Drehratensensoren (Gyroskope) messen die Rotationsgeschwin- digkeit eines Systems um eine unbekannte Achse durch Detekti- on der Coriolis-Kraft. In der W098/23917 ist ein Drehraten- sensor als mikromechanisches Bauelement beschrieben, bei dem ein Ring mit einer starren Strebe längs eines Durchmessers an elastischen Verstrebungen und Verankerungen so auf einem Sub- strat aufgehängt ist, daß er Drehschwingungen um seine Mit- tenachse ausführen kann und bei Einwirkung äußerer Drehmomen- te um die Strebe verkippt werden kann. Es sind an dem Ring und an dem Substrat Elektroden vorhanden, an die elektrische Spannungen derart angelegt werden können, daß Drehschwingun- gen des Ringes um seine Mittenachse angeregt werden können und Drehschwingungen um die Strebe detektiert werden können.

Bisher bekannte mikromechanisch herstellbare Drehratensenso- ren basieren auf resonanten Strukturen, da vollständig rotie- rende Strukturen wie etwa beim Kreiselkompaß erhebliche tech- nische Schwierigkeiten bei der Herstellung und insbesondere bei den Lagern eines rotierenden Elementes aufwerfen. Die er- reichbare Detektionsgrenze in Winkelgrad pro Sekunde ist durch technologische Schwankungen bei der Herstellung und durch grundsätzliche physikalische Grenzen bestimmt. Ein we- sentlicher Nachteil der resonanten Strukturen ist, daß eine störende Schwingungskopplung zwischen der Antriebs-und der Detektionsschwingung auftritt. Die dadurch hervorgerufenen Fehlersignale, die als Quadraturfehler bekannt sind, stören die Nullpunktstabilität eines Drehratensensors erheblich. Nur durch deutliche Erhöhung der Signalamplitude könnte diese Schwierigkeit behoben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromecha- nisch herstellbaren Drehratensensor anzugeben, mit dem die Probleme resonant betriebener Sensoren beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird mit einem Drehratensensor mit den Merkma- len den Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor wird ein scheiben- oder ringförmiges Rotationselement, vorzugsweise ein Polysi- liziumring, durch elektrostatische Kräfte in einer speziellen Anordnung von Elektroden ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt in der Schwebe gehalten und schwebend in Rotation versetzt. Durch die Strukturierung des Rotationselementes in Segmente mit unterschiedlichen radialen Abmessungen und eine geeignete mehrphasige Ansteuerung mittels segmentierter Elek- troden wird ein Drehmoment auf das schwebende Rotationsele- ment ausgeübt, das die Rotation herbeiführt. Die Regelung der Lage des Rotationselementes und die Detektion einer auftre- tenden Corioliskraft erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels der segmentierten Elektroden. Die Corioliskraft und das durch sie hervorgerufene Sensorsignal können durch Erhöhung der Drehzahl des Rotationselementes extrem gesteigert werden, so daß der Drehratensensor eine beachtliche Empfindlichkeit auf- weist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Drehra- tensensors ist, daß Störmoden der Schwingung mit ihrer Fre- quenz weit außerhalb der Frequenzbandbreite der Sensorsignale liegen und keine Verschlechterung der Nullpunktstabilität be- wirken.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Dreh- ratensensors anhand der Figuren 1 bis 9.

Die Figuren 1, 3 und 4 zeigen Ausführungsformen der Anordnung der Elektroden in Aufsicht.

Die Figuren 2 und 6 zeigen die Formen zweier Ausführungsbei- spiele des Rotationselementes in Aufsicht.

Die Figur 5 zeigt einen schematisch vereinfachten Querschnitt eines Drehratensensors.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen seitliche Ansichten auf drei ver- schiedene Positionen eines Rotationselementes zwischen den Elektroden zur Erläuterung des Antriebsprinzips.

Um eine elektrisch hinreichend leitfähige Platte ohne eigenen elektrischen Anschluß zwischen horizontal ausgerichteten und vertikal tbereinander angeordneten Nondensatorplatten in der Schwebe zu halten, sind mindestens zwei voneinander isolierte Kondensatorplatten oberhalb der schwebend zu haltenden Platte erforderlich, zwischen denen eine geeignete elektrische Po- tentialdifferenz angelegt wird. Sind unterhalb der Platte ebenfalls zwei Kondensatorplatten mit dazwischen anliegender Potentialdifferenz vorhanden, wird die durch die oberen Kon- densatorplatten auf die Platte ausgeübte und nach oben ge- richtete (weil stets anziehende) Kraft bis zu einem gewissen Grad kompensiert durch eine nach unten gerichtete Kraft, die durch die unteren Kondensatorplatten auf die Platte ausgedbt wird. Bei geeigneter Wahl und Nachregulierung der Potential- differenzen kann die Platte innerhalb enger Grenzen in der Schwebe gehalten werden.

