WO2019030037A1 - Ein- und zweiachsiger drehratensensor - Google Patents

Ein- und zweiachsiger drehratensensor Download PDF

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WO2019030037A1
WO2019030037A1 PCT/EP2018/070574 EP2018070574W WO2019030037A1 WO 2019030037 A1 WO2019030037 A1 WO 2019030037A1 EP 2018070574 W EP2018070574 W EP 2018070574W WO 2019030037 A1 WO2019030037 A1 WO 2019030037A1
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mass
rotation
mass oscillator
oscillator
axis
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PCT/EP2018/070574
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French (fr)
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Reinhard Neul
Andreas Lassl
Niels Bode
Burkhard Kuhlmann
Nils Felix Kuhlmann
Peter Degenfeld-Schonburg
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • Embodiments are known, which are used for example in the automotive industry, navigation and consumer electronics.
  • uniaxial yaw rate sensors are used, each of which measures the yaw rate about a defined axis.
  • the principle of operation of such sensors is based on inertial forces acting on the sensor during rotations and linear accelerations which can be measured by means of the deflections of seismic masses caused by them. Since in principle rotational speeds,
  • Characteristic feature is that the detection principle is robust with respect to external rotational and linear accelerations and thus enables as unadulterated measurement of the rotational speed as possible. In some applications, such as rollover detection, the simultaneous measurement of rotation rates about different axes is necessary, which is currently realized by the use of multiple individual sensors. Disclosure of the invention
  • the senor should also be robust against external linear and rotational accelerations. Furthermore, the sensor should have a small number of movable masses to reduce the sensitivity to external vibrations.
  • the yaw rate sensor according to the invention is designed for this purpose so that the rotational rates with respect to two mutually orthogonal axes can be measured by the movement of two seismic masses.
  • This mode of operation offers several advantages over a combination of single-axis sensors.
  • only one drive circuit is necessary, so that in the sensor core
  • the present invention is based on detecting a rate of rotation of the sensor by the Coriolis forces acting on two mass oscillators.
  • the basic idea of the invention is the two
  • Centrifugal accelerations to the same, in particular the same directional deflections lead can be isolated by comparing the deflections, the effect of Coriolis kit.
  • the sensor principle is in this sense robust against influences by linear, centrifugal and rotational accelerations. To guarantee the same directional deflections points here
  • the masses of the two mass oscillators must be the same size. If the sensor as a whole experiences linear acceleration, the accelerations and resulting deflections of the two are also due to the same masses
  • a rotation rate measurement can be carried out with respect to two mutually perpendicular axes of rotation.
  • the sensor is realized as a micromechanical structure, the Structure on a main extension plane, which is parallel to the substrate.
  • the antiphase oscillation of the two mass oscillators lies in this
  • Main extension plane and defines a Y-axis of the coordinate system.
  • An X-axis is now defined perpendicular to the main plane of extent through the Y-axis and a Z-axis perpendicular to the main extension plane.
  • a Coriolis force acts on the masses that vibrate in the Y direction, which deflects the masses in the Z direction.
  • a rotation about the Z axis causes a deflection in the X direction.
  • the two masses are connected to a vibrationally connected to the substrate, wherein the coupling is designed so that both the caused by the drive vibration movement is possible, as well as the deflection due to the Coriolis forces. Furthermore, the two mass oscillators are vibrationally coupled to each other so that the anti-phase drive motion is allowed and the out-of-phase excursions due to the Coriolis forces are favored.
  • the drive of the vibration in the Y direction can, for example by means of
  • electrostatic forces occur.
  • the one hand there are electrodes which are firmly connected to the substrate and, on the other hand, electrodes which are each part of the two mass oscillators.
  • an electrostatic force between the mass oscillators and the substrate becomes effective, with which the antiphase oscillation can be excited.
  • the deflections in the X or Z direction caused by the Coriolis forces can likewise be detected via electrodes which are also connected to the
  • Drive electrodes can be at least partially identical.
  • the deflections of the mass oscillators go with a shift of the with the
  • Mass oscillators connected electrodes relative to the substrate electrodes. This shift is about the capacity change of
  • Electrode arrangements measurable, so that the two, the mass oscillators associated electrical signals a differential evaluation of
  • the drive frame is, for example, of
  • the antiphase oscillation of the mass oscillator in the Y direction is excited by two drive frames, one of which is connected to the first mass oscillator and another with the second mass oscillator vibratory.
  • both drive frames can be electrostatically actuated via drive combs.
