WO2008071480A1 - Rate-of-rotation sensor - Google Patents

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WO2008071480A1
WO2008071480A1 PCT/EP2007/060966 EP2007060966W WO2008071480A1 WO 2008071480 A1 WO2008071480 A1 WO 2008071480A1 EP 2007060966 W EP2007060966 W EP 2007060966W WO 2008071480 A1 WO2008071480 A1 WO 2008071480A1
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WO
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axis
electrode
along
substrate
rotation rate
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/060966
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Inventor
Burkhard Kuhlmann
Joerg Hauer
Udo-Martin Gomez
Kersten Kehr
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • the present invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a rotation rate sensor which is known from DE 102 37 411, has a movable element which is arranged above an upper surface of a substrate and can be driven to oscillate by a drive device along a first axis which runs along the surface which is deflectable along a second axis under the action of a Coriolis force, and compensating means arranged to compensate for undesirable vibrations of the movable member along the second axis caused by the driving means.
  • the second axis runs along the surface of the substrate.
  • the yaw rate sensor is thus suitable only for detecting a Coriolis force which arises due to a rotation about an axis perpendicular to the surface of the substrate.
  • a plurality of fingers are formed on the movable element as electrodes, which engage in corresponding fingers which are formed in the substrate.
  • the change in the capacitance between the fingers is used to determine the Coriolis force.
  • the unwanted vibrations along the second axis are detected as so-called quadrature signals and distort the measurement results.
  • Cause of the quadrature signals are typically asymmetries of the sensor structure, as they are caused by manufacturing tolerances.
  • the unwanted vibrations along the second axis have the same fre- like the vibrations along the first axis. Their direction is determined by the type / shape of the asymmetry.
  • the present invention has for its object to provide a rotation rate sensor with a compensation device which is arranged, a Coriolis force which is directed perpendicular to the substrate, and thus a corresponding rotation about an axis which extends along the surface of the substrate, capture.
  • the second axis is perpendicular to the surface.
  • a rotation rate sensor with a compensation device for quadrature signals with respect to the direction of the sensing axis can be provided with unusual dimensions.
  • the rotation rate sensor can then be integrated to save space, in particular in a vehicle.
  • the rotation rate sensor can also be integrated on a chip together with further rotation rate sensors which are suitable for detecting rotations about differently oriented rotation axes.
  • the compensation takes place on the sensor element itself, whereby the evaluation is facilitated.
  • the compensation means comprises at least one electrode provided on the substrate.
  • the at least one electrode is arranged to exert an electrical force along the second axis on the movable element, the amount of which depends on a deflection of the movable element due to the oscillations of the movable element along the first axis.
  • the compensation device comprises a further electrode, which is provided on the substrate.
  • this allows a simple compensation of differently directed unwanted vibrations.
  • the further electrode exerts a further electrical force along the second axis on the movable element, the amount of which depends on the deflection of the movable element due to the vibrations of the movable element along the first axis.
  • the electrode and the further electrode are formed such that the force exerted by the electrode for the deflection of the movable element increases, while the force exerted by the further electrode decreases.
  • the electrode and the further electrode form an electrode pair, and a plurality of electrode pairs are provided on the substrate.
  • each of the electrode pairs is disposed at each one protrusion formed along the first axis on the movable member.
  • FIG. 1 is a view of a rotation rate sensor with a compensation device
  • FIG. 2a is a view of a pair of electrodes of the compensation device with a non-deflected detection mass element
  • FIG. 2b shows a view of a pair of electrodes of the compensation device with a detection mass element deflected in one direction
  • FIG. 2c shows a view of an electrode pair of the compensation device with a detection mass element deflected in an opposite direction.
  • Fig. 1 shows a view of a rotation rate sensor.
  • the rotation rate sensor comprises two identical structures 1, 2 with a constant thickness, which is arranged above a substrate which extends in the plane of the paper.
  • the structures 1, 2 are produced, for example, by depositing an electrically conductive polysilicon layer on an oxide layer, which in turn is provided on a silicon substrate. In the oxide layer recesses are formed so that arise in these recesses connections from the polysilicon layer to the silicon substrate. The structures are then defined and the oxide layer removed in an etching process. The polysilicon layer remains connected to the silicon substrate.
  • Each of the structures 1, 2 has two drive mass elements 3.
  • the drive mass elements 3 are connected via four drive mass springs 4 at the ends 5 to the underlying substrate.
