Beschreibung

Titel

Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor mit einem Substrat, einem Lager, einer an dem Lager mittels Federn drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur und An- triebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der

Schwingstruktur.

Mikromechanische Drehratensensoren mit einer Sensierachse (sensitiven Achse) werden für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Im Kfz sind dies zum Bei- spiel das Antischleuderprogramm ESP, Navigation und überschlagsmessung, in der Heimelektronik gibt es Anwendungen im Bereich der Bildstabilisierung, der Bewegungsdetektion und der Navigation.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 23 895 Al ist ein mikromechani- scher Drehratensensor mit einer Sensierachse bekannt, bei dem eine zentral ü- ber Biegefedern aufgehängte Rotormasse zu rotatorischen Schwingungen angeregt wird und bei Auftreten einer Drehrate aufgrund des Corioliseffekts eine Verkippung erfährt. Diese Auslenkung wird mittels Elektroden detektiert, die in einer leitfähigen Schicht oberhalb eines Substrats platziert sind.

Eine zunehmende Zahl von Anwendungen, z. B. die Bildstabilisierung in Digitalkameras, verlangt nach mehrachsigen Drehratensensoren. Für derartige Zwecke werden bislang im Allgemeinen mehrere einkanalige Sensoren nebeneinander angeordnet oder - je nach benötigter Kombination von sensitiven Drehachsen - sogar über hochkant gestellte Leiterplatten montiert.

Die Verwendung zweier getrennter einkanaliger Drehratensensoren weist Nachteile hinsichtlich Kosten, Platzbedarf, Strombedarf und relativer Orientierungsgenauigkeit der beiden Achsen auf.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor mit einem Substrat, einem

Lager, einer an dem Lager mittels Federn drehbeweglich zur Ausführung einer planaren Antriebsschwingungsbewegung aufgehängten Schwingstruktur und Antriebsmitteln zum Erzeugen der planaren Antriebsschwingungsbewegung der Schwingstruktur. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Drehratensen- sor erste Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer ersten Drehachse und zweite Auswertemittel zum Erfassen einer Drehung in einer zweiten Drehachse aufweist.

Vorteilhaft schafft die Erfindung einen rotatorischen Drehratensensors mit zwei sensitiven Achsen. Damit lassen sich auf einem einzelnen Chip zwei Messachsen gleichzeitig auswerten. Der Sensor ist auf beide in der Chipebene liegenden Drehachsen x, y sensitiv.

Daraus ergeben sich weitere Vorteile. Der Sensorkern ist nur unwesentlich grö- ßer als ein einkanaliger Sensor mit vergleichbaren Spezifikationsanforderungen.

Der Strombedarf ist deutlich geringer als für zwei einkanalige Sensoren. Zum einen wird nur ein einzelner Antriebskreis für beide Messachsen benötigt, zum anderen sind insbesondere bei Verwendung von digitalen Auswerteschaltungen größere Funktionsblöcke der Schaltung über zeitliches Multiplexen für beide De- tektionskanäle gemeinsam nutzbar. Die präzise mikromechanische Fertigung des

Bauelements garantiert in Verbindung mit dem hochsymmetrischen Sensordesign eine gut übereinstimmende Performance und Empfindlichkeit der beiden Messkanäle. Zudem ist die relative Orientierung der beiden Messachsen per Design gegeben und wird nicht wie bei der Montage von zwei einkanaligen Senso- ren durch Toleranzen in der Aufbau- und Verbindungstechnik beeinträchtigt.

Zeichnung

Fig. 1 zeigt den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehra- tensensors nach Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung des mikromechanischen Funktionsteils eines Drehratensensors nach Fig. 1 in der Draufsicht.

Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen.

Die Figuren 4 A und B zeigen zwei Ausführungsformen der Aufhängestruktur ei- nes erfindungsgemäßen Drehratensensors.

Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit

Selbsttestelektroden.

Figur 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit vergrößerten Antriebsmitteln.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren beispielhaft dargestellt und nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt den mikromechanischen Funktionsteil eines Drehratensensors nach Stand der Technik. Der Drehratensensor ist in einer schematischen Schnittdar- Stellung gezeigt. Dargestellt ist ein Substrat oder ein Träger 10, eine Nabe 20 mit

Aufhängefedern oder Schwingfedern 30 und eine Schwingmasse 40. Die Nabe 20 ist mit dem Träger 10 verbunden. über die Schwingfedern 30 ist die Nabe auch mit der Schwingmasse 40 verbunden. Der Drehratensensor weist Antriebsmittel in Form von Kammstrukturen C _A i, C _A2 auf, die zum Antrieb der Schwingung V dienen. Der Antrieb der zur Schwingung anregbaren seismischen

Masse, der Schwingmasse 40, erfolgt dadurch, dass die beiden Kämme einer Antriebsstruktur, wie beispielsweise C _A i, zwei Elektroden darstellen, die auf unterschiedliche elektrische Potentiale aufgeladen werden. Die komplementären Kämme werden infolge der elektrostatischen Anziehungskraft ineinander gezo- gen, und die Schwingmasse 40 wird dadurch ausgelenkt. Weiterhin weist der

Drehratensensor Kammstrukturen C _D i, C ₀₂ auf, die geeignet sind, die Amplitude der Antriebsschwingung zu detektieren und deren Signal im Allgemeinen zu einer Regelung dieser Amplitude herangezogen wird. Schließlich weist der Drehratensensor Detektionsmittel in Form von Kondensatorstrukturen C _S i, C _S2 auf, die da- zu dienen, die Auslenkung der Schwingmasse infolge einer einwirkenden Corio- liskraft F ₀ zu messen.

Während des Betriebes des Drehratensensors schwingt die Schwingmasse 40 auf einer sphärischen Bahn V um die Nabe 20. Der Drehratensensor detektiert bestimmungsgemäß Drehungen um die sensitive Achse, die Drehachse ω. Bei einer solchen Drehung des Sensors um ω treten gesetzmäßig Corioliskräfte F ₀ auf, die zu einer Auslenkung der Schwingmasse 40 in der durch Pfeile bezeichneten Richtung senkrecht zur Schwingungsebene führen. Der Richtungssinn der Corioliskräfte F ₀ ändert sich jeweils mit dem Richtungssinn der Drehschwingung V der Schