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    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft einen Drehratensensor zur Detektion einer Drehung,um die der Sensor gedreht wird. Der Sensor weist die folgenden Bestandteileauf:ein Substrat, ein Schwingungselement, das durch Anregungin eine Rotationsschwingung ν1 versetzt werden kann, eine Ankerstruktur, über diedas Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, ein odermehrere Detektionselement(e), ein oder mehrere Verbindungselement(e),das/die das oder die Detektionselement(e) mit dem Schwingungselementverbindet/verbinden, eine Anregungseinrichtung zur Anregung desSchwingungselements und eine Erfassungseinrichtung zur Erfassungeiner radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s), und erist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Detektionselemente inderselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν1 desSchwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann,wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, diedurch die Rotationsschwingung ν1 auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt,im Wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Detektionselemente(s)auslösenkann. Zum Detektieren einer Drehbewegung um eine Drehachse z kannjedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν1 desSchwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen, wobeiaber die Zentrifugalkraft Fz, die durchdie Rotationsschwingung ν1 auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt,im Wesentlichen keine Radialbewegung dieser Detektionselemente ...
    公开号:DE102004017480A1
    申请号:DE200410017480
    申请日:2004-04-08
    公开日:2005-10-27
    发明作者:Oliver Schwarzelbach
    申请人:Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV；
    IPC主号:G01C19-56
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondereeinen mikromechanischen Drehratensensor zum Detektieren einer Drehbewegungunter Ausnutzung der durch diese Bewegung induzierten Coriolis-Kraft.
    [0002] Mikromechanischerotatorische Drehratensensoren (Gyroskope) sind bekannt. Seit einigerZeit lassen sie sich mit Hilfe klassischer Ätztechniken auf einem Siliziumwaferaufbauen. Sie könnenein erstes, in einer x-y-Ebene angeordnetes Element (Primärschwinger,drive element), das zu einer oszillierenden Schwingung angeregtwird, und ein zweites, fürdie Detektion verwendetes Element (Sekundärschwinger, Outputelement)umfassen, das überVerbindungsglieder mit dem ersten Element verbunden ist. Tritt eineDrehbewegung vr des Sensors um eine Achsesenkrecht zur Schwingungsachse auf, wirkt die Corioliskraft mit2m vrxu auf die Massenpunkte des in Rotationsschwingungbefindlichen Körpers ein;durch geeignete Maßnahmenwird diese Kraft auf das Detektionselement übertragen, derart, dass diesesaus der x-y-Ebene heraus ausgelenkt wird. Diese Drehbewegung wirdsodann mit geeigneten Mitteln, z.B. kapazitiven Elektroden, erfasst.
    [0003] Dasoben beschriebene System ist bisher in zwei unterschiedlichen Gestaltungsformenrealisiert worden. In der EP0906557 B1 wird ein Drehratensensor mit entkoppelten orthogonalenPrimär-und Sekundärschwingungenbeschrieben. Der Primärschwingerist übereine Primärschwingeraufhängung mittigam Substrat befestigt und hält über Torsionsfederneinen in derselben Ebene befindlichen, als Detektionselement vorgesehenenSekundärschwinger, wobeidie Torsionsfedern die induzierte Schwingung des Primärschwingersstarr auf den Sekundärschwinger übertragen.Bei einer Drehung des Sensors um eine Ebene, die senkrecht auf derEbene steht, in der sich die beiden Schwingungselemente befinden,wirkt die Corioliskraft auf beide Elemente ein. Während derSekundärschwingerhierdurch aus seiner Ebene verkippt wird, bleibt der Primärschwingerin dieser Ebene, da er zum einen so am Substrat verankert ist, dassein Verkippen aus dieser Ebene heraus nicht gut möglich istund zum anderen die Torsionsfedern eine Rückübertragung der auf den Sekundärschwingereinwirkenden Corioliskraft auf den Primärschwinger verhindern.