  • two drive mass springs 4 which connect the same drive mass element 3 to the underlying substrate, lie in a y-direction, which runs along the surface of the substrate.
  • the deflections of the drive mass elements 3 are thus limited by the opposite ends 5 relative to the underlying substrate in the y-direction.
  • the drive mass springs 4 are each arranged in a quadrangular recess 6 in one of the drive mass elements 3.
  • the springs 4 are stretchable due to the orientation of their folds, especially in the y-direction, while vibrations of the drive mass elements 3 are suppressed in the x direction. Due to the attachment of the drive mass springs 4 in the recesses 6, there is still sufficient space on the sides of the drive mass elements 3 to dispose comb drives 9 with which the drive mass elements 3 can be set into oscillation in the y direction.
  • the two drive mass elements 3 of each structure 1, 2 are connected via eight detection mass springs 7 to a substantially rectangular detection mass element 8 (two springs 7 on each side).
  • the detection element 8 may be provided with through holes (eg perforation).
  • the two drive mass elements 3 almost completely surround the detection mass element 8, but leave room to connect a coupling spring 10 and a substrate spring 11 to the detection mass element 8.
  • Each two of the detection mass springs 7 are mounted opposite to two sides of the detection mass element 8. By the formation and attachment of the detection mass springs 7, vibrations of the detection mass element 8 to the drive elements 3 in the y direction and in the x direction are suppressed, while a relative movement of the detection mass element 8 in a z direction perpendicular to the surface is easily possible.
  • the detection mass elements 8 are coupled together via the coupling spring 10.
  • the sensing mass elements 8 are connected to the underlying substrate for stabilization via substrate springs 11 at the ends 12 of the substrate springs 11.
  • the drive mass elements 3 for all embodiments are excited by the comb drives 9 to oscillate along the y-axis.
  • the Coriolis force is then directed in the z-direction perpendicular to the surface of the substrate.
  • the frequency of the comb drives 9 is preferably chosen so that the detection mass elements 8 are excited due to the coupling to antiphase oscillations.
  • an electrode is in each case formed in the substrate as a detection device. If the detection mass elements 8 are vibrated in the z direction by the Coriolis force, the capacitances between the electrodes change to the overlying detection mass elements. By subtracting the signals from the electrodes, spurious accelerations can be easily subtracted.
  • suitable dimensioning of the drive mass elements. 3 and sensing mass elements 8 ensure that their common focus is time-invariant.
  • FIG. FIG. 2A shows a pair of electrodes of the compensation device, which are arranged under the undeflected detection mass element 8.
  • an overlapping area between the electrode 15 and the protrusion 14 and an overlapping area between the electrode 16 and the protrusion 14 are equal.
  • FIG. 2B shows a view of a pair of electrodes 15, 16 of the compensation device with a detection mass element 8 deflected in one direction.
  • an overlapping area between the electrode 15 and the projection 14 is smaller than an overlapping area between the electrode 16 and the projection 14. Therefore, the electrode 16 now has a greater influence on the detection mass element 8 than in the undeflected position on.
  • FIG. 2C shows a view of a pair of electrodes 15, 16 of the compensation device with a detection mass element 8 deflected in an opposite direction.
  • Yo + ⁇ Y an overlapping area between the electrode 15 and the projection 14 is greater than an overlapping area between the electrode 16 and the pros Therefore, the electrode 15 has a greater influence on the detection mass element 8 than in the undeflected position.
  • the electrode pairs 15, 16 (or the at least one electrode) need not necessarily be provided below the detection mass elements 8, since further movable oscillating mass elements can be provided in differently constructed rotation rate sensors.

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Abstract

The present invention relates to a rate-of-rotation sensor having a movable element (8), which is arranged above a surface of a substrate, can be driven to oscillate along a first axis (y), which runs along the surface, by a drive device (9) and can be displaced along a second axis (z) under the action of a Coriolis force, and having a compensation device (15, 16) which is set up to compensate for undesirable oscillations of the movable element (8) along the second axis (z), which are caused by the drive device (9). As a result of the fact that the second axis (z) is arranged perpendicular to the surface, the rate-of-rotation sensor can be integrated on a chip together with further rate-of-rotation sensors which are suitable for detecting rotation about axes of rotation which are oriented differently.

Description

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 StuttgartROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
DREHRATENSENSORROTATION RATE SENSOR
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of patent claim 1.