Ein einfaches Modell, das eine Verkippung der gehaltenen Platte nicht berücksichtigt, soll verdeutlichen, daß prinzi- piell die erforderlichen Spannungen in Abhängigkeit von den relevanten physikalischen und geometrischen Größen rechne- risch bestimmt werden können, ohne daß es dazu weiterer er- finderischer Tätigkeit bedarf. Wenn die Anzahl der oberen Kondensatorplatten gleich der Anzahl der unteren Kondensator- platten ist und alle Kondensatorplatten dieselbe Fläche be- sitzen, ist das elektrische Potential der schwebenden Platte Up = [ (d/2-z) (UYi+Ui2+.. +UiJ + (d/2 + z) (U21+U22+ +U2n) + Q (d2/4 ~ (nd) ; dabei ist d der Luftspalt zwischen den Kondensatorplatten, z der Abstand der Platte von ihrer Mittenposition zwischen den Kondensatorplatten in Richtung nach oben,

Uii das an der i-ten unteren Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential, U2i das an der i-ten oberen Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential, Q die auf der Platte vorhandene elektrische Ladung, A die Fläche einer Kondensatorplatte, Eo die elektrische Feldkonstante (absolute Dielektrizitäts- konstante) und n die Anzahl der oberen bzw. unteren Kondensatorplatten.

Die Dicke der schwebenden Platte wurde dabei vernachlässigt.

Die durch die i-te untere Kondensatorplatte auf die schweben- de Platte ausgeübte Kraft ist dann Fli = (Uli-Up) 2 A£o/(d/2 + z) 2 ; die durch die i-te obere Kondensatorplatte auf die schwebende Platte ausgeubte Kraft ist entsprechend F2i = (Uzi-UP) 2'A0/ (d/2-z) 2 ; die auf die Platte wirkende resultierende Gesamtkraft nach oben ist gleich der Summe aller F2i vermindert um die Summe aller Fli.

Um eine Verkippung der schwebenden Platte vermeiden zu kön- nen, verfügt der erfindungsgemäße Drehratensensor oben und unten jeweils liber mindestens drei als Kondensatorplatten fungierende Elektroden.

Die stets anziehenden elektrostatischen Kräfte ziehen eine schwebende Platte ins Innere des durch die Elektroden gebil- deten Kondensators, so daß die Fläche, in der sich die Platte und die Elektroden in vertikaler Blickrichtung uberlappen, immer am größten ist. Darauf beruht der Antrieb, mit dem das Rotationselement in Drehung versetzt wird. Das Rotationsele- ment ist so gestaltet, daß es in aufeinanderfolgenden Segmen- ten unterschiedliche radiale Abmessungen aufweist. Dadurch wird bei einer Drehbewegung des Rotationselementes die Fläche der Uberlappung mit einem bestimmten Paar von Elektroden va- riiert. Eine zyklische und in Phasen unterteilte Ansteuerung

der Elektroden mit beaufschlagten Potentialen ermöglicht es, eine anziehende Kraft jeweils in der Richtung desselben Dreh- sinnes auf das Rotationselement auszuüben und so ein Drehmo- ment zu generieren.

Figur 1 zeigt in Aufsicht die Anordnung dreier Elektroden in drei zum Winkel 120° rotationssymmetrisch liegenden Kreis- ringsektoren.

Figur 2 zeigt eine dazu passende Form des Rotationselementes in Aufsicht. Das Rotationselement ist hier ein Ring mit drei rotationssymmetrisch zum Winkel 120° angebrachten Verbreite- rungen 5. Diese Verbreiterungen sind dadurch gebildet, daß in drei Segmenten des Ringes sich die radialen Abmessungen von der übrigen Breite des Ringes unterscheiden. Diese Verbreite- rungen dienen zum Antrieb des Ringes mittels der oberhalb und unterhalb angebrachten Elektroden mit einer Form, wie sie in Aufsicht in Figur 1 dargestellt ist.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Elektroden mit einer Unterteilung in vier Segmente. Aus Gründen der Op- timierung des Antriebs sind aber dreizählige Symmetrien vor- zuziehen, bei denen der kleinste Winkel der Rotationssymme- trie ein durch drei teilbarer ganzzahliger Bruchteil von 360° ist (120° [-3], 60° [-6], 40° [-9], 30° [-12], 24° [-15], 20°[. 18]).

Um die Zentrierung des schwebenden Rotationselementes zu ge- währleisten, ist es von Vorteil, wenn die Elektroden in zwei konzentrische Kreisringe aufgeteilt sind, wie das in Figur 4 in Aufsicht dargestellt ist. Ein ringförmiges Rotationsele- ment kann mit voneinander verschiedenen elektrischen Poten- tialen an den inneren und den äußeren Elektroden in eine zu den Elektroden konzentrische Position gezogen werden. Damit wird die Lage der Drehachse stabilisiert.