  • Figure 1 shows a schematic plan view of a rotation rate sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows schematically a coupling element for an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows a further coupling element for a
  • Figure 4 shows schematically two relative deflections between the electrodes due to an external spin.
  • Figure 5 shows an embodiment of the present invention in which the two mass oscillators are driven by two drive frames.
  • Figure 6 shows an alternative embodiment of the present invention in which the second mass oscillator is given by an open detection frame.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a rotation rate sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • Main extension plane of the sensor 1 is the drawing plane here.
  • the first mass oscillator 2 is given by an inner detection frame and the second mass oscillator 3 by an outer detection frame.
  • Both mass oscillators 2, 3 are connected to one another by a coupling element 4 and are excited by a (not shown) drive mechanism so that they vibrate in phase opposition to each other in the Y direction 102. If the sensor is rotated, the associated ones will act
  • the sensor is therefore sensitive to axes of rotation in the X direction 101 (in the
  • the mass oscillators 2, 3 When rotated about the X-axis, the mass oscillators 2, 3 are deflected by the Coriolis force along the Z-axis 103, while rotation about the Z-axis 103 results in a displacement along the X-axis. Because the velocities of the two mass oscillators 2, 3 are directed in opposite directions at each point in time during the antiphase oscillation, the deflections also occur in antiphase due to the Coriolis force.
  • the two mass oscillators 2, 3 are coupled to one another in such a way that the antiphase movement in the Y direction 102 is permitted and the antiphase deflections are favored by the Coriolis forces.
  • the mass oscillators 2, 3 each have electrode arrangements 7, 8, which are carried along during the movement. With the substrate is another (not shown), so that the relative displacement of the first electrode assembly 7 relative to the
  • Substrate electrode assembly 9 can be measured by a capacitance change, while analogously, the displacement of the second electrode assembly 8 relative to the substrate electrode assembly 9 causes a second capacitance change.
  • the sensor concept according to the invention requires a high symmetry of the geometry, which is given by four symmetry conditions. According to the first symmetry condition, the center of gravity 5 of the first falls
  • Mass oscillator 2 with the second center of mass 6 of the second mass oscillator 3 together. According to the second symmetry condition, the centroid of the first electrode arrangement 7 coincides with that of FIG
  • Centroid of the second electrode assembly 7 together.
  • the third symmetry condition requires that the two centroids coincide with the two mass centers 5, 6 of the mass oscillators.
  • the fourth symmetry condition requires that the two electrode arrangements 7, 8 have surfaces of equal size and that the mass oscillators 2, 3 have equal masses.
  • FIG. 2 schematically shows a coupling element 3 which can be used for the oscillatory coupling of the first mass oscillator 2 with the second mass oscillator 3.
  • a coupling element 3 which can be used for the oscillatory coupling of the first mass oscillator 2 with the second mass oscillator 3.
  • FIGS. 2b-2d each show an antiphase deflection in different coupling directions. While the coupling element allows the anti-phase movement in Figure 2b, the out-of-phase movements in Figures 2c and 2d are favored.
  • such a coupling element can for example be used advantageously for allowing the antiphase oscillation in the Y direction 102, whereas the antiphase deflections in the X or Z direction (102 or 103) caused by the Coriolis forces are favored ,
  • a further coupling element 3 is shown, which for the
  • FIG. 3a shows, analogously to FIG. 2a, the undeflected state, while FIGS. 2b and 2c show different coupling directions.
  • the coupling direction in FIG. 2b is allowed, the direction in FIG. 2c is favored and the third deflection direction is suppressed.
  • Such an element can be used for the coupling of the two mass oscillators 2, 3 according to an embodiment of the invention, in which the
  • Mass oscillators 2, 3 connected electrodes 7, 8 and connected to the substrate electrode assembly 9 shown.
  • Figure 4b shown at a rotation about the X-axis 101.
  • the equality of the surface and center of gravity 5, 6 together with the differential capacity evaluation ensures the robustness over such
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the invention, in which the two mass oscillators 2, 3 have an inner and an outer
  • Detection frame are given and the excitation of the vibration by two drive frame 10 takes place.
  • the inner drive frame 10 drives the first mass oscillator 2, while two outer drive frames 10, 11 drive the second mass oscillator 3.
  • the two outer drive frame 10, 11 are coupled to the one with the second mass oscillator 3 and on the other with each other vibratory to one another in this arrangement is a
  • the second layer may also comprise an inner drive frame 10 with an outer detection frame (second mass oscillator 3)
  • Mass oscillator 3 connect.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention, in which the second mass oscillator 3 is given by an open detection frame.
