Titel

Drehratensensor mit einem, eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Sub strat und mindestens einem Massenschwinger

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

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.

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.

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.

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.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Massenschwinger einen Rahmen auf und das erste und zweite Federelement sind mit dem Rahmen verbunden.

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.

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.

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.

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.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wobei das dritte und vierte Federelement jeweils mit einer Ecke des Rahmens verbunden sind.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

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 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.

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.

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.

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.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufhängung. Diese Ausführungsform entspricht in großen

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.