Ein solcher Drehratensensor, der aus der DE 102 37 411 bekannt ist, weist ein bewegliches Element, das über einer O- berfläche eines Substrats angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung entlang einer ersten Achse, die entlang der Oberfläche verläuft, zu Schwingungen antreibbar ist, und das entlang einer zweiten Achse unter Einwirkung einer Coriolis- Kraft auslenkbar ist, und eine Kompensationseinrichtung auf, die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen Elements entlang der zweiten Achse zu kompensieren, die durch die Antriebseinrichtung hervorgerufen werden.Such a rotation rate sensor, which is known from DE 102 37 411, has a movable element which is arranged above an upper surface of a substrate and can be driven to oscillate by a drive device along a first axis which runs along the surface which is deflectable along a second axis under the action of a Coriolis force, and compensating means arranged to compensate for undesirable vibrations of the movable member along the second axis caused by the driving means.
Dabei verläuft auch die zweite Achse entlang der Oberfläche des Substrats. Der Drehratensensor ist somit nur zur Erfassung einer Coriolis-Kraft geeignet, die aufgrund einer Dre- hung um eine Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats entsteht. Zur Erfassung der Coriolis-Kraft sind an dem beweglichen Element mehrere Finger als Elektroden ausgebildet, die in entsprechende Finger eingreifen, die im Substrat ausgebildet sind. Die Veränderung der Kapazität zwischen den Fingern wird zur Bestimmung der Coriolis-Kraft verwendet. Die unerwünschten Schwingungen entlang der zweiten Achse werden dabei als sogenannte Quadratursignale erfaßt und verfälschen die Meßergebnisse. Ursache für die Quadratursignale sind dabei typischerweise Asymmetrien der Sensorstruktur, wie sie durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen werden. Die unerwünschten Schwingungen entlang der zweiten Achse haben die gleiche Fre- quenz wie die Schwingungen entlang der ersten Achse. Ihre Richtung wird durch die Art/Form der Asymmetrie bestimmt.In this case, the second axis runs along the surface of the substrate. The yaw rate sensor is thus suitable only for detecting a Coriolis force which arises due to a rotation about an axis perpendicular to the surface of the substrate. To detect the Coriolis force, a plurality of fingers are formed on the movable element as electrodes, which engage in corresponding fingers which are formed in the substrate. The change in the capacitance between the fingers is used to determine the Coriolis force. The unwanted vibrations along the second axis are detected as so-called quadrature signals and distort the measurement results. Cause of the quadrature signals are typically asymmetries of the sensor structure, as they are caused by manufacturing tolerances. The unwanted vibrations along the second axis have the same fre- like the vibrations along the first axis. Their direction is determined by the type / shape of the asymmetry.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehratensensor mit einer Kompensationseinrichtung zu schaffen, der eingerichtet ist, eine Coriolis-Kraft, die senkrecht zu dem Substrat gerichtet ist, und damit eine entsprechende Drehung um eine Achse, die entlang der Oberfläche des Substrats verläuft, zu erfassen.The present invention has for its object to provide a rotation rate sensor with a compensation device which is arranged, a Coriolis force which is directed perpendicular to the substrate, and thus a corresponding rotation about an axis which extends along the surface of the substrate, capture.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Drehratensensor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.The object underlying the invention is achieved by a rotation rate sensor having the features of the characterizing part of patent claim 1.
Erfindungsgemäß verläuft die zweite Achse senkrecht zu der Oberfläche .According to the invention, the second axis is perpendicular to the surface.
Vorteilhafterweise kann ein Drehratensensor mit einer Kompensationseinrichtung für Quadratursignale mit Bezug auf die Richtung der Sensierachse ungewohnten Abmessungen geschaffen werden. Der Drehratensensor kann dann insbesondere in einem Fahrzeug platzsparend integriert werden. Der Drehratensensor kann auch zusammen mit weiteren Drehratensensoren, die zur Erfassung von Drehungen um anders gerichtete Drehachsen geeignet sind, auf einem Chip integriert werden. Zudem erfolgt die Kompensation am Sensorelement selbst, wodurch die Auswertung erleichtert wird.Advantageously, a rotation rate sensor with a compensation device for quadrature signals with respect to the direction of the sensing axis can be provided with unusual dimensions. The rotation rate sensor can then be integrated to save space, in particular in a vehicle. The rotation rate sensor can also be integrated on a chip together with further rotation rate sensors which are suitable for detecting rotations about differently oriented rotation axes. In addition, the compensation takes place on the sensor element itself, whereby the evaluation is facilitated.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kompensationseinrichtung mindestens eine Elektrode, die auf dem Substrat vorgesehen ist.In a preferred embodiment, the compensation means comprises at least one electrode provided on the substrate.
