WO2021018368A1 - Rate-of-rotation sensor having a substrate with a main plane of extent and having at least one mass oscillator - Google Patents

Rate-of-rotation sensor having a substrate with a main plane of extent and having at least one mass oscillator Download PDF

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WO2021018368A1
WO2021018368A1 PCT/EP2019/070226 EP2019070226W WO2021018368A1 WO 2021018368 A1 WO2021018368 A1 WO 2021018368A1 EP 2019070226 W EP2019070226 W EP 2019070226W WO 2021018368 A1 WO2021018368 A1 WO 2021018368A1
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WO
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rate
mass oscillator
rotation sensor
anchor
frame
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/070226
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French (fr)
Inventor
Stefano CARDANOBILE
Robert Maul
Rudy Eid
Markus LINCK-LESCANNE
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical 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

Definitions

  • the invention is based on a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • Micromechanical rotation rate sensors are known from the prior art in many-term embodiments.
  • a common functional principle is the detection of a rate of rotation via the effect of the Coriolis force associated with it.
  • one or more mass oscillators are set in periodic motion, so that the rotation creates a force that is perpendicular to the direction of motion.
  • the periodic movement is maintained by a drive structure that is coupled to the mass oscillator by spring elements.
  • the mass oscillator In order to detect the Coriolis force, the mass oscillator must also be mounted so that it can oscillate in a direction perpendicular to the drive direction. This suspension is provided by spring elements that are anchored to the substrate.
  • the rotation rate sensor according to the invention according to the main claim has the advantage over the sensors known from the prior art that the effects of substrate distortions are reduced by the positioning of the anchor elements. If mechanical stresses or thermal factors cause compression or expansion of the substrate, the change in distance between two substrate points is greater, the further the two points are apart. Due to the inventive positioning of the anchor elements in the vicinity of the geometric center of the mass oscillator, the anchor points move closer together, so that the change in distance between the anchor points is reduced.
  • the geometric center is to be understood as the geometric center of gravity, i.e. the point that results from averaging all points of the mass oscillator.
  • the geometric center is not identical to the center of mass, but the two points are usually close to one another in the cases relevant here. Since the extent of the mass oscillator in the main plane of extension is primarily decisive here, the geometric center essentially corresponds to the center of the area of the projection of the mass oscillator onto the main plane of extension.
  • the position details of the anchor elements relate to the points at which the anchor elements are connected to the substrate. In the following, these points are also referred to as anchor points.
  • the first and second anchor elements are arranged symmetrically to the geometric center of the mass vibrator. This is particularly relevant in those cases where the mass oscillator itself has a symmetry, such as an axis symmetry with respect to a central axis. With a correspondingly symmetrical arrangement of the anchor points, a suspension can be implemented that maintains the symmetry of the device and supports the mass oscillator in the center in a balanced manner.
  • the first and second anchor elements are spaced apart in the direction of excitation.
  • the mass oscillator is advantageously anchored at different points in the substrate, both points being in the vicinity of the geometric center, so that the robustness according to the invention against substrate distortions is achieved.
  • the choice of the distance depends on additional factors, such as the design and positioning of the spring elements, so that overall there is a well-balanced mounting for the mass oscillator.
  • the first and second anchor elements directly adjoin one another or essentially coincide.
  • the technical effect of the invention is maximized, since a distortion of the substrate does not change the relative distance between the anchor points practically. If the two anchor elements coincide and form a single anchor element with which both spring elements are connected, this also results in an advantageous simplification of the overall structure of the micro-mechanical sensor.
  • the first and second anchor elements lie on a line in the direction of excitation.
  • the connecting line between the two anchor points is parallel to the direction of excitation. Since the springs connected to the anchor elements mount the mass oscillator in such a way that it can oscillate freely in the detection direction, it is advantageous if the anchor points are not offset in the detection direction. If the shape of the mass oscillator is in particular designed symmetrically with respect to the detection direction, such an offset would also falsify the symmetry of the arrangement.
  • a pre- The additional positioning option in such a case is to arrange the anchor elements spaced apart in the detection direction and symmetrically to the axis of symmetry of the mass oscillator.
  • the mass oscillator has a frame and the first and second spring elements are connected to the frame.
  • the first and second spring elements each extend essentially in the direction of excitation between the first or second anchor point and the frame.
  • the springs can be present as flexible bars, for example, so that the deflection of the mass oscillator in the detection direction is made possible by bending the bars.
  • the frame is designed axially symmetrical to a central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction.
  • the rotation rate sensor has a third and fourth anchor element firmly connected to the substrate, the mass oscillator being connected to the third anchor element via a third spring element and connected to the fourth anchor element via a fourth spring element.
  • the mass oscillator is connected to four anchor elements via springs, whereby a particularly stable and balanced suspension can advantageously be implemented.
  • the idea of the invention is realized here in that at least the first and second anchor elements are arranged in the vicinity of the center point, which already results in a reduction in the distances between all anchor elements compared to the conventional suspensions.
  • the third and fourth anchor elements are also arranged as close as possible to the center point, provided that such positioning is not opposed by further structural or other reasons.
  • the first and second anchor elements are arranged inside the frame and the third and fourth anchor elements are arranged outside the frame.
  • the first and second anchor elements are arranged inside the frame and the third and fourth anchor elements are arranged outside the frame.
  • the third and fourth anchor elements are arranged symmetrically to the central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction. Similar to the embodiment suggested above, in which the first and second anchor elements are symmetrical to the central axis, a uniform and balanced suspension can also be realized in this way.
  • the third and fourth spring elements each being connected to a corner of the frame.
  • the third and fourth anchor elements are arranged offset relative to the corners of the mass oscillator in the direction of the central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction.
  • the offset of the third and fourth anchor element in the direction of the central axis enables a suspension in which all four anchor elements move closer to the geometric center, whereby the technical effect of robustness against substrate distortion is particularly beneficial.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to the prior art.
  • FIG. 2 shows, in a schematic representation, a rotation rate sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows, in a schematic representation, a rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • a rotation rate sensor 1 is shown schematically according to the prior art.
  • the mass oscillator 2 consists of a frame 11 which is connected to a drive mechanism (not shown) via the coupling elements 3, so that the mass oscillator 2 can be set to oscillate in the excitation direction 4 via the drive.
  • a Coriolis force acts on the mass oscillator 2, which is directed perpendicular to the direction of excitation 4 and perpendicular to the axis of rotation. If this force has a component in the detection direction 5, this leads to a deflection of the mass oscillator 2 in this direction.
  • the mass oscillator 2 has electrodes 18 which, when deflected, are displaced relative to electrodes 17 fixed to the substrate, so that the deflection can be measured by an electrical signal generated thereby.
  • the rotation rate sensor 1 shown has four suspensions for the mass oscillator 2.
  • the mass oscillator 2 is connected to springs 8, 9, 15, 16, which in turn are firmly connected to the anchor elements 6, 7, 13, 14 are connected to the substrate.
  • the anchor points 6, 7, 13, 14 are located at the corners of the mass oscillator 2 and the springs 8, 9, 15, 16 are connected to the mass oscillator 2 at the corners.
  • FIG 2 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive suspension.
  • the coupling to the drive and the shape of the frame 11 of the mass oscillator 2 are identical to the embodiment shown in Figure 1 from the prior art.
  • the first and second anchor elements are positioned centrally in the vicinity of the geometric center 10 according to the concept of the present invention. Since the shape of the mass oscillator 2 is axially symmetrical to the central axis 12 running through the center point 10, it is advantageous here to also arrange the anchor elements 6, 7 symmetrically to this axis 12 and in particular also symmetrically to the center point 10.
  • the anchor elements 6, 7 are spaced apart in the excitation direction 4 and lie on a line with respect to this direction 4.
  • the first spring element 8 extends in the excitation direction 4 between the anchor element 6 and the frame 11, while the second spring element 9 extends symmetrically between the anchor element 7 and the frame 11. Due to the suspension designed in this way, the mass oscillator 2 is mounted in such a way that it is deflected in the detection direction 5 due to the Coriolis force by bending the spring elements 8, 9.
  • the anchor elements 6, 7 are close to one another according to the invention, so that deformation of the substrate due to mechanically or thermally induced stresses changes the relative distance between the anchor elements 6, 7 only insignificantly.
  • the rotation rate sensor 1 shown has, in addition to the first and second anchor elements 6, 7, also a third and fourth anchor element 13, 14.
  • the anchor elements 6, 7 are arranged inside the frame 11, while the positions of the anchor elements 13, 14 are outside the frame 11.
  • the spring elements 15, 16 belonging to the anchor elements 13, 14 are connected to the corners of the mass oscillator 2, the anchor elements 13, 14 themselves are, however, offset from the corner positions in the direction of the central axis 12, so that they are closer to the anchor elements 6 , 7 and move towards the center 10.
  • the idea of the invention is expressed that the reduced distance between the anchor elements 6, 7, 13, 14 leads to greater robustness against substrate distortion.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the suspension according to the invention. This embodiment corresponds to a large extent

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Abstract

A rate-of-rotation sensor having a substrate with a main plane of extent and having at least one mass oscillator is proposed, wherein the mass oscillator is connected to a drive structure via one or more spring elements and can be excited to oscillate in an excitation direction running parallel to the main plane of extent, wherein the rate-of-rotation sensor has a first and second anchor element which are fixedly connected to the substrate, wherein the mass oscillator is connected to the first anchor element via a first spring element and is connected to the second anchor element via a second spring element, wherein the mass oscillator can be deflected along a detection direction which runs parallel to the main plane of extent and which is perpendicular to the excitation direction, wherein the first and second anchor element are arranged in the vicinity of a geometric centre point of the mass oscillator.