  • the advantage of this variant is that with the addition of a drive frame, no intersections of mechanical structures are necessary and thus no second mechanical layer 12 must be used.
  • the figure is not point-symmetrical about the common center of gravity 5, 6 of the two mass oscillators 2, 3, but nevertheless fulfills the symmetry conditions according to the invention.

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor (1) mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und einem ersten Massenschwinger (2) und einem zweiten Massenschwinger (3) beansprucht, wobei der erste und zweite Massenschwinger (2, 3) mit dem Substrat schwingungsfähig verbunden sind und darüber hinaus der erste Massenschwinger (2) und der zweite Massenschwinger (3) schwingungsfähig miteinander verbunden sind, wobei der erste Massenschwinger (2) eine erste Elektrodenanordnung (7) umfasst, wobei der zweite Massenschwinger (3) eine zweite Elektrodenanordnung (8) umfasst, wobei das Substrat eine dritte Elektrodenanordnung (9) umfasst, wobei der Drehratensensor (1) zur Detektion einer ersten Drehrate um eine erste Drehachse konfiguriert ist und/oder der Drehratensensor (1) zur Detektion einer zweiten Drehrate um eine zweite Drehachse konfiguriert ist, wobei sich die erste Drehachse entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallel angeordneten X-Richtung (101) erstreckt, wobei sich die zweite Drehachse entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen senkrecht angeordneten Z-Richtung (103) erstreckt, wobei der erste Massenschwinger (2) und der zweite Massenschwinger (3) in einer Antriebsbewegungsrichtung gegenphasig entlang einer senkrecht zur X-Richtung (101) und senkrecht zur Z-Richtung (103) angeordneten Y-Richtung (102) auslenkbar sind, wobei der erste und zweite Massenschwinger (2, 3) bei einer Drehung um die erste Drehachse eine erste Kraft in Z-Richtung (103) erfahren, wobei der erste und zweite Massenschwinger (2, 3) bei Drehung um die zweite Drehachse eine zweite Kraft in X-Richtung (101) erfahren.

Description

Beschreibung Titel
Ein- und zweiachsiger Drehratensensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Sensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen
Ausführungsformen bekannt, die beispielsweise in der Automobiltechnik, der Navigation und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen im Automotive- Bereich werden einachsige Drehratensensoren eingesetzt, die jeweils die Drehrate um eine definierte Achse messen. Üblicherweise beruht das Funktionsprinzip solcher Sensoren darauf, dass im Sensor bei Drehungen und Linearbeschleunigungen Trägheitskräfte wirken, die sich über die von ihnen hervorgerufenen Auslenkungen seismischer Massen messen lassen. Da prinzipiell Drehgeschwindigkeiten,
Drehbeschleunigungen und Linearbeschleunigungen gleichermaßen zu
Auslenkungen führen können, besteht eine erstrebenswerte technische
Eigenschaft darin, dass das Detektionsprinzip robust gegenüber äußeren Dreh- und Linearbeschleunigungen ist und so eine möglichst unverfälschte Messung der Drehgeschwindigkeit ermöglicht. Bei einigen Anwendungsfällen, wie zum Beispiel bei der Überschlagserkennung, ist die gleichzeitige Messung von Drehraten um verschiedene Achsen notwendig, was derzeit durch den Einsatz mehrerer einzelner Sensoren realisiert wird. Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfassung von Drehraten um eine oder zwei Achsen mit einem einzigen Sensorelement zu ermöglichen. Um den Anforderungen für sicherheitsrelevante Anwendungen in der
Automobiltechnik zu erfüllen, soll der Sensor zudem robust gegenüber äußeren Linear- und Drehbeschleunigungen sein. Weiterhin soll der Sensor eine geringe Anzahl an beweglichen Massen aufweisen um die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Vibrationen zu vermindern.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist zu diesem Zweck so entworfen, dass sich über die Bewegung zweier seismischer Massen die Drehraten bezüglich zweier zueinander orthogonaler Achsen messen lassen. Diese Funktionsweise bietet gegenüber einer Kombination einachsiger Sensoren mehrere Vorteile. So ist zum einen nur ein Antriebskreis notwendig, so dass im Sensorkern
Antriebsstrukturen sowie Anschlusspads und die zugehörigen Verdrahtungen eingespart werden können. Weiterhin kann die Struktur des Sensors kompakter gestaltet werden, da nur ein Antriebsregelkreis zur Verfügung gestellt werden muss. Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt darin, dass bei nur einem Antrieb im Gegensatz zu zwei Sensorkernen mit unterschiedlichen Antriebsfrequenzen eine gegenseitige Beeinflussung z.B. durch parasitäres Übersprechen der Antriebskräfte vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil eines mehrachsigen Sensordesigns besteht in der
Vermeidung von Störmoden, die auf verschiedene Arten zu einem Fehlsignal des Sensors führen können, beispielsweise infolge von Anregung durch äußere Vibrationen oder durch nichtlineares Übersprechen in der Mechanik oder der Elektrostatik des Systems. Werden mehrere identische einachsige Sensoren verwendet, weisen alle Sensoren die gleichen Störmoden auf, die
prozessbedingt bei leicht unterschiedlichen Frequenzen liegen, so dass sich insgesamt die Zahl der Störmoden in einem betrachteten Frequenzbereich vervielfacht. Mehrachsigen Sensorelemente weisen dagegen in der Regel eine geringere Anzahl an Störmoden auf. Wenn darüber hinaus dieselben
seismischen Massen, bzw. derselbe Sensorkern für mehr als nur eine Messachse verwendet werden, kann dadurch eine deutliche Reduzierung der Störmoden erreicht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen entnehmbar.