Vorteilhafterweise läßt sich eine derartige Kompensationseinrichtung besonders leicht umsetzen, ist zuverlässig und kostengünstig. In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Elektrode eingerichtet, eine elektrische Kraft entlang der zweiten Achse auf das bewegliche Element auszuüben, deren Betrag von einer Auslenkung des beweglichen Elements aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements entlang der ersten Achse abhängt.Advantageously, such a compensation device can be implemented particularly easily, is reliable and inexpensive. In a development of the preferred embodiment, the at least one electrode is arranged to exert an electrical force along the second axis on the movable element, the amount of which depends on a deflection of the movable element due to the oscillations of the movable element along the first axis.
Vorteilhafterweise kann auf diese dynamische Weise eine um- fassendere Kompensation als auf statische Weise erreicht werden .Advantageously, a more comprehensive compensation than in a static manner can be achieved in this dynamic manner.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Kompensationseinrichtung eine weitere Elektrode, die auf dem Substrat vorgesehen ist.In a further development of the preferred embodiment, the compensation device comprises a further electrode, which is provided on the substrate.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine einfache Kompensation von unterschiedlich gerichteten unerwünschten Schwingungen.Advantageously, this allows a simple compensation of differently directed unwanted vibrations.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform übt die weitere Elektrode eine weitere elektrische Kraft entlang der zweiten Achse auf das bewegliche Element aus, deren Betrag von der Auslenkung des beweglichen Elements aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements entlang der ersten Achse abhängt.In a further development of the preferred embodiment, the further electrode exerts a further electrical force along the second axis on the movable element, the amount of which depends on the deflection of the movable element due to the vibrations of the movable element along the first axis.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrode und die weitere Elektrode derart ausgebildet, daß die durch die Elektrode ausgeübte Kraft für die Aus- lenkung des beweglichen Elements zunimmt, während die durch die weitere Elektrode ausgeübte Kraft abnimmt.In a further development of the preferred embodiment, the electrode and the further electrode are formed such that the force exerted by the electrode for the deflection of the movable element increases, while the force exerted by the further electrode decreases.
In noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform bilden die Elektrode und die weitere Elektrode ein Elektro- denpaar, und sind mehrere Elektrodenpaare auf dem Substrat vorgesehen . In noch einer bevorzugten Ausführungsform ist jedes der E- lektrodenpaare bei jeweils einem Vorsprung angeordnet, der entlang der ersten Achse an dem beweglichen Element ausgebildet ist.In a further development of the preferred embodiment, the electrode and the further electrode form an electrode pair, and a plurality of electrode pairs are provided on the substrate. In a still further preferred embodiment, each of the electrode pairs is disposed at each one protrusion formed along the first axis on the movable member.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: FIG. 1 eine Ansicht eines Drehratensensors mit einer Kompensationseinrichtung;In the following the invention with reference to the drawings will be described in more detail. In the drawings: FIG. 1 is a view of a rotation rate sensor with a compensation device;
FIG. 2a eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem nicht ausgelenkten Erfassungsmassenelement; FIG. 2b eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem in eine Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement; undFIG. 2a is a view of a pair of electrodes of the compensation device with a non-deflected detection mass element; FIG. 2b shows a view of a pair of electrodes of the compensation device with a detection mass element deflected in one direction; and
FIG. 2c eine Ansicht eines Elektrodenpaars der Kompensationseinrichtung mit einem in eine entgegengesetzte Richtung aus- gelenkten Erfassungsmassenelement.FIG. FIG. 2c shows a view of an electrode pair of the compensation device with a detection mass element deflected in an opposite direction. FIG.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Drehratensensors. Der Drehra- tensensor umfaßt zwei identische Strukturen 1, 2 mit einer konstanten Dicke, die über einem Substrat, welches in der Papierebene verläuft, angeordnet ist. Die Strukturen 1, 2 werden beispielsweise erzeugt, indem eine elektrisch leitende Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht abgeschieden wird, die wiederum auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. In der Oxidschicht sind Aussparungen ausgebildet, so daß in diesen Aussparungen Verbindungen von der Polysiliziumschicht zu dem Siliziumsubstrat entstehen. Die Strukturen werden daraufhin definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozeß ent- fernt. Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden. Jede der Strukturen 1, 2 weist zwei Antriebsmassenelemente 3 auf. Die Antriebsmassenelemente 3 sind über vier Antriebsmassenfedern 4 an den Enden 5 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden. Dabei liegen jeweils zwei Antriebsmassenfedern 4, die das gleiche Antriebsmassenelement 3 mit dem darunterliegenden Substrat verbinden, in einer y-Richtung, die entlang der Oberfläche des Substrats verläuft, gegenüber. Die Auslenkungen der Antriebsmassenelemente 3 sind somit durch die gegenüberliegenden Enden 5 relativ zu dem darunterliegenden Substrat in y-Richtung begrenzt. Die Antriebsmassenfedern 4 sind jeweils in einer viereckigen Aussparung 6 in einem der Antriebmassenelemente 3 angeordnet. Die Federn 4 sind wegen der Ausrichtung ihrer Faltungen vor allem in y-Richtung dehnbar, während Schwingungen der Antriebsmassenelemente 3 in x- Richtung unterdrückt werden. Aufgrund der Anbringung der Antriebsmassenfedern 4 in den Aussparungen 6 ist dabei noch genügend Raum auf den Seiten der Antriebsmassenelemente 3 vorhanden, um Kammantriebe 9 anzuordnen, mit denen die Antriebsmassenelemente 3 in y-Richtung in Schwingungen versetzt wer- den können.Fig. 1 shows a view of a rotation rate sensor. The rotation rate sensor comprises two identical structures 1, 2 with a constant thickness, which is arranged above a substrate which extends in the plane of the paper. The structures 1, 2 are produced, for example, by depositing an electrically conductive polysilicon layer on an oxide layer, which in turn is provided on a silicon substrate. In the oxide layer recesses are formed so that arise in these recesses connections from the polysilicon layer to the silicon substrate. The structures are then defined and the oxide layer removed in an etching process. The polysilicon layer remains connected to the silicon substrate. Each of the structures 1, 2 has two drive mass elements 3. The drive mass elements 3 are connected via four drive mass springs 4 at the ends 5 to the underlying substrate. In each case, two drive mass springs 4, which connect the same drive mass element 3 to the underlying substrate, lie in a y-direction, which runs along the surface of the substrate. The deflections of the drive mass elements 3 are thus limited by the opposite ends 5 relative to the underlying substrate in the y-direction. The drive mass springs 4 are each arranged in a quadrangular recess 6 in one of the drive mass elements 3. The springs 4 are stretchable due to the orientation of their folds, especially in the y-direction, while vibrations of the drive mass elements 3 are suppressed in the x direction. Due to the attachment of the drive mass springs 4 in the recesses 6, there is still sufficient space on the sides of the drive mass elements 3 to dispose comb drives 9 with which the drive mass elements 3 can be set into oscillation in the y direction.
Die zwei Antriebsmassenelemente 3 einer jeden Struktur 1, 2 sind über acht Erfassungsmassenfedern 7 mit einem im wesentlichen rechteckigen Erfassungsmassenelement 8 (zwei Federn 7 auf jeder Seite) verbunden. Das Erfassungselement 8 kann mit durchgehenden Löchern (z.B. Perforation) versehen sein. Die zwei Antriebsmassenelemente 3 umgeben das Erfassungsmassenelement 8 fast vollständig, lassen jedoch Raum, um eine Kopplungsfeder 10 und eine Substratfeder 11 an das Erfassungsmas- senelement 8 anzubinden. Jeweils zwei der Erfassungsmassenfedern 7 sind gegenüberliegend auf zwei Seiten des Erfassungsmassenelements 8 angebracht. Durch die Ausbildung und diese Anbringung der Erfassungsmassenfedern 7 werden Schwingungen des Erfassungsmassenelements 8 zu den Antriebselemen- ten 3 in y-Richtung und in x-Richtung unterdrückt, während eine Relativbewegung des Erfassungsmassenelements 8 in einer z-Richtung senkrecht zur Oberfläche leicht möglich ist. Die Erfassungsmassenelemente 8 sind über die Kopplungsfeder 10 miteinander gekoppelt. Die Erfassungsmassenelemente 8 sind zur Stabilisierung über Substratfedern 11 an den Enden 12 der Substratfedern 11 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden .The two drive mass elements 3 of each structure 1, 2 are connected via eight detection mass springs 7 to a substantially rectangular detection mass element 8 (two springs 7 on each side). The detection element 8 may be provided with through holes (eg perforation). The two drive mass elements 3 almost completely surround the detection mass element 8, but leave room to connect a coupling spring 10 and a substrate spring 11 to the detection mass element 8. Each two of the detection mass springs 7 are mounted opposite to two sides of the detection mass element 8. By the formation and attachment of the detection mass springs 7, vibrations of the detection mass element 8 to the drive elements 3 in the y direction and in the x direction are suppressed, while a relative movement of the detection mass element 8 in a z direction perpendicular to the surface is easily possible. The detection mass elements 8 are coupled together via the coupling spring 10. The sensing mass elements 8 are connected to the underlying substrate for stabilization via substrate springs 11 at the ends 12 of the substrate springs 11.
Entlang der y-Richtung sind an den gegenüberliegenden Seiten der Erfassungsmassenelemente 8 viereckige Aussparungen 13 vorgesehen, zwischen denen viereckige Vorsprünge 14 ausgebildet sind. Auf dem Substrat sind unter den viereckigen Aussparungen 13 Elektrodenpaare 15, 16 ausgebildet, die von dem Substrat elektrisch isoliert sind. Die Elektroden 15 sind jeweils mit der Stromversorgung Vi elektrisch verbunden und die Elektroden 16 sind jeweils mit einer Stromversorgung V2 e- lektrisch verbunden, so daß die Elektroden 15 mit einer anderen Spannung versorgt werden können als die Elektroden 16. Die Strukturen 1, 2 und somit die Vorsprünge 14 sind mit der Stromversorgung V3 elektrisch verbunden.Along the y-direction 8 square recesses 13 are provided on the opposite sides of the detection mass elements, between which quadrangular projections 14 are formed. On the substrate, 13 pairs of electrodes 15, 16 are formed under the square recesses, which are electrically isolated from the substrate. The electrodes 15 are each electrically connected to the power supply Vi and the electrodes 16 are each electrically connected to a power supply V2, so that the electrodes 15 can be supplied with a different voltage than the electrodes 16. The structures 1, 2 and thus the projections 14 are electrically connected to the power supply V 3 .
Wenn der Sensor um die x-Achse gedreht wird, werden die Antriebsmassenelemente 3 für alle Ausführungsformen durch die Kammantriebe 9 zu Schwingungen entlang der y-Achse angeregt. Die Coriolis-Kraft ist dann in z-Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gerichtet. Dabei wird die Frequenz der Kammantriebe 9 vorzugsweise so gewählt, daß die Erfassungsmassenelemente 8 aufgrund der Kopplung zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden. Unter den Erfassungsmassenelementen 8 ist jeweils im Substrat eine Elektrode als Erfas- sungseinrichtung ausgebildet. Werden die Erfassungsmassenelemente 8 durch die Coriolis-Kraft in z-Richtung in Schwingungen versetzt, verändern sich die Kapazitäten zwischen den E- lektroden zu den darüberliegenden Erfassungsmassenelementen. Durch Differenzbildung der Signale von den Elektroden können Störbeschleunigungen einfach abgezogen werden. Zudem wird durch geeignete Dimensionierung der Antriebsmassenelemente 3 und Erfassungsmassenelemente 8 dafür gesorgt, daß ihr gemeinsamer Schwerpunkt zeitinvariant ist.When the sensor is rotated about the x-axis, the drive mass elements 3 for all embodiments are excited by the comb drives 9 to oscillate along the y-axis. The Coriolis force is then directed in the z-direction perpendicular to the surface of the substrate. The frequency of the comb drives 9 is preferably chosen so that the detection mass elements 8 are excited due to the coupling to antiphase oscillations. Under the detection mass elements 8, an electrode is in each case formed in the substrate as a detection device. If the detection mass elements 8 are vibrated in the z direction by the Coriolis force, the capacitances between the electrodes change to the overlying detection mass elements. By subtracting the signals from the electrodes, spurious accelerations can be easily subtracted. In addition, by suitable dimensioning of the drive mass elements. 3 and sensing mass elements 8 ensure that their common focus is time-invariant.
Zwischen den Antriebsmassenelementen 3 und den Erfassungsmas- senelementen 8 können auch weitere Schwingmassenelemente vorgesehen sein, die miteinander gekoppelt sind. So ist es möglich nur die Schwingung in z-Richtung aufgrund der Coriolis- Kraft auf die Erfassungsmassenelemente 8 zu übertragen.Between the drive mass elements 3 and the detection mass elements 8, it is also possible to provide further oscillating mass elements which are coupled to one another. Thus, it is possible to transmit only the oscillation in the z-direction due to the Coriolis force on the detection mass elements 8.
