabei vorzugsweise eine höhere Dichte auf als das Material einer darunter liegenden Schicht der jeweiligen Schwingstruktur. Somit kann der Sensoreffekt verstärkt werden.
Die frei schwingenden Schwingstrukturen weisen in einem bestimmten Frequenzbereich der Schwingungen, der um die Resonanzfrequenz liegt, eine besonders große Schwingungsamplitude auf. Eine gegen Frequenz aufgetragene Schwingungsamplitude wird als Resonanzkurve bezeichnet.
Die Güte der Sσhwingungsresonanz, d. h. die maximale Schwingamplitude und die Halbwerts-Bandbreite einer Resonanzkurve, lässt sich durch die mechanischen Parameter der Schwingstrukturen wie z. B. Breite, Länge, Höhe, Masse, Schichtenfolge usw. einstellen. Die Halbwerts-Bandbreite ist vorzugsweise so- gewählt, dass der für den Sensor vorgegebene Betriebs- Frequenzbereich innerhalb dieser Bandbreite liegt.,.
Die Schwingstrukturen können zumindest eine Schicht -aufweisen, die elektrisch nicht leitfähig ist . Die elektrisch nicht leitfähige Schicht kann insbesondere die unterste Schicht der Schichtenfolge einer Schwingstruktur sein, die zwischen den Elektrodenstreifen angeordnet ist. - S -
Die Schwingstrukturen können auch zumindest eine Schicht auf- . weisen, die elektrisch leitfähig ist. Falls die jeweilige Schwingstruktur auf den Elektrodenstreifen angeordnet ist, ■ kann sogar die unterste Schicht der Schichtenfolge der • Schwingstruktur elektrisch leitfähig sein.
Als die unterste Schicht der Schichtenfolge der Schwingstruktur ist insbesondere eine Haftschicht geeignet, die eine gute Haftung zwischen dem Substrat oder dem Elektrodenstreifen und der Schwingstruktur vermittelt .
Die Schwingstrukturen können in einem Lithographieverfahren erzeugt werden. Elektrisch leitfähige Schwingstrukturen können in einem galvanischen Abscheideverfahren erzeugt werden.
Die Schwingstrukturen können auch mittels der so genannten LIGA-Technik erzeugt werden. LIGA steht für Lithographie- Galvanoform-Abformung.
Der Sensor kann mindestens einen zweiten Resonator aufweisen, der gegenüber dem ersten Resonator senkrecht ausgerichtet ist. Zur Erfassung einer dreidimensionalen Drehbewegung sind vorzugsweise drei Resonatoren vorgesehen, die alle senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Der zweite Resonator kann beispielsweise als Referenzresonator dienen. Der zweite Resonator ist vorzugsweise im Wesentlichen gleich aufgebaut wie der erste, nur sind beispielsweise seine Schwingstrukturen anders beschaffen, so dass sich die beiden Resonatoren bezüglich des Nutzeffekts anders verhalten. Durch den Vergleich der Signale des ersten und des zweiten Resonators lassen sich Nebeneffekte berücksichtigen, die wie der Nutzeffekt, d. h. die Sensordrehung, die Ausbrei- tung der akustischen Welle beeinflussen. Zu Nebeneffekten zählt vor allem der Temperaturdrift oder die Alterung des Sensors .
Der Drehbewegungssensor wird nun anhand von .schematisehen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung von Schwingstrukturεn auf Elektroden-- streifen eines mit Oberflächenwellen arbeitenden Wandlers;
Figur 2 einen mit Oberflächenwellen arbeitenden Resonator mit Schwingstrukturen, die im Bereich des Wandlers und der Reflektoren angeordnet sind.
In den Figuren 1 und 2 ist jeweils ein SAW-Resonator mit einem Wandler 10 ausschnittsweise gezeigt. Der Wandler 10 weist Elektrodenstreifen 20 auf, die sich in Transversalrichtung y erstrecken. Die Elektrodenstreifen 20 sind, wie in Fig. 2 angedeutet, vorzugsweise abwechselnd an Stromsammelschienen 41, 42 angeschlossen. Zwischen zwei Elektrodenstreifen mit verschiedenen Polaritäten wird eine akustische Welle angeregt, die sich in Wellenausbreitungsrichtung x, d. h. senkrecht zu den Elektrodenstreifen, ausbreitet.
Der Wandler 10 ist zwischen den Reflektoren 11, 12 angeordnet. Jeder Reflektor weist Reflektorstreifen 21 auf, die vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Breite und Anordnung wie die Elektrodenstreifen aufweisen.
Auf den Elektroden- und Reflektorstreifen sind turmartige Schwingstrukturen 30 angeordnet. Die Schwingstrukturen 30 können auch zwischen den Elektroden- oder Refl.ektorstreifen angeordnet sein. Die Schwingstrukturen 30 in der Variante gemäß. der Figur 1 bilden eine regelmäßige Anordnung mit Spalten und Reihen. Sie können aber im Prinzip, wie in Figur 2 angedeutet, im Resonator beliebig angeordnet sein.
Der Resonator kann verschiedene Resonatorbereiche aufweisen, die unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der Schwing.- strukturen aufweisen. Dies kann für die Anpassung der Resonatorstruktur an das Wellenprofil der anregbaren Welle von Bedeutung sein. Durch die Aufteilung des Resonators in Resonatorbereiche, die unterschiedliche Eigenschaften bezüglich „der Schwingstrukturen aufweisen, .kann ein Wellenleiter geschaffen werden.