    [0004] Denumgekehrten Weg geht der Vorschlag gemäß US 5,955,668 : Hier ist das Schwingungselement,das zu einer Radialschwingung angeregt wird, kreisförmig umein verkippbares Sensorelement angeordnet, das über zwei Anker am Substratbefestigt ist. Torsionsfedern verbinden das Schwingungselement mitdem Sensorelement, und diese sind so ausgestaltet, dass sie wederdie Schwingung des Schwingungselements auf das Sensorelement übertragennoch die durch Corioliskraft verursachte Kippbewegung des Sensorelementsauf das Schwingungselement rückübertragen.
    [0005] Diebeiden vorgenannten Drehratensensoren sind wie erwähnt so ausgelegt,dass sie in der Lage sind, eine Drehbewegung zu detektieren, die senkrechtzur Achse der angeregten Drehschwingung erfolgt. Die Detektion derDrehbewegung erfolgt daher zwangsläufig immer über eine Auslenkung des Detektionselementsaus der Ebene der Anregungsschwingung heraus; dabei neigt sich dasDetektionselement auf seiner einen Seite in Richtung des Substrates,auf dem die Struktur aus Schwingungs- und Detektionselement verankert ist.Befinden sich Gasmolekülezwischen dem Substrat und dem Detektionselement, können dieseeine dämpfendeoder das Ergebnis verzerrende Wirkung besitzen. Deshalb ist es notwendig,dass derartige Drehratensensoren in einem gut evakuierten Gehäuse verschlossensind.
    [0006] Inder Schwingungsebene des Schwingungselements sind die Schwingungsmodenvon Schwingungselement und Detektionselement der vorgenannten Drehratensensorennicht entkoppelt. Sie sind daher nicht in der Lage, eine Drehbewegung zudetektieren, die um dieselbe Achse erfolgt, in der auch das Anregungselementschwingt.
    [0007] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es, einen Drehratensensor bereitszustellen,der diesen Nachteil überwindet.
    [0008] Gelöst wirddie Aufgabe durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungensind in den Unteransprüchenangegeben.
    [0009] 1 zeigteine schematische Aufsicht auf eine spezifische Ausgestaltung deserfindungsgemäßen Drehratensensors.
    [0010] In 2 sinddie Kräfteeingezeichnet, die bei einer Drehung der Vorrichtung auftreten.
    [0011] 3 zeigtschematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Drehratensensors im Schnitt durcheine x-z- oder y-z-Ebene sowie eine mögliche Herstellungstechnikfür solcheSensoren.
    [0012] In 4 isteine spezifische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drehratensensorsin Ruheposition gezeigt.
    [0013] In 5 siehtman denselben Sensor wie in 4 in ausgelenkterStellung bezüglichder aufgebrachten Rotationsschwingung und unter Einwirkung einerzu detektierenden Drehbewegung.
    [0014] Dererfindungsgemäße Drehratensensorunterscheidet sich dadurch von den bisher bekannten Drehratensensoren,dass er ein oder mehrere Detektionselement(e) aufweist, dessen/derenSchwingungsmodus vom Schwingungsmodus des Schwingungselements mechanischentkoppelt ist/sind, obwohl sowohl Schwingungselement als auch Detektionselementin derselben Ebene schwingen. Diese Entkopplung gelingt durch dieBereitstellung von Verbindungselementen zwischen Schwingungselement undDetektionselement, die einerseits die rotatorische Anregungsschwingung ν1 desSchwingungselements steif auf das Detektionselement übertragen, aufder anderen Seite aber so ausgelegt sind, dass sie eine Radialschwingungdes Detektionselementes zulassen. Diese Verbindungselemente können als radialschwingungsfähigeFedern ausgestaltet sein, deren Resonanzfrequenz f2 diegleiche ist wie die Resonanzfrequenz f1 derAnregungsschwingung ν1. Der Schwingungsmode des Schwingungselementswirkt durch die immer radial vom Ankerpunkt nach außen gerichteteZentrifugalkraft mit doppelter Frequenz auf das Detektionselement.