Die vorliegende Erfindung basiert darauf, eine Drehrate des Sensors durch die, auf zwei Massenschwinger wirkenden Corioliskräfte zu detektieren. Um die Corioliskräfte von anderen Kräften, die durch Zentrifugalbeschleunigungen und Linear- oder Drehbeschleunigungen des Sensors entstehen, messbar abgrenzen zu können, besteht die Grundidee der Erfindung darin, die beiden
Massenschwinger derart in gegenphasige Schwingungsbewegung zu versetzen, dass zu jedem Zeitpunkt die Lage und Bewegung der beiden Massenschwinger im folgenden Sinne symmetrisch zueinander sind: Durch die gegenphasige Bewegung selbst ist gewährleistet, dass die Geschwindigkeiten der beiden Massenschwinger zu jedem Zeitpunkt gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet sind. Die durch die Geschwindigkeiten bestimmten Corioliskräfte und die durch sie verursachten Auslenkungen sind demnach ebenfalls gleich groß und entgegengesetzt gerichtet. Sind die Massenschwinger nun so beschaffen, dass alle anderen Einflüsse durch Linear- oder Drehbeschleunigungen bzw.
Zentrifugalbeschleunigungen zu gleichen, insbesondere gleich gerichteten Auslenkungen führen, lässt sich durch einen Vergleich der Auslenkungen die Wirkung der Corioliskräfte isolieren. Das Sensorprinzip ist in diesem Sinne robust gegenüber Einflüssen durch Linear-, Zentrifugal- und Drehbeschleunigungen. Um die gleich gerichteten Auslenkungen zu garantieren weist der hier
vorgeschlagene Drehratensensor vier Symmetriebedingungen auf, die erfindungsgemäß erfüllt sein müssen.
Um die Robustheit gegenüber Linearbeschleunigungen zu erreichen, müssen die Massen der beiden Massenschwinger gleich groß sein. Erfährt der Sensor als Ganzes eine Linearbeschleunigung, sind durch die gleichen Massen auch die Beschleunigungen und resultierenden Auslenkungen der beiden
Massenschwinger gleich. Wie weiter unten beschrieben wird, wird die
Auslenkung über die relative Bewegung mehrerer Elektrodenanordnungen gemessen, von denen jeweils eine fest mit jedem Massenschwinger verbunden ist und eine weitere fest mit dem Substrat verbunden ist. Dabei führt die
Änderung der relativen Lage der Elektroden zueinander zu einer messbaren Kapazitätsänderung, die sich in einem elektrischen Signal ausdrückt. Die Bewegung der beiden Massenschwinger wird damit durch zwei verschiedene
Signale quantifiziert. Durch Differenzbildung der beiden Signale heben sich nun die Anteile aufgrund gleicher Auslenkungen weg, so dass die Anteile übrig bleiben, die durch entgegengesetzte Auslenkungen verursacht werden. Die Corioliskraft bewirkt nun, wie oben beschrieben, genau entgegengesetzte Auslenkungen, während eine Auslenkung aufgrund einer gleichzeitig wirkenden
Linearbeschleunigung bei der Differenzbildung eliminiert wird.