Figur 5 zeigt einen schematisch vereinfachten Querschnitt ei- nes Drehratensensors. Das Rotationselement 3 wird zwischen den Elektroden 4 in der Schwebe gehalten. Die Elektroden 4 sind auf einem Substrat 1 oder einem Halbleiterchip bzw. an einem Deckel 2 oder einem zweiten Substrat, das mit dem er- sten z. B. mittels Waferbonding verbunden ist, angebracht.

Figur 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines ringförmi- gen Rotationselementes in Aufsicht ! Hierbei besteht die un- terschiedliche Ausgestaltung in einzelnen Segmenten nicht in einer Verbreiterung des Ringes, sondern in den in dem Ring vorhandenen Aussparungen 6, von denen in der Figur 6 als Bei- spiel drei eingezeichnet sind. Diese Ausführung hat den Vor- teil, daß wegen der gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 größeren Ringfläche und damit größeren Fläche der Oberlappung mit den Elektroden eine bessere Stabilisierung der Position des Rotationselementes möglich ist. Darüber hin- aus ist der breitere Ring mechanisch stabiler und besitzt ein größeres Trägheitsmoment.

Sobald eine Aussparung 6 in dem Rotationselement 3 beginnt, sich mit einer Elektrode 4 in vertikaler Blickrichtung zu überlappen, wird das an dieser Elektrode anliegende Potential auf das Potential auf dem Rotationselement oder floating ge- schaltet. Dadurch wird erreicht, daß sich die Fläche der Überlappung von Aussparung und Elektrode ohne Auftreten einer rückstellenden Kraft vergrößern kann. Die zu der betreffenden Aussparung benachbarten Elektroden werden mit einer hohen Po- tentialdifferenz beaufschlagt, um ein an dem Rotationselement angreifendes Drehmoment zu erzeugen.

Die Figuren 7 bis 9 erläutern das Antriebsprinzip. Dazu sind in einer seitlichen Ansicht jeweils drei untere Elektroden Un, Ul2, U13 und drei obere Elektroden U2l, U22, U23 eingezeich- net, zwischen denen ein ringförmiges und mit Verbreiterungen 5 versehenes Rotationselement 3 angeordnet ist. Der darge- stellte Rand des Rotationselementes bewege sich in diesem

Beispiel nach rechts, so daß die in Figur 7 auf der linken Seite eingezeichnete Verbreiterung 5 des Rotationselementes 3 im Verlauf der Rotation zunächst zwischen die Elektroden Ull und U21, dann zwischen die Elektroden Ul2 und U22 und dann zwi- schen die Elektroden U13 und U23 gelangt, während die auf der rechten Seite eingezeichnete Verbreiterung 5 hinter die Zei- chenebene verschwindet und sich rückseitig nach links bewegt.

Die Elektroden, zwischen die eineVerbreiterung 5 des Rotati- onselementes aktuell gezogen wird, werden auf das Potential Up des Rotationselementes gelegt, während an die Elektroden- paare davor und dahinter Potentialdifferenzen angelegt wer- den. So ergeben sich in dem dargestellten Beispiel für die Konstellation in Figur 7 folgende Relationen der Potentiale : Ull = U2, = Up, Ul2 > Up, Ul3< Up, U22 > Up, U23< Up ; für die Kon- stellation in Figur 8 : Ui2=U22=Up, Un >Up, Ui3<Up, U2i >Up, U23<Up ; und für die Konstellation in Figur 9 : U, 3 = U23 = UP, U12 > Up, U12 < Up, U21 > Up, U22 < UP.

Eine auftretende Coriolis-Kraft wird detektiert durch Auswer- tung der elektrischen Spannungen, die an die Elektroden ange- legt werden müssen, um das Rotationselement in seiner Rotati- onsebene zu halten. Solange der Drehratensensor horizontal ausgerichtet bleibt, erfordern die Kompensation der Gravita- tion und geradliniger Beschleunigungen gleich große elek- trostatische Kräfte an allen Elektrodenpositionen. Eine Co- riolis-Kraft infolge einer Verkippung des Drehratensensors tritt als Drehmoment in Erscheinung, das nur durch unter- schiedlich starke Kräfte und daher nur durch unterschiedliche Potentiale an den Elektroden kompensiert werden kann. Die er- forderlichen Potentialdifferenzen können ermittelt und daraus die Größe der Coriolis-Kraft bestimmt werden. Ein Vorteil ge- genüber resonanten Strukturen ist hierbei, daß keine Auswir- kungen der Aufhängung des Rotationselementes auf die Reso- nanzfrequenzen der Antriebs-und der Coriolisschwingung be- rücksichtigt zu werden brauchen.