    [0015] DieEntkopplung zwischen beiden Schwingungsmoden ergibt sich entweder a) dadurch, dass die Drehrate auf das Detektionselementderart wirkt, dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit derFrequenz der Anregungsschwingung f1 gleichfrequenteradiale Schwingung versetzt wird; (das Störsignal mit der Frequenz 2·f1, das durch die Zentrifugalkraft erwirkt wird,kann vom Nutzsignal mit der Frequenz f1, dasvon der DrehratenabhängigenCorioliskraft erzeugt wird, durch einen geeignete Filterelektronikgetrennt werden) oder b) dadurch, dass die Anordnung derart betrieben wird (z.B. unterVakuum), dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseitsder Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung, wie z.B. das Störsignalmit der Frequenz 2·f1, stark gedämpft werden; oder c) durch eine Kombination von a) und b)
    [0016] Dievorliegende Erfindung soll anhand der in den 1 bis 5 dargestelltenAusführungsbeispielenachstehend nähererläutertwerden.
    [0017] Dererfindungsgemäße Drehratensensorin den dargestellten Ausgestaltungen umfasst ein Schwingungselement 1,das physikalisch eine frei bewegliche Masse darstellt. Die Gestaltdieses Elements kann in Abhängigkeitvon den sonstigen räumlichenGegebenheiten der Sensorstruktur frei gewählt werden. Das Schwingungselementist über einezentrale Ankerstruktur 2 mit dem Untergrund oder Substratverbunden, die in den dargestellten Ausgestaltungen mit Federn versehenist. Die Anzahl der Federn ist in allen Beispielen vier; es sollteaber klar sein, dass auch eine davon abweichende Anzahl von Federnverwendet werden kann.
    [0018] AmSchwingungselement 1 sind über als Federn ausgestalteteVerbindungselemente 4 Massen 5 befestigt, dieals Detektionselemente fungieren. Auch hier sollte wiederum klarsein, dass die Ausgestaltung der Verbindungselemente als Federnbeispielhaft ist, desgleichen die Zahl der Federn und der damitverbundenen Detektionselemente.
    [0019] Inder Ausgestaltung der 1 sind z.B. vier symmetrischangeordnete Massen vorgesehen, die sich radial gesehen außerhalbdes Schwingungselements befinden. Anders in 4, die einespiegelsymmetrische Ausführungsvariantemit zwei Detektionselementen zeigt, von denen jedes über zweiFedern in einer Aussparung des Schwingungselements angeordnet ist.
    [0020] Nurin den 4 und 5 sind Erfassungseinrichtungenfür dieAnregungsschwingung und für diezu messende Radialschwingung gezeigt: Kapazitive Elektroden o.ä. (Bezugsziffern 6 und 7),die z.B. als Interdigitalstrukturen ausgelegt sind, messen die Stellungder Schwingungselemente, und die radiale Stellung des Detektionselementswird von Elektrodenstrukturen 8 und 9 erfasst,bei denen es sich ebenfalls z.B. um Interdigitalelektroden handeln kann.
    [0021] In 3 istschematisch dargestellt, wie die erfindungsgemäßen Drehratensensoren im Schnitt durcheine x-z- oder y-z-Achseaufgebaut sein könnenund wie sie sich herstellen lassen. Der gezeigte Aufbau ist besondersgünstig,da er aus nur wenigen Bestandteilen gebildet wird und einen integralenAufbau von Anker, Schwingungselement, Verbindungselementen (Federn)und Detektionselementen ermöglicht:Ein Substrat, z.B. ein Silizium-Wafer,wird mit einer strukturierten Opferschicht bedeckt, z.B. einem miteinem geeigneten Lösungsmittelwieder auflösbarenOxid. Darüberwird eine strukturierbare Schicht aus einem Material, z.B. aus Polysilizium,aufgebracht, aus dem das Schwingungselement, die Ankerstruktur,die Verbindungselemente und die Detektionselemente gebildet werdensollen (3a). Die strukturierbare Schichtist am Ort des späterenAnkers direkt mit dem Substrat verbunden. Sie kann ausschließlich zweidimensional,z.B. durch geeignete Maßnahmenwie Belichten durch eine Lochmaske und anschließendes Herauslösen derunbelichteten, unvernetzten Flächen,strukturiert werden (3b). Anschließend wirddie Opferschicht aufgelöstund entfernt.