Ein ähnliches Prinzip gilt auch für die Robustheit gegenüber
Drehbeschleunigungen. Im Gegensatz zur Corioliskraft, die von der Richtung der Bewegung abhängt, sind die Beschleunigungen, die bei einer Änderung der
Drehrate entstehen, von der Geschwindigkeit und deren Richtung unabhängig und können in ähnlicher Weise wie die Linearbeschleunigungen durch
Differenzbildung eliminiert werden. Voraussetzung dafür ist es, dass die durch die Drehbeschleunigung hervorgerufene Auslenkung bei beiden, mit den Massenschwingern verbundenen Elektroden gleich ist. Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, dass beide Elektroden so gestaltet werden, dass sie gleiche Flächen aufweisen und dass zum einen ihre Flächenschwerpunkte zusammenfallen und zum anderen die Flächenschwerpunkte mit den
Schwerpunkten der Massenschwinger zusammenfallen.
Um eine Robustheit gegenüber Zentrifugalbeschleunigungen zu erreichen, genügt es, dass die Massenschwerpunkte beider Massenschwinger
zusammenfallen. Dadurch werden beide Massenschwinger unter der
Zentrifugalbeschleunigung in gleicher Weise ausgelenkt.
Mit einer Vorrichtung, die den genannten Symmetriebedingungen genügt, lässt sich eine Dreh raten messung bezüglich zweier, aufeinander senkrecht stehender Drehachsen durchführen. Um die Richtungen der jeweiligen Schwingungen und Auslenkungen klar zu beschreiben, ist es sinnvoll, ein Koordinatensystem einzuführen. Wird der Sensor als mikromechanische Struktur realisiert, weist die Struktur eine Haupterstreckungsebene auf, die parallel zum Substrat liegt. Die gegenphasige Schwingung der beiden Massenschwinger liegt in dieser
Haupterstreckungsebene und definiert eine Y-Achse des Koordinatensystems. Durch die Y-Achse ist nun senkrecht dazu in der Haupterstreckungsebene eine X-Achse festgelegt und senkrecht zur Haupterstreckungsebene eine Z-Achse. Bei einer Drehung um die X-Achse wirkt auf die in Y-Richtung schwingenden Massen eine Corioliskraft, die die Massen in Z- Richtung ausgelenkt. Analog bewirkt eine Drehung um die Z-Achse eine Auslenkung in X-Richtung.
Um die Bewegungen zur Detektion der Drehrate zu ermöglichen, sind die beiden Massen zum einen mit dem Substrat schwingungsfähig verbunden, wobei die Kopplung so gestaltet ist, dass sowohl die durch den Antrieb hervorgerufene Schwingungsbewegung möglich ist, als auch die Auslenkung aufgrund der Corioliskräfte. Des Weiteren sind die beiden Massenschwinger schwingungsfähig so aneinander gekoppelt, dass die gegenphasige Antriebsbewegung erlaubt wird und die gegenphasigen Auslenkungen aufgrund der Corioliskräfte begünstigt werden.
Der Antrieb der Schwingung in Y-Richtung kann zum Beispiel mittels
elektrostatischer Kräfte erfolgen. Dazu sind zum einen Elektroden vorhanden, die fest mit dem Substrat verbunden sind und zum anderen Elektroden, die jeweils Teil der beiden Massenschwinger sind. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden wird eine elektrostatische Kraft zwischen den Massenschwingern und dem Substrat wirksam, mit dem sich die gegenphasige Schwingung anregen lässt.
Die durch die Corioliskräfte bewirkten Auslenkungen in X- bzw. Z- Richtung lassen sich ebenfalls über Elektroden detektieren, die auch mit den
Antriebselektroden zumindest teilweise identisch sein können. Die Auslenkungen der Massenschwinger gehen mit einer Verschiebung der mit den
Massenschwingern verbundenen Elektroden relativ zu den Substratelektroden einher. Diese Verschiebung ist über die Kapazitätsänderung der
Elektrodenanordnungen messbar, so dass die beiden, den Massenschwingern zugeordneten elektrischen Signale eine differentielle Auswertung der
Elektrodenverschiebung ermöglichen. Die oben beschriebenen Symmetriebedingungen gewährleisten dabei, dass sich die Einflüsse der Dreh- und Linearbeschleunigungen und der Zentrifugalbeschleunigung bei dieser Auswertung eliminieren lassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
gegenphasige Schwingung der Massenschwinger in Y- Richtung durch einen Antriebsrahmen angeregt, der mit beiden Massenschwingern schwingungsfähig verbunden ist. Der Antriebsrahmen wird dabei beispielsweise von
Antriebskämmen elektrostatisch aktuiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die gegenphasige Schwingung der Massenschwinger in Y- Richtung durch zwei Antriebsrahmen angeregt, von denen einer mit dem ersten Massenschwinger und ein weiterer mit dem zweiten Massenschwinger schwingungsfähig verbunden ist. Auch hier können beide Antriebsrahmen über Antriebskämme elektrostatisch aktuiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Figur 1 zeigt eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch ein Kopplungselement für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 zeigt schematisch ein weiteres Kopplungselement für eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt schematisch zwei relative Auslenkungen zwischen den Elektroden aufgrund einer äußeren Drehbeschleunigung.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die beiden Massenschwinger von zwei Antriebsrahmen angetrieben werden. Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der zweite Massenschwinger durch einen offenen Detektionsrahmen gegeben ist.