Der Resonator weist eine akustische .Spur auf, in der sich die Welle ausbreitet. Die akustische Spur kann in parallel zueinander angeordnete Teilspuren unterteilt sein. Die Teilspuren sind dann als transversale Resonatorbereiche vorgesehen.
Die Schwingstrukturen, die unterschiedlichen Resonatorbereichen angehören, können beispielsweise voneinander unterschiedliche Transversallängen aufweisen. Sie können auch voneinander unterschiedliche Höhen aufweisen. Die Schwingstrukturen können aus verschiedenen Materialien bestehen oder voneinander unterschiedliche Schichtenfolgen aufweisen. Die Dichte der Anordnung von Schwingstrukturen kann in verschiedenen Resonatorbereichen unterschiedlich sein. Vorzugsweise wird im Mittelbereich eine höhere Dichte der Schwingstrukturen gewählt als in den Randbereichen.
Vorzugsweise werden in den transversalen Randbereichen des Resonators kleinere Schwingstrukturen als in den innen lie- genden Resonatorbereichen verwendet. Dabei wird vorzugsweise eine kleinere Höhe und/oder Transversallänge der Schwingstrukturen als in den innen liegenden Resonatorbereichen gewählt. In einer vorteilhaften Variante wird in den transversalen Randbereichen des Resonators eine geringere Dichte bezüglich der Anordnung von Schwingstrukturen als in den innen liegenden Resonatorbereiσhen verwendet . Die Schwingstrukturen können dabei in den Randbereichen kleiner gewählt sein als in den innen liegenden Bereichen. Mit diesen Maßnahmen gelingt es, eine höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Randbereichen als in den innen liegenden Bereichen zu erzielen, was zur Ausbildung eines Wellenleiters im Sinne der Anpassung des Anregungsprofils an das zu erzielende Wellenprofil von Vorteil ist.
Die Schwingstrukturen 30 in der Variante gemäß der Figur 2 sind jeweils teilweise auf den Elektroden- und Reflektorstreifen und teilweise dazwischen angeordnet. Größere, vorzugsweise längere Strukturen befinden sich im mittleren Resonatorbereich und kleinere, vorzugsweise kürzere Schwingstrukturen im transversalen und/oder longitudinalen Randbereich des Resonators .
Bezugszeichenliste
10 Wandler
11, 12 Reflektor
20 Elektrodenstreifen 21 Reflektorstreifen
30 Schwingstrukturen 41, 42 Sammeischienen x Wellenausbreitungsrichtung y Transversalrichtung

Claims

Patentanspräche
1. Drehbewegungssensor
- mit mindestens einem elektroakustischen Resonator, in dem eine akustische Oberflächenwelle anregbar ist,
- wobei eine Drehbewegung des Resonators um eine Drehachse die Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators bewirkt .
2. Drehbewegungssensor nach Anspruch 1,
- umfassend Schwingstrukturen (30) , die in Wellenausbreitungsrichtung (x) und/oder Transversalrichtung (y) schwingfähig sind.
3. Drehbewegungssensor nach Anspruch 2,
- wobei die Schwingstrukturen (30) turmartig ausgebildet sind.
4. Drehbewegungssensor nach Anspruch 2 oder 3,
- wobei die Schwingstrukturen (30) in Transversalrichtung (y) eine größere Ausdehnung aufweisen als in longitudinaler Richtung.
5. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
- wobei die Schwingstrukturen (30) jeweils eine Höhe von mindestens λ aufweisen, wobei λ die Wellenlänge einer im Wandler anregbaren akustischen Welle ist .
6. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- wobei die Oberflächenwelle eine Scherwelle ist.
7. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
- wobei die Oberflächenwelle eine Rayleighwelle ist .
8. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
- wobei mehrere Schwingstrukturen (30) in Transversalrichtung aufeinander folgen.
9. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
- wobei der Resonator eine Anordnung von auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektrodenstreifen aufweist,
- wobei die Schwingstrukturen (30) zumindest teilweise auf den Elektrodenstreifen angeordnet sind.
10. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
- wobei der Resonator eine Anordnung von auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektrodenstreifen (20) aufweist,
- wobei die Schwingstrukturen (30) zumindest teilweise zwischen den Elektrodenstreifen (20) angeordnet sind.
11. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
- wobei die Schwingstrukturen (30) jeweils mindestens zwei Schichten aufweisen,
- wobei das Material der obersten Schicht eine höhere Dichte aufweist als das Material einer darunter liegenden Schicht der jeweiligen Schwingstruktur.
12. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
- wobei die Halbwerts-Bandbreite einer Resonanzkurve, welche die Eigenschwingung der Schwingstrukturen (30) charakterisiert/ so gewählt ist, dass der für den Sensor vorgegebene Betriebs-Frequenzbereich innerhalb dieser Bandbreite liegt.
13. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 12,
- der zumindest zwei Schwingstrukturen (30) mit voneinander unterschiedlichen geometrischen Parametern aufweist.
14. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 13 ,
- wobei die Schwingstrukturen (30) zumindest eine Schicht aufweisen, die elektrisch nicht leitfähig ist. • ■
15. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 2.bis 14,
- wobei die Schwingstrukturen (30) zumindest eine Schicht aufweisen, die elektrisch leitfähig ist.
16. Drehbewegungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
- wobei eine Drehbewegung des Resonators um eine Drehachse die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der im Resonator angeregten akustischen Welle bewirkt.
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