    [0022] ImBetrieb wird das Schwingungselement 1 in eine Rotationsschwingung,d.h. Anregungsschwingung ν1 mit konstanter Frequenz (f1)und Amplitude um den Ankerpunkt (die z-Achse) und parallel zur Substratebene(x-y Ebene) versetzt. Die Anregung der Rotationsschwingung kannnach bekannten Methoden und unter Einsatz bekannter Elemente erfolgen,beispielsweise durch Anbringen von Interdigalstrukturen, an dieeine Wechselspannung mit der Frequenz f1 gelegtwird. Solche Strukturen werden prinzipiell bereits bei anderen Mikro-Drehratensensoreneingesetzt, siehe hierzu z.B. die beiden oben genannten Druckschriften.Auch die Erfassung der Rotationsschwingung zu Überwachungsszwecken kann über solcheStrukturen erfolgen.
    [0023] Dadie Federn 4 gegenüberder Rotationsschwingung steif sind, folgen die mit ihnen verbundenenDetektionselemente 5 dieser Schwingung mit derselben Frequenz.Drehbeschleunigungen führen zukeiner Biegeschwingung in Rotationsrichtung. Aufgrund der oszillierendenRotation werden die Detektionselemente 5 einer Zentrifugalbeschleunigung az ausgesetzt, die bei jeder Halbwelle derRotationsschwingung radial nach außen gerichtet ist. Somit werdendie Massen mit einer Zentrifugalkraft Fz angeregt(siehe 2), deren Frequenz fz doppeltso groß istwie die Resonanzfrequenz der Rotationsschwingung. fz istdamit gleich 2×f1 (angedeutet mit dem doppelten Pfeil).
    [0024] DieFedern 4 zwischen dem Schwingungselement und den Detektionselementensind derart ausgelegt, dass eine gegenüber dem Ankerelement 3 durchdie Detektionselemente 5 erfolgende radiale Schwingungdie gleiche Resonanzfrequenz f2 besitzt wiedie Rotationsschwingung des Schwingungselements 1 (d.h.f1 = f2). Radialschwingungenjenseits der Resonanzfrequenz sind stark gedämpft. Daraus ergibt sich, dassdie Zentrifugalkraft Fz zu keiner radialgerichteten Bewegung führt.
    [0025] Jenseitsder Resonanzfrequen ist die Dämpfungso stark, dass eine Schwingung durch die Zentrifugalkraft Fz stark reduziert ist und damit beide Schwingungssystemeals entkoppelt anzusehen sind.
    [0026] Wirddas Gesamtsystem einer Drehrate Ω ausgesetzt,die um dieselbe Achse z dreht wie die Schwingung des Schwingungselements,regt die auf die Detektionselemente 5 wirkende CorioliskraftFc diese zu einer nach radial gerichtetenSchwingung an. In der Amplitude dieser Schwingung ist die Höhe der Drehratemoduliert.
    [0027] DieErfassung der Radialschwingung(en) des bzw. der Detektionselementekann nach bekannten Methoden, beispielsweise kapazitiv über Interdigitalstrukturenerfolgen.
    [0028] Selbsverständlich können dieVerbindungselement auch durch andere Strukturen als die hier beschriebenenFedern realisiert werden, sofern sie die voranstehend beschriebenenFunktionsmerkmale aufweisen.
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Drehratensensor zur Detektion einer Drehung, umdie der Sensor gedreht wird, umfassend folgende Bestandteile: (a)ein Substrat (b) ein Schwingungselement, das durch Anregungin eine Rotationsschwingung ν1 versetzt werden kann, (c) eine Ankerstruktur, über diedas Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, (d)ein oder mehrere Detektionselement(e), (e) ein oder mehrereVerbindungselement(e), das/die das oder die Detektionselemente)mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, (f) eine Anregungseinrichtungzur Anregung des Schwingungselements, und (g) eine Erfassungseinrichtungzur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s) dadurchgekennzeichnet, dass jedes der Detektionselemente in derselbenEbene, in der die Rotationsschwingung ν1 desSchwingungselements erfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann,wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, diedurch die Rotationsschwingung ν1 auf jedes dieser Detektionselemente einwirkt,im wesentlichen keine Radialbewegung des oder der Detektionselemente(s)auslösenkann.