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen
Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die
Haupterstreckungsebene des Sensors 1 ist hier die Zeichenebene. Dabei ist der erste Massenschwinger 2 durch einen inneren Detektionsrahmen und der zweite Massenschwinger 3 durch einen äußeren Detektionsrahmen gegeben. Beide Massenschwinger 2, 3 sind durch ein Kopplungselement 4 miteinander verbunden und werden durch einen (nicht dargestellten) Antriebsmechanismus so angeregt, dass sie in Y- Richtung 102 gegenphasig zueinander schwingen. Wird der Sensor in Drehung versetzt, so wirken die damit verbundenen
Corioliskräfte in eine Richtung senkrecht zur Drehachse und senkrecht zu den Geschwindigkeiten der Massenschwinger 2, 3. Damit wirkt auf die gegenphasige Schwingung in Y-Richtung 102 nur dann eine ablenkende Kraft, wenn die Drehachse nicht mit der Y- Richtung 102 zusammenfällt. Der Sensor ist also sensitiv gegenüber Drehachsen in X-Richtung 101 (in der
Haupterstreckungsebene und senkrecht auf der Y-Richtung) und in Z-Richtung 103 (senkrecht zur Haupterstreckungsebene). Bei einer Drehung um die X-Achse werden die Massenschwinger 2, 3 durch die Corioliskraft entlang der Z-Achse 103 ausgelenkt, während eine Drehung um die Z-Achse 103 zu einer Auslenkung entlang der X-Achse führt. Dadurch dass bei der gegenphasigen Schwingung die Geschwindigkeiten der beiden Massenschwinger 2, 3 zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt gerichtet sind, erfolgen auch die Auslenkungen durch die Corioliskraft gegenphasig. Die beiden Massenschwinger 2, 3 sind so aneinander gekoppelt, dass die gegenphasige Bewegung in Y-Richtung 102 erlaubt wird und die gegenphasigen Auslenkungen durch die Corioliskräfte begünstigt werden.
Die Massenschwinger 2, 3 weisen jeweils Elektrodenanordnungen 7, 8 auf, die bei der Bewegung mitgeführt werden. Mit dem Substrat ist eine weitere (nicht dargestellte) Elektrodenanordnung 9 verbunden, so dass sich die relative Verschiebung der ersten Elektrodenanordnung 7 gegenüber der
Substratelektrodenanordnung 9 durch eine Kapazitätsänderung messen lässt, während analog die Verschiebung der zweiten Elektrodenanordnung 8 gegenüber der Substratelektrodenanordnung 9 eine zweite Kapazitätsänderung hervorruft.
Das erfindungsgemäße Sensorkonzept fordert eine hohe Symmetrie der Geometrie, die durch vier Symmetriebedingungen gegeben ist. Gemäß der ersten Symmetriebedingung fällt der Massenschwerpunkt 5 des ersten
Massenschwingers 2 mit dem zweiten Massenschwerpunkt 6 des zweiten Massenschwingers 3 zusammen. Gemäß der zweiten Symmetriebedingung fällt der Flächenschwerpunkt der ersten Elektrodenanordnung 7 mit dem
Flächenschwerpunkt der zweiten Elektrodenanordnung 7 zusammen. Die dritte Symmetriebedingung fordert, dass die beiden Flächenschwerpunkte mit den beiden Massenschwerpunkten 5, 6 der Massenschwinger zusammenfallen. Die vierte Symmetriebedingung fordert, dass die beiden Elektrodenanordnungen 7, 8 gleich große Flächen aufweisen und die Massenschwinger 2, 3 gleich große Massen besitzen.