FIG. 2A zeigt ein Elektrodenpaar der Kompensationseinrichtung, die unter die nicht ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8 angeordnet sind. In der nicht ausgelenkten Position Y0 sind ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 und ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vorsprung 14 gleich groß. Aufgrund der an das Erfassungsmassenelement 8 angelegten Spannung V3, der an die Elektrode 15 angelegten Spannung V2 und der an die E- lektrode 16 angelegten Spannung Vi wirkt eine Kraft zwischen den Elektroden 15, 16 und dem Vorsprung 14, welche das Erfas- sungselement 8 in z-Richtung geringfügig verschiebt.FIG. FIG. 2A shows a pair of electrodes of the compensation device, which are arranged under the undeflected detection mass element 8. In the undeflected position Y 0 , an overlapping area between the electrode 15 and the protrusion 14 and an overlapping area between the electrode 16 and the protrusion 14 are equal. Due to the voltage V 3 applied to the sensing mass element 8, the voltage V 2 applied to the electrode 15, and the voltage Vi applied to the electrode 16, a force acts between the electrodes 15, 16 and the protrusion 14 forming the sensing element 8 slightly shifted in the z-direction.
FIG. 2B zeigt eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der Kompensationseinrichtung mit einem in einer Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der ausgelenkten Posi- tion Yo+ΔY ist ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 kleiner als ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vorsprung 14. Daher hat nun die Elektrode 16 einen größeren Einfluß auf das Erfassungsmassenelement 8 als in der nicht ausgelenkten Positi- on .FIG. 2B shows a view of a pair of electrodes 15, 16 of the compensation device with a detection mass element 8 deflected in one direction. In the deflected position Yo + ΔY, an overlapping area between the electrode 15 and the projection 14 is smaller than an overlapping area between the electrode 16 and the projection 14. Therefore, the electrode 16 now has a greater influence on the detection mass element 8 than in the undeflected position on.
FIG. 2C zeigt eine Ansicht eines Elektrodenpaars 15, 16 der Kompensationseinrichtung mit einem in einer entgegengesetzten Richtung ausgelenkten Erfassungsmassenelement 8. In der aus- gelenkten Position Yo+ΔY ist ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 15 und dem Vorsprung 14 größer als ein überlappender Bereich zwischen der Elektrode 16 und dem Vor- sprung 14. Daher hat nun die Elektrode 15 einen größeren Einfluß auf das Erfassungsmassenelement 8 als in der nicht ausgelenkten Position.FIG. 2C shows a view of a pair of electrodes 15, 16 of the compensation device with a detection mass element 8 deflected in an opposite direction. In the deflected position Yo + ΔY, an overlapping area between the electrode 15 and the projection 14 is greater than an overlapping area between the electrode 16 and the pros Therefore, the electrode 15 has a greater influence on the detection mass element 8 than in the undeflected position.
Bei geeigneter Einstellung der Spannungen Vi und V2 lassen sich durch die Krafteinwirkung der Elektroden 15 und 16 die Kräfte kompensieren, die zu den unerwünschten Schwingungen in z-Richtung und Quadratursignalen führen. Aufgrund den separaten Stromversorgungen für die Elektroden 15 und 14 können die Quadratursignale dabei individuell in zwei entgegengesetzte Richtungen berichtigt werden.With suitable adjustment of the voltages Vi and V 2 can be compensated by the force of the electrodes 15 and 16, the forces that lead to the unwanted vibrations in the z-direction and quadrature signals. Due to the separate power supplies for the electrodes 15 and 14, the quadrature signals can be corrected individually in two opposite directions.
Allgemein müssen die Elektrodenpaare 15, 16 (oder muß die mindestens eine Elektrode) nicht unbedingt unter den Erfas- sungsmassenelementen 8 vorgesehen sein, da in anders ausgebildeten Drehratensensoren weitere bewegliche Schwingmassenelemente vorgesehen sein können. Voraussetzung für eine geeignete Vorsehung der Elektrodenpaare 15, 16 ist jedoch, daß die Elektrodenpaare 15, 16 auf dem Substrat unter (oder über) einem beweglichen Element vorgesehen sind, das sich sowohl in y-Richtung aufgrund der Kammantriebe als auch in z-Richtung aufgrund der Coriolis-Kraft bewegen kann (dies gilt auch für eine einzige Kompensationselektrode) . In general, the electrode pairs 15, 16 (or the at least one electrode) need not necessarily be provided below the detection mass elements 8, since further movable oscillating mass elements can be provided in differently constructed rotation rate sensors. The prerequisite for a suitable provision of the electrode pairs 15, 16, however, is that the electrode pairs 15, 16 are provided on the substrate under (or over) a movable element, which is due both in the y-direction due to the comb drives and in the z-direction can move the Coriolis force (this also applies to a single compensation electrode).