    [2] Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass jedes Verbindungselement eine Federanordnung ist, über dieein Detektionselement mit dem Schwingungselement verbunden ist, wobeidie Federanordnung (i) im wesentlichen steif gegenüber derRotationsschwingung ν1 ist, derart, dass die Rotationsschwingungauf das bzw. die Detektionselemente übertragen wird, (ii) eineradiale Schwingung ν2 des Detektionselements gegenüber demSchwingungselement zulässt, wobeidie Resonanzfrequenz f2 dieser Schwingung identischist mit der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung ν1,und (iii) die radiale Schwingung ν2 desbzw. der Detektionselemente jenseits der Resonanzfrequenz stark gedämpft ist.
    [3] Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Ankerstruktur eine Federanordnung umfasst, die sich inder Schwingungsebene des Schwingungselements auslenken lässt, aberim übrigenbiegesteif ist.
    [4] Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass er spiegelsymmetrisch oder rotationssymmetrischist.
    [5] Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass das oder die Detektionselemente radial weitervon der Ankerstruktur entfernt sind als das Schwingungselement.
    [6] Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das oder die Detektionselementein Aussparungen des Schwingungselements befindet/befinden.
    [7] Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass er 2, 3, 4, 6 oder 8 Detektionselemente aufweist.
    [8] Drehratensensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass jedes Detektionselement über ein Verbindungselementmit dem Schwingungselement verbunden ist.
    [9] Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Detektionselement von zweioder mehr Verbindungselementen gehalten wird.
    [10] Verfahren zum Detektieren einer Drehbewegung umeine Drehachse z, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Drehratensensormit den folgenden Bestandteilen vorsieht: (a) einem Substrat (b)einem Schwingungselement, das durch Anregung in eine Rotationsschwingung ν1 inder Ebene x-y versetzt werden kann, (c) einer Ankerstruktur, über diedas Schwingungselement mit dem Substrat verbunden ist, (d)einem oder mehreren Detektionselement(en), (e) einem oder mehrerenVerbindungselement(en), das/die das oder die Detektionselemente)mit dem Schwingungselement verbindet/verbinden, (f) einer Anregungseinrichtungzur Anregung des Schwingungselements, und (g) einer Erfassungseinrichtungzur Erfassung einer radialen Schwingung des oder der Detektionselemente(s) wobeijedes der Detektionselemente in derselben Ebene, in der die Rotationsschwingung ν1 des Schwingungselementserfolgt, eine Radialschwingung ausführen kann, wobei aber die Zentrifugalkraft Fz, die durch die Rotationsschwingung ν1 aufjedes dieser Detektionselemente einwirkt, im wesentlichen keineRadialbewegung dieser Detektionselemente auslösen kann, dadurch gekennzeichnet,dass man das Schwingungselement zu einer Schwingung ν1 in derx-y-Ebene anregt und die radiale Schwingung des Detektionselementes,die durch die Einwirkung von Corioliskraft infolge der Drehbewegungdes Sensors in der x-y-Achse auftritt, detektiert.
    [11] Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass sowohl das Anregen der Rotationsschwingung als auch das Erfassender Radialschwingung kapazitiv überInterdigitalstrukturen erfolgt.
    [12] Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Entkopplung zwischen dem Schwingungsmodus der Rotationsschwingung ν1 unddem Schwingungsmodus der Radialschwingung dadurch erfolgt, dass (a)die Drehrate derart gewähltwird, dass sie auf das Detektionselement in einer Weise einwirkt,dass dieses durch die Corioliskraft in eine mit der Frequenz derAnregungsschwingung f1 gleichfrequente radiale Schwingungversetzt wird, und/oder (b) dass die Anordnung derartbetrieben wird, dass mechanische, radiale Schwingungen mit Frequenzen jenseitsder Resonanzfrequenz der Anregungsschwingung stark gedämpft werden.
    [13] Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Störsignalmit der Frequenz 2·f1, das durch die Zentrifugalkraft erwirktwird, durch filterelektronische Maßnahmen vom Nutzsignal derRadialschwingung mit der Frequenz f1 getrenntwird.
    [14] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Dämpfungder mechanischen, radialen Schwingungen mit Frequenzen jenseitsder Resonanzfrequenz dadurch erfolgt, dass der Drehratensensor imVakuum betrieben wird.
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