In Figur 2 ist schematisch ein Kopplungselement 3 dargestellt, das für die schwingungsfähige Kopplung des ersten Massenschwingers 2 mit dem zweiten Massenschwinger 3 eingesetzt werden kann. Bei dem in Figur 2a dargestellten Zustand des Kopplungselements 3 sind die beiden aneinander gekoppelten Komponenten nicht gegeneinander ausgelenkt. In den Figuren 2b-2d ist jeweils eine gegenphasige Auslenkung in verschiedenen Kopplungsrichtungen dargestellt. Während das Kopplungselement die gegenphasige Bewegung in 2b erlaubt, werden die gegenphasigen Bewegungen in 2c und 2d begünstigt. Für den erfindungsgemäßen Sensor kann ein solches Kopplungselement zum Beispiel vorteilhafterweise dafür eingesetzt werden, dass die gegenphasige Schwingung in Y- Richtung 102 erlaubt, die durch die Corioliskräfte bewirkten gegenphasigen Auslenkungen in X- bzw. Z- Richtung (102 bzw. 103) dagegen begünstigt werden. In Figur 3 ist ein weiteres Kopplungselement 3 dargestellt, das für die
schwingungsfähige Kopplung des ersten Massenschwingers 2 mit dem zweiten Massenschwinger 3 eingesetzt werden kann. Die Figur 3a zeigt, analog zu Figur 2a den unausgelenkten Zustand, während die Figuren 2b und 2c verschiedene Kopplungsrichtungen darstellt. Die Kopplungsrichtung in 2b ist dabei erlaubt, die Richtung in 2c begünstigt und die dritte Auslenkungsrichtung ist unterdrückt. Ein solches Element lässt sich für die Kopplung der beiden Massenschwinger 2, 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einsetzen, bei der die
Symmetriebedingungen die Robustheit gegenüber Linear- und
Drehbeschleunigungen und gegenüber Zentrifugalbeschleunigungen garantiert, bei der jedoch nur eine Auslenkrichtung möglich ist und demnach nur eine Drehachse detektiert werden kann.
In Figur 4 sind zwei relative Auslenkungen zwischen den mit den
Massenschwingern 2, 3 verbundenen Elektroden 7, 8 und der mit dem Substrat verbundenen Elektrodenanordnung 9 dargestellt. Durch eine äußere
Drehbeschleunigung verkippen die mit den Massenschwingern 2, 3 verbundenen Elektrodenanordnungen 7, 8 gegenüber der Substratelektrodenanordnung 9. In Figur 4a ist diese Verkippung bei einer Drehung um die Z-Achse 103 und in
Figur 4b bei einer Drehung um die X-Achse 101 dargestellt. Die Gleichheit der Flächen- und Massenschwerpunkte 5, 6 gewährleistet zusammen mit der differentiellen Kapazitätsauswertung die Robustheit gegenüber solchen
Drehbeschleunigungen.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die beiden Massenschwinger 2, 3 durch einen inneren und einen äußeren
Detektionsrahmen gegeben sind und die Anregung der Schwingung durch zwei Antriebsrahmen 10 erfolgt. Der innere Antriebsrahmen 10 treibt dabei den ersten Massenschwinger 2 an, während zwei äußere Antriebsrahmen 10, 11 den zweiten Massenschwinger 3 antreiben. Die beiden äußeren Antriebsrahmen 10, 11 sind dazu zum einen mit dem zweiten Massenschwinger 3 und zum anderen untereinander schwingungsfähig gekoppelt In dieser Anordnung ist eine
Kreuzung des äußeren Detektionsrahmens (zweiter Massenschwinger 3) mit dem inneren Antriebsrahmen 10 notwendig, die mit einer zweiten mechanischen Schicht 12 realisiert werden kann, die entweder über oder unter der ersten Schicht verläuft und mit der ersten Schicht verbunden ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Schicht dagegen auch einen inneren Antriebsrahmen 10 mit einem äußeren Detektionsrahmen (zweiter
Massenschwinger 3) verbinden .
In Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der der zweite Massenschwinger 3 durch einen offenen Detektionsrahmen gegeben ist. Der Vorteil dieser Variante ist, dass bei Hinzunahme eines Antriebsrahmens keine Kreuzungen von mechanischen Strukturen notwendig sind und somit keine zweite mechanische Schicht 12 eingesetzt werden muss. Die Struktur in der
Abbildung ist im Gegensatz zur Struktur in Figur 1 nicht punktsymmetrisch um den gemeinsamen Schwerpunkt 5, 6 der beiden Massenschwinger 2,3, erfüllt aber dennoch die erfindungsgemäßen Symmetriebedingungen.