Claims

Ansprüche claims
1. Drehratensensor mit einem beweglichen Element (8), das über einer Oberfläche eines Substrats angeordnet ist und durch eine Antriebseinrichtung (9) entlang einer ersten Achse (y) , die entlang der Oberfläche verläuft, zu Schwingungen antreibbar ist, und das entlang einer zweiten Achse (z) unter Einwirkung einer Coriolis-Kraft auslenkbar ist, und mit einer Kompensationseinrichtung (15, 16), die eingerichtet ist, unerwünschte Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der zweiten Achse (z) zu kompensieren, die durch die Antriebseinrichtung (9) hervorgerufen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Achse (z) senkrecht zu der Oberfläche verläuft.A rotation rate sensor comprising a movable member (8) disposed over a surface of a substrate and drivable to vibrate by a drive means (9) along a first axis (y) extending along the surface, along a second axis Axis (z) is deflectable under the action of a Coriolis force, and with a compensation device (15, 16) which is adapted to compensate for unwanted vibrations of the movable member (8) along the second axis (z), by the drive means ( 9), characterized in that the second axis (z) is perpendicular to the surface.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (15, 16) mindestens eine Elektrode (15) umfaßt, die auf dem Substrat vorgesehen ist.2. Rate of rotation sensor according to claim 1, characterized in that the compensation device (15, 16) comprises at least one electrode (15) which is provided on the substrate.
3. Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Elektrode (15) eingerichtet ist, eine elektrische Kraft entlang der zweiten Achse (z) auf das bewegliche Element (8) ausüben, deren Betrag von einer Auslenkung des beweglichen Elements3. A rotation rate sensor according to claim 3, characterized in that the at least one electrode (15) is adapted to exert an electrical force along the second axis (z) on the movable member (8), the amount of a deflection of the movable member
(8) aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der ersten Achse (y) abhängt.(8) due to the vibrations of the movable member (8) along the first axis (y) depends.
4. Drehratensensor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung4. rotation rate sensor according to claim 2 or claim 3, characterized in that the compensation device
(15, 16) eine weitere Elektrode (16) umfaßt, die auf dem Substrat vorgesehen ist.(15, 16) comprises a further electrode (16) provided on the substrate.
5. Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Elektrode (16) eingerichtet ist, eine weitere elektrische Kraft entlang der zweiten Ach- se (z) auf das bewegliche Element (8) auszuüben, deren Betrag von der Auslenkung des beweglichen Elements (8) aufgrund der Schwingungen des beweglichen Elements (8) entlang der ersten Achse (y) abhängt.5. rotation rate sensor according to claim 4, characterized in that the further electrode (16) is arranged, a further electrical force along the second axis se (z) to exert on the movable element (8) whose amount depends on the deflection of the movable element (8) due to the vibrations of the movable element (8) along the first axis (y).
6. Drehratensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15) und die weitere Elektrode6. gyratory sensor according to claim 4, characterized in that the electrode (15) and the further electrode
(16) derart ausgebildet sind, daß die durch die Elektrode (15) ausgeübte Kraft für die Auslenkung des beweglichen Elements (8) zunimmt, während die durch die weitere Elektrode (16) ausgeübte Kraft abnimmt.(16) are formed such that the force exerted by the electrode (15) for the deflection of the movable member (8) increases, while the force applied by the further electrode (16) decreases.
7. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15) und die weitere Elektrode (16) ein Elektrodenpaar bilden, und daß mehrere Elektrodenpaare auf dem Substrat vorgesehen sind.7. rotation rate sensor according to one of claims 4 to 6, characterized in that the electrode (15) and the further electrode (16) form a pair of electrodes, and that a plurality of pairs of electrodes are provided on the substrate.
8. Drehratensensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Elektrodenpaare bei jeweils einem Vorsprung (14) angeordnet ist, der entlang der ersten Achse an dem beweglichen Element (8) ausgebildet ist. 8. rotation rate sensor according to claim 7, characterized in that each of the electrode pairs is arranged in each case a projection (14) which is formed along the first axis of the movable element (8).
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