Description

Beschreibung description
Titel title
Drehratensensor mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Sub strat und mindestens einem Massenschwinger Yaw rate sensor with a sub strate having a main extension plane and at least one mass oscillator
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention is based on a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
Mikromechanische Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfäl tigen Ausführungsformen bekannt. Ein gängiges Funktionsprinzip ist dabei die Detektion einer Drehrate über die Wirkung der damit verbundenen Corioliskraft. Dazu werden eine oder mehrere Massenschwinger in periodische Bewegung versetzt, so dass durch die Drehung eine zur Bewegungsrichtung senkrecht wir kende Kraft zustande kommt. Die periodische Bewegung wird dabei von einer Antriebsstruktur aufrecht erhalten, die durch Federelemente an den Massen schwinger gekoppelt ist. Zur Detektion der Corioliskraft muss der Massenschwin ger darüber hinaus in eine, zur Antriebsrichtung senkrechte Richtung schwi- nungsfähig gelagert sein. Diese Aufhängung wird durch Federelemente geleistet, die am Substrat verankert sind. Micromechanical rotation rate sensors are known from the prior art in many-term embodiments. A common functional principle is the detection of a rate of rotation via the effect of the Coriolis force associated with it. For this purpose, one or more mass oscillators are set in periodic motion, so that the rotation creates a force that is perpendicular to the direction of motion. The periodic movement is maintained by a drive structure that is coupled to the mass oscillator by spring elements. In order to detect the Coriolis force, the mass oscillator must also be mounted so that it can oscillate in a direction perpendicular to the drive direction. This suspension is provided by spring elements that are anchored to the substrate.
Durch mechanische Spannungen oder thermische Ausdehnung können sich die Abstände und relativen Positionen der Ankerpunkte verändern, wodurch die dy namischen Eigenschaften des aufgehängten Massenschwingers verfälscht wer den. Mechanical stresses or thermal expansion can change the distances and relative positions of the anchor points, which falsifies the dynamic properties of the suspended mass oscillator.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor zur Verfügung zu stellen, der eine reduzierte Stressempfindlich keit bezüglich Offset, Quadratur und Sensitivität aufweist. Disclosure of the invention Against this background, it is an object of the present invention to provide a rotation rate sensor which has a reduced sensitivity to stress with regard to offset, quadrature and sensitivity.
Der erfindungsgemäße Drehratensenor gemäß dem Hauptanspruch hat gegen über den aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren den Vorteil, dass die Auswirkungen von Substratverzerrungen durch die Positionierung der Ankerele mente vermindert werden. Kommt es durch mechanische Spannungen oder ther mische Faktoren zu Stauchungen oder Dehnungen des Substrats, ist die Ab standsänderung zweier Substratpunkte umso größer, je weiter die beiden Punkte außeinander liegen. Durch die erfindungsgemäße Positionierung der Ankerele mente in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts des Massenschwinger rücken die Ankerpunkte näher zusammen, so dass die Abstandsänderung zwischen den Ankerpunkten vermindert wird. The rotation rate sensor according to the invention according to the main claim has the advantage over the sensors known from the prior art that the effects of substrate distortions are reduced by the positioning of the anchor elements. If mechanical stresses or thermal factors cause compression or expansion of the substrate, the change in distance between two substrate points is greater, the further the two points are apart. Due to the inventive positioning of the anchor elements in the vicinity of the geometric center of the mass oscillator, the anchor points move closer together, so that the change in distance between the anchor points is reduced.
Unter dem geometrischen Mittelpunkt ist in diesem Zusammenhang der geomet rische Schwerpunkt zu verstehen, d.h. der Punkt der sich durch Mittelung aller Punkte des Massenschwingers ergibt. Der geometrische Mittelpunkt ist nicht identisch mit dem Massenmittelpunkt, die beiden Punkte liegen jedoch in den hier relevanten Fällen in der Regel nahe beeinander. Da hier in erster Linie die Ausdehnung des Massenschwingers in der Haupterstreckungsebene maßgeblich ist, entspricht der geometrische Mittelpunkt im Wesentlichen dem Flächenmittel punkt der Projektion des Massenschwingers auf die Haupterstreckungsebene.In this context, the geometric center is to be understood as the geometric center of gravity, i.e. the point that results from averaging all points of the mass oscillator. The geometric center is not identical to the center of mass, but the two points are usually close to one another in the cases relevant here. Since the extent of the mass oscillator in the main plane of extension is primarily decisive here, the geometric center essentially corresponds to the center of the area of the projection of the mass oscillator onto the main plane of extension.