Claims

Ansprüche
1. Drehratensensor (1) mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und einem ersten Massenschwinger (2) und einem zweiten
Massenschwinger (3), wobei der erste und zweite Massenschwinger (2), 8 3) mit dem Substrat schwingungsfähig verbunden sind und darüber hinaus der erste Massenschwinger (2) und der zweite Massenschwinger (3)
schwingungsfähig miteinander verbunden sind, wobei der erste
Massenschwinger (2) eine erste Elektrodenanordnung (7) umfasst, wobei der zweite Massenschwinger (3) eine zweite Elektrodenanordnung (8) umfasst, wobei das Substrat eine dritte Elektrodenanordnung (9) umfasst, wobei der Drehratensensor (1) zur Detektion einer ersten Drehrate um eine erste Drehachse konfiguriert ist und/oder der Drehratensensor (1) zur Detektion einer zweiten Drehrate um eine zweite Drehachse konfiguriert ist, wobei sich die erste Drehachse entlang einer zur Haupterstreckungsebene im
Wesentlichen parallel angeordneten X- Richtung (101) erstreckt, wobei sich die zweite Drehachse entlang einer zur Haupterstreckungsebene im
Wesentlichen senkrecht angeordneten Z- Richtung (103) erstreckt, wobei der erste Massenschwinger (2) und der zweite Massenschwinger (3) in einer Antriebsbewegungsrichtung gegenphasig entlang einer senkrecht zur X- Richtung (101) und senkrecht zur Z- Richtung (103) angeordneten Y- Richtung
(102) auslenkbar sind, wobei der erste und zweite Massenschwinger (2), (3) bei einer Drehung um die erste Drehachse eine erste Kraft in Z- Richtung
(103) erfahren, wobei der erste und zweite Massenschwinger (2), (3) bei Drehung um die zweite Drehachse eine zweite Kraft in X- Richtung (101) erfahren, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
der erste Massenschwinger (2) weist einen ersten Massenschwerpunkt (5) auf und der zweite Massenschwinger (3) weist einen zweiten Massenschwerpunkt (6) auf, wobei der erste Massenschwerpunkt (2) und der zweite Massenschwerpunkt (3) zusammenfallen, die erste Elektrodenanordnung (7) weist einen ersten
Flächenschwerpunkt auf und die zweite Elektrodenanordnung (8) weist einen zweiten Flächenschwerpunkt auf, wobei der erste
Flächenschwerpunkt und der zweite Flächenschwerpunkt
zusammenfallen,
der erste Massenschwerpunkt fällt mit dem ersten Flächenschwerpunkt zusammen,
der erste Massenschwinger (2) besitzt eine erste Masse und der zweite Massenschwinger (3) besitzt eine zweite Masse, wobei die erste Masse und die zweite Masse gleich sind,
die erste Elektrodenanordnung (7) weist eine erste Fläche auf und die zweite Elektrodenanordnung (8) weist eine zweite Fläche auf, wobei die erste Fläche und die zweite Fläche gleich groß sind.
2. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Kraft zu einer ersten Detektionsbewegung in Z- Richtung (103) des ersten und zweiten
Massenschwingers (2), (3) führt, die mit einer ersten Kapazitätsänderung zwischen erster (7) und dritter Elektrodenanordnung (9) und einer zweiten Kapazitätsänderung zwischen zweiter (8) und dritter Elektrodenanordnung (9) verbunden ist, wobei die zweite Kraft zu einer zweiten Detektionsbewegung in X-Richtung (101) des ersten und zweiten Massenschwingers (2), (3) führt, die mit einer dritten Kapazitätsänderung zwischen erster (7) und dritter Elektrodenanordnung (9) und einer vierten Kapazitätsänderung zwischen zweiter (8) und dritter Elektrodenanordnung (9) verbunden ist, wobei durch eine differentiellen Auswertung von erster und zweiter Kapazitätsänderung die erste Drehrate messbar ist und durch eine differentiellen Auswertung von dritter und vierter Kapazitätsänderung die zweite Drehrate messbar ist.
3. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehratensensor (1) einen ersten Antriebsrahmen (10) aufweist, der in
Antriebsbewegungsrichtung auslenkbar ist und schwingungsfähig an den ersten und zweiten Massenschwinger (2), (3) gekoppelt ist.
4. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehratensensor (1) einen ersten Antriebsrahmen (10) und einen zweiten Antriebsrahmen (11) aufweist, wobei der erste Antriebsrahmen (10) in Antriebsbewegungsrichtung auslenkbar ist und schwingungsfähig an den ersten Massenschwinger gekoppelt ist, wobei der zweite Antriebsrahmen (11) in
Antriebsbewegungsrichtung auslenkbar ist und schwingungsfähig an d zweiten Massenschwinger (3) gekoppelt ist.
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