Die Positionsangaben der Ankerelemente beziehen sich jeweils auf die Punkte, an denen die Ankerelemente mit dem Substrat verbunden sind. Im Folgenden werden diese Punkte auch als Ankerpunkte bezeichnet. The position details of the anchor elements relate to the points at which the anchor elements are connected to the substrate. In the following, these points are also referred to as anchor points.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar. Advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims and the description with reference to the drawings.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement symmetrisch zum geometrischen Mittelpunkt des Massen schwingers angeordnet. Dies ist insbesondere in den Fällen relevant, in denen der Massenschwinger selbst eine Symmetrie, wie beispielsweise eine Achsen symmetrie bezüglich einer Mittelachse aufweist. Durch eine entsprechend sym metrische Anordnung der Ankerpunkte lässt sich eine Aufhängung realisieren, die die Symmetrie der Vorrichtung erhält und den Massenschwinger mittig in aus balancierter Weise unterstützt. According to a preferred embodiment of the invention, the first and second anchor elements are arranged symmetrically to the geometric center of the mass vibrator. This is particularly relevant in those cases where the mass oscillator itself has a symmetry, such as an axis symmetry with respect to a central axis. With a correspondingly symmetrical arrangement of the anchor points, a suspension can be implemented that maintains the symmetry of the device and supports the mass oscillator in the center in a balanced manner.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement in Anregungsrichtung beabstandet. Dadurch wird der Massenschwinger vorteilhafterweise an verschiedenen Stellen im Substrat verankert, wobei sich beide Stellen in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts befinden, so dass die erfindungsgemäße Robustheit gegenüber Substratverzer rungen erzielt wird. Die Wahl des Abstandes hängt von zusätzlichen Faktoren, wie der Gestaltung und Positionierung der Federelemente ab, so dass sich ins gesamt eine gut ausgewogene Lagerung für den Massenschwinger ergibt. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor elements are spaced apart in the direction of excitation. As a result, the mass oscillator is advantageously anchored at different points in the substrate, both points being in the vicinity of the geometric center, so that the robustness according to the invention against substrate distortions is achieved. The choice of the distance depends on additional factors, such as the design and positioning of the spring elements, so that overall there is a well-balanced mounting for the mass oscillator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung grenzen das erste und zweite Ankerelement direkt aneinander an oder fallen im Wesentlichen zusammen. Bei dieser Ausführungsform wird der technische Effekt der Erfindung maximiert, da eine Verzerrung des Substrats den relativen Abstand der Anker punkte praktisch nicht verändert. Fallen die beiden Ankerelement zusammen und bilden ein einziges Ankerelement, mit dem beide Federelemente verbunden sind, ergibt sich zudem eine vorteilhafte Vereinfachung der Gesamtstruktur des mikro mechanischen Sensors. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor elements directly adjoin one another or essentially coincide. In this embodiment, the technical effect of the invention is maximized, since a distortion of the substrate does not change the relative distance between the anchor points practically. If the two anchor elements coincide and form a single anchor element with which both spring elements are connected, this also results in an advantageous simplification of the overall structure of the micro-mechanical sensor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen das erste und zweite Ankerelement in Anregungsrichtung auf einer Linie. Anders aus gedrückt liegt die Verbindungslinie zwischen den beiden Ankerpunkten also pa rallel zur Anregungsrichtung. Da die mit den Ankerelementen verbundenen Fe dern den Massenschwinger so lagern, dass dieser in Detektionsrichtung frei schwingen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Ankerpunkte keinen Versatz in De tektionsrichtung aufweisen. Ist die Form des Massenschwingers insbesondere symmetrisch bezüglich der Detektionsrichtung ausgebildet, würde ein solcher Versatz darüber hinaus die Symmetrie der Anordnung verfälschen. Eine bevor- zugte Positionierungsmöglichkeit besteht in einem solchen Fall darin, die An kerelemente in Detektionsrichtung beabstandet und symmetrisch zur Symmetrie achse des Massenschwingers anzuordnen. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor elements lie on a line in the direction of excitation. In other words, the connecting line between the two anchor points is parallel to the direction of excitation. Since the springs connected to the anchor elements mount the mass oscillator in such a way that it can oscillate freely in the detection direction, it is advantageous if the anchor points are not offset in the detection direction. If the shape of the mass oscillator is in particular designed symmetrically with respect to the detection direction, such an offset would also falsify the symmetry of the arrangement. A pre- The additional positioning option in such a case is to arrange the anchor elements spaced apart in the detection direction and symmetrically to the axis of symmetry of the mass oscillator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Massenschwinger einen Rahmen auf und das erste und zweite Federelement sind mit dem Rahmen verbunden. According to a further preferred embodiment of the invention, the mass oscillator has a frame and the first and second spring elements are connected to the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorge sehen, dass sich das erste und zweite Federelement jeweils im Wesentlichen in Anregungsrichtung zwischen dem ersten bzw. zweiten Ankerpunkt und dem Rah men erstrecken. Die Federn können bei dieser Ausgestaltung beispielsweise als biegsame Balken vorliegen, so dass die Auslenkung des Massenschwingers in Detektionsrichtung durch eine Biegung der Balken ermöglicht wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the first and second spring elements each extend essentially in the direction of excitation between the first or second anchor point and the frame. In this embodiment, the springs can be present as flexible bars, for example, so that the deflection of the mass oscillator in the detection direction is made possible by bending the bars.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rah men achsensymmetrisch zur einer durch den geometrischen Mittelpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse ausgebildet. According to a further preferred embodiment of the invention, the frame is designed axially symmetrical to a central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Drehratensensor ein fest mit dem Substrat verbundenes drittes und viertes An kerelement auf, wobei der Massenschwinger über ein drittes Federelement mit mit dem dritten Ankerelement verbunden ist und über ein viertes Federelement mit dem vierten Ankerelement verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Massenschwinger über Federn mit vier Ankerelementen verbunden, wodurch sich vorteilhafterweise eine besonders stabile und ausbalancierte Aufhängung realisieren lässt. Der Erfindungsgedanke wird hier dadurch verwirklicht, dass zu mindest das erste und zweite Ankerelement in der Nähe des Mittelpunkts ange ordnet sind, wodurch sich gegenüber den herkömmlichen Aufhängungen bereits eine Verringerung der Abstände aller Ankerelemente ergibt. Besonders bevor zugt sind auch das dritte und vierte Ankerelement möglichst nahe am Mittelpunkt angeordnet, sofern einer solche Positionierung nicht weitere konstruktive oder andere Gründe entgegenstehen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das erste und zweite Ankerelement innerhalb des Rahmens angeordnet und das dritte und vierte Ankerelement außerhalb des Rahmens angeordnet. Durch die Anordnung des ersten und zweiten Ankerelements innerhalb des Rahmens wird die Positionierung in der Nähe des geometrischen Mittelpunkts erleichtert. Denk bar ist auch, dass auch das dritte und vierte Ankerelement ebenfalls innerhalb des Rahmens angeordnet sind. According to a further preferred embodiment of the invention, the rotation rate sensor has a third and fourth anchor element firmly connected to the substrate, the mass oscillator being connected to the third anchor element via a third spring element and connected to the fourth anchor element via a fourth spring element. In this embodiment, the mass oscillator is connected to four anchor elements via springs, whereby a particularly stable and balanced suspension can advantageously be implemented. The idea of the invention is realized here in that at least the first and second anchor elements are arranged in the vicinity of the center point, which already results in a reduction in the distances between all anchor elements compared to the conventional suspensions. Particularly before given, the third and fourth anchor elements are also arranged as close as possible to the center point, provided that such positioning is not opposed by further structural or other reasons. According to a further preferred embodiment of the invention, the first and second anchor elements are arranged inside the frame and the third and fourth anchor elements are arranged outside the frame. By arranging the first and second anchor elements within the frame, positioning in the vicinity of the geometric center is facilitated. It is also conceivable that the third and fourth anchor elements are also arranged within the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das dritte und vierte Ankerelement symmetrisch zu der durch den geometrischen Mit telpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse ange-ordnet. Ähnlich wie bei der weiter oben vorgeschlagenen Aus führungform, bei der das erste und zweite Ankerelement symmetrisch zur Mittel achse liegen, lässt sich auch hier auf diese Weise eine gleichmäßige und ausba lancierte Aufhängung realisieren. According to a further preferred embodiment of the invention, the third and fourth anchor elements are arranged symmetrically to the central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction. Similar to the embodiment suggested above, in which the first and second anchor elements are symmetrical to the central axis, a uniform and balanced suspension can also be realized in this way.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wobei das dritte und vierte Federelement jeweils mit einer Ecke des Rahmens verbunden sind. According to a further preferred embodiment of the invention, the third and fourth spring elements each being connected to a corner of the frame.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das dritte und vierte Ankerelement gegenüber den Ecken des Massenschwingers in Richtung der durch den geometrischen Mittelpunkt des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittelachse versetzt angeordnet.According to a further preferred embodiment of the invention, the third and fourth anchor elements are arranged offset relative to the corners of the mass oscillator in the direction of the central axis running through the geometric center point of the mass oscillator and parallel to the detection direction.
Der Versatz des dritten und vierten Ankerelements in Richtung der Mittelachse ermöglicht eine Aufhängung, bei der alle vier Ankerelemente näher an den geo metrischen Mittelpunkt heranrücken, wodurch der technische Effekt der Robust heit gegenüber Substratverzerrungen in vorteilhafter Weise besonders stark zum Tragen kommt. The offset of the third and fourth anchor element in the direction of the central axis enables a suspension in which all four anchor elements move closer to the geometric center, whereby the technical effect of robustness against substrate distortion is particularly beneficial.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik. Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 1 shows a schematic representation of a rotation rate sensor according to the prior art. FIG. 2 shows, in a schematic representation, a rotation rate sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 shows, in a schematic representation, a rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugs zeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal be nannt bzw. erwähnt. In the various figures, the same parts are always given the same reference characters and are therefore usually only named or mentioned once.
In Figur 1 ist schematisch ein Drehratensensors 1 gemäß dem Stand der Tech nik dargestellt. Der Massenschwinger 2 besteht aus einem Rahmen 11 der über die Kopplungselemente 3 mit einem Anstriebsmechanismus (nicht dargestellt) verbunden ist, so dass der Massenschwinger 2 über den Antrieb in eine Schwin gung in Anregungsrichtung 4 versetzt werden kann. Bei einer Drehung des Sen sors 1 um eine Achse, die nicht parallel zur Anregungsrichtung 4 liegt, wirkt auf den Massenschwinger 2 eine Corioliskraft die senkrecht zur Anregungsrichtung 4 und senkrecht zur Drehachse gerichtet ist. Weist diese Kraft eine Komponente in Detektionsrichtung 5 auf, so führt dies zu einer Auslenkung des Massenschwin gers 2 in diese Richtung. Zur Messung dieser Auslenkung weist der Massen schwinger 2 Elektroden 18 auf, die bei der Auslenkung relativ zu substratfesten Elektroden 17 verschoben werden, so dass die Auslenkung durch ein dadurch hervorgerufenes elektrisches Signal gemessen werden kann. In Figure 1, a rotation rate sensor 1 is shown schematically according to the prior art. The mass oscillator 2 consists of a frame 11 which is connected to a drive mechanism (not shown) via the coupling elements 3, so that the mass oscillator 2 can be set to oscillate in the excitation direction 4 via the drive. When the sensor 1 rotates about an axis that is not parallel to the direction of excitation 4, a Coriolis force acts on the mass oscillator 2, which is directed perpendicular to the direction of excitation 4 and perpendicular to the axis of rotation. If this force has a component in the detection direction 5, this leads to a deflection of the mass oscillator 2 in this direction. To measure this deflection, the mass oscillator 2 has electrodes 18 which, when deflected, are displaced relative to electrodes 17 fixed to the substrate, so that the deflection can be measured by an electrical signal generated thereby.
Für dieses Funktionsprinzip ist es notwendig, dass die Aufhängung des Massen schwingers 2 eine solche Auslenkung in Detektionsrichtung 5 ermöglicht. Der dargestellte Drehratensensor 1 weist dazu vier Aufhängungen für den Massen schwinger 2 auf. Für die Aufhängung ist der Massenschwinger 2 mit Federn 8, 9, 15, 16 verbunden, die wiederum über die Ankerelemente 6, 7, 13, 14 fest mit dem Substrat verbunden sind. In dieser Ausführungsform befinden sich die An kerpunkte 6, 7, 13, 14 an den Ecken des Massenschwingers 2 und die Federn 8, 9, 15, 16 sind an den Ecken mit dem Massenschwinger 2 verbunden. For this functional principle, it is necessary that the suspension of the mass oscillator 2 enables such a deflection in the detection direction 5. The rotation rate sensor 1 shown has four suspensions for the mass oscillator 2. For the suspension, the mass oscillator 2 is connected to springs 8, 9, 15, 16, which in turn are firmly connected to the anchor elements 6, 7, 13, 14 are connected to the substrate. In this embodiment, the anchor points 6, 7, 13, 14 are located at the corners of the mass oscillator 2 and the springs 8, 9, 15, 16 are connected to the mass oscillator 2 at the corners.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Aufhängung. Die Kopplung an den Antrieb und die Form des Rahmens 11 des Massenschwingers 2 sind identisch zu der in Figur 1 darge stellten Ausführungsform aus dem Stand der Technik. Bei der dargestellten Aus führungsform sind jedoch das erste und zweite Ankerelement gemäß dem Kon zept der vorliegenden Erfindung zentral in Nähe des geometrischen Mittelpunkts 10 positioniert. Da die Form des Massenschwingers 2 achsensymmetrisch zu der, durch den Mittelpunkt 10 verlaufenden Mittelachse 12 ausgebildet ist, ist es hier von Vorteil, die Ankerelemente 6, 7 ebenfalls symmetrsich zu dieser Achse 12 und insbesondere auch symmetrisch zum Mittelpunkt 10 anzuordnen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Ankerelemente 6, 7 in Anregungsrichtung 4 beabstandet und liegen bezüglich dieser Richtung 4 auf einer Linie. Das erste Federelemente 8 erstreckt sich in Anregungsrichtung 4 zwischen dem Ankerele ment 6 und dem Rahmen 11, während sich das zweite Federelement 9 symmet risch dazu zwischen dem Ankerelement 7 und dem Rahmen 11 erstreckt. Durch die so gestaltete Aufhängung ist der Massenschwinger 2 so gelagert, dass er aufgrund der Corioliskraft durch eine Biegung der Federelemente 8, 9 in Detekti onsrichtung 5 ausgelenkt wird. Die Ankerelemente 6, 7 liegen dabei erfindungs gemäß nahe beieinander, so dass eine Verformung des Substrats aufgrund von mechanisch oder thermisch hervorgerufenen Spannungen den relativen Abstand zwischen den Ankerelementen 6, 7 nur unwesentlich verändert. Figure 2 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive suspension. The coupling to the drive and the shape of the frame 11 of the mass oscillator 2 are identical to the embodiment shown in Figure 1 from the prior art. In the illustrated embodiment, however, the first and second anchor elements are positioned centrally in the vicinity of the geometric center 10 according to the concept of the present invention. Since the shape of the mass oscillator 2 is axially symmetrical to the central axis 12 running through the center point 10, it is advantageous here to also arrange the anchor elements 6, 7 symmetrically to this axis 12 and in particular also symmetrically to the center point 10. In the embodiment shown, the anchor elements 6, 7 are spaced apart in the excitation direction 4 and lie on a line with respect to this direction 4. The first spring element 8 extends in the excitation direction 4 between the anchor element 6 and the frame 11, while the second spring element 9 extends symmetrically between the anchor element 7 and the frame 11. Due to the suspension designed in this way, the mass oscillator 2 is mounted in such a way that it is deflected in the detection direction 5 due to the Coriolis force by bending the spring elements 8, 9. The anchor elements 6, 7 are close to one another according to the invention, so that deformation of the substrate due to mechanically or thermally induced stresses changes the relative distance between the anchor elements 6, 7 only insignificantly.
Der dargestellte Drehratensensor 1 weist neben dem ersten und zweiten An kerelement 6, 7 weiterhin ein drittes und viertes Ankerelement 13, 14 auf. Die An kerelemente 6, 7 sind im Inneren des Rahmens 11 angeordnet, während die Po sitionen der Ankerelemente 13, 14 außerhalb des Rahmens 11 liegen. Die zu den Ankerelementen 13, 14 gehörigen Federelemente 15, 16 sind mit den Ecken des Massenschwingers 2 verbunden, die Ankerelemente 13, 14 selbst sind je doch gegenüber den Eckpositionen in Richtung der Mittelachse 12 versetzt ange ordnet, so dass sie näher an die Ankerelemente 6, 7 und an den Mittelpunkt 10 heranrücken. Auch hier kommt der Erfindungsgedanke zum Ausdruck, dass der verringerte Abstand zwischen den Ankerelementen 6, 7, 13, 14 zu einer größe ren Robustheit gegenüber Substratverzerrungen führt. The rotation rate sensor 1 shown has, in addition to the first and second anchor elements 6, 7, also a third and fourth anchor element 13, 14. The anchor elements 6, 7 are arranged inside the frame 11, while the positions of the anchor elements 13, 14 are outside the frame 11. The spring elements 15, 16 belonging to the anchor elements 13, 14 are connected to the corners of the mass oscillator 2, the anchor elements 13, 14 themselves are, however, offset from the corner positions in the direction of the central axis 12, so that they are closer to the anchor elements 6 , 7 and move towards the center 10. Here, too, the idea of the invention is expressed that the reduced distance between the anchor elements 6, 7, 13, 14 leads to greater robustness against substrate distortion.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufhängung. Diese Ausführungsform entspricht in großenFIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the suspension according to the invention. This embodiment corresponds to a large extent
Teilen der Ausführungsform in Figur 2, wobei hier jedoch die Ankerelemente 6 und 7 im Wesentlichen zusammenfallen und zusammen mit den Federn 8, 9 eine gemeinsame, zentral positionierte Aufhängung für den Massenschwinger 2 bil den. Parts of the embodiment in FIG. 2, but here the anchor elements 6 and 7 essentially coincide and, together with the springs 8, 9, form a common, centrally positioned suspension for the mass oscillator 2.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Drehratensensor (1) mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat und mindestens einem Massenschwinger (2), wobei der Massen schwinger (2) über ein oder mehrere Federelemente (3) mit einer Antriebs struktur verbunden ist und zu einer Schwingung in einer parallel zu der Haupterstreckungsebene verlaufenden Anregungsrichtung (4) anregbar ist, wobei der Drehratensensor (1) ein fest mit dem Substrat verbundenes erstes und zweites Ankerelement (6, 7) aufweist, wobei der Massenschwinger (2) über ein erstes Federelement (8) mit dem ersten Ankerelement (6) verbunden ist und über ein zweites Federelement (9) mit dem zweiten Ankerelement (7) verbunden ist, wobei der Massenschwinger (2) entlang einer parallel zu der Haupterstreckungsebene verlaufenden und auf der Anregungsrichtung (4) senkrecht stehenden Detektionsrichtung (5) auslenkbar ist, dadurch gekenn zeichnet, dass das erste und zweite Ankerelement (6, 7) in der Nähe eines geometrischen Mittelpunkts (10) des Massenschwingers (2) angeordnet sind. 1. Yaw rate sensor (1) with a substrate having a main extension plane and at least one mass oscillator (2), the mass oscillator (2) being connected to a drive structure via one or more spring elements (3) and to an oscillation in a parallel to the direction of excitation (4) extending in the main extension plane can be excited, the yaw rate sensor (1) having a first and second anchor element (6, 7) firmly connected to the substrate, the mass oscillator (2) being connected to the first anchor element via a first spring element (8) (6) and is connected to the second anchor element (7) via a second spring element (9), wherein the mass oscillator (2) can be deflected along a detection direction (5) running parallel to the main extension plane and perpendicular to the excitation direction (4) is, characterized in that the first and second anchor elements (6, 7) in the vicinity of a geometric center (10) of the mass rocker rs (2) are arranged.
2. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Ankerele ment (6, 7) symmetrisch zum geometrischen Mittelpunkt (10) des Massen schwingers (2) angeordnet sind. 2. Rate of rotation sensor (1) according to claim 1, wherein the first and second Ankerele elements (6, 7) are arranged symmetrically to the geometric center (10) of the mass oscillator (2).
3. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite An kerelement (6, 7) in Anregungsrichtung (4) beabstandet sind. 3. Rate of rotation sensor (1) according to claim 1 or 2, wherein the first and second to kerelement (6, 7) in the excitation direction (4) are spaced.
4. Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite An kerelement (6, 7) direkt aneinander angrenzen oder im Wesentlichen zusam menfallen. 4. Yaw rate sensor (1) according to claim 1 or 2, wherein the first and second anchor element (6, 7) directly adjoin one another or essentially coincide.
5. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und zweite Ankerelement (6, 7) in Anregungsrichtung (4) auf einer Linie liegen. 5. Rate of rotation sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the first and second anchor elements (6, 7) lie on a line in the excitation direction (4).
6. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massenschwinger (2) einen Rahmen (11) aufweist und das erste und zweite Federelement (8, 9) mit dem Rahmen (11) verbunden sind. 6. Rate of rotation sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the mass oscillator (2) has a frame (11) and the first and second spring elements (8, 9) are connected to the frame (11).
7. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6, wobei sich das erste und zweite Fe derelement (8, 9) jeweils im Wesentlichen in Anregungsrichtung (4) zwischen dem ersten bzw. zweiten Ankerelement (6, 7) und dem Rahmen (11) erstre cken. 7. rotation rate sensor (1) according to claim 6, wherein the first and second Fe derelement (8, 9) each substantially in the excitation direction (4) between the first and second anchor element (6, 7) and the frame (11) strere chick.
8. Drehratensensor (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Rahmen (11) ach sensymmetrisch zur einer durch den geometrischen Mittelpunkt (10) des Massenschwingers und parallel zur Detektionsrichtung (5) verlaufenden Mit telachse (12) ausgebildet ist. 8. Rate of rotation sensor (1) according to claim 6 or 7, wherein the frame (11) axially sensymmetrically to a central axis (12) extending through the geometric center (10) of the mass oscillator and parallel to the detection direction (5) is formed.
9. Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehratensensor (11) ein fest mit dem Substrat verbundenes drittes und vier tes Ankerelement (13, 14) aufweist, wobei der Massenschwinger (2) über ein drittes Federelement (15) mit mit dem dritten Ankerelement (13) verbunden ist und über ein viertes Federelement (16) mit dem vierten Ankerelement (14) verbunden ist. 9. Rate of rotation sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the rate of rotation sensor (11) has a third and four th anchor element (13, 14) firmly connected to the substrate, wherein the mass oscillator (2) via a third spring element (15) is connected to the third anchor element (13) and is connected to the fourth anchor element (14) via a fourth spring element (16).
10. Drehratensensor (1) nach Anspruch 9, wobei das erste und zweite Ankerele ment (6, 7) innerhalb des Rahmens (11) angeordnet sind und das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) außerhalb des Rahmens (11) angeordnet sind. 10. Rate of rotation sensor (1) according to claim 9, wherein the first and second Ankerele element (6, 7) are arranged within the frame (11) and the third and fourth anchor elements (13, 14) are arranged outside the frame (11).
11. Drehratensensor (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) symmetrisch zu der durch den geometrischen Mittel punkt (10) des Massenschwingers (2) und parallel zur Detektionsrichtung (5) verlaufenden Mittelachse (12) angeordnet sind. 11. Rate of rotation sensor (1) according to claim 9 or 10, wherein the third and fourth anchor element (13, 14) symmetrically to the center axis (12) extending through the geometric center (10) of the mass oscillator (2) and parallel to the detection direction (5) ) are arranged.
12. Drehratensensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das dritte und vierte Federelement (15 jeweils mit einer Ecke des Rahmens (11) ver bunden sind. 12. Rate of rotation sensor (1) according to one of claims 9 to 11, wherein the third and fourth spring elements (15 each with a corner of the frame (11) are connected ver.
13. Drehratensensor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das dritte und vierte Ankerelement (13, 14) gegenüber den Ecken des Massenschwin gers (2) in Richtung der durch den geometrischen Mittelpunkt (10) des Mas senschwingers (2) und parallel zur Detektionsrichtung verlaufenden Mittel- achse (12) versetzt angeordnet sind. 13. Rate of rotation sensor (1) according to one of claims 9 to 12, wherein the third and fourth anchor element (13, 14) opposite the corners of the mass oscillator (2) in the direction of the through the geometric center (10) of the mass oscillator (2) and the central axis (12) running parallel to the detection direction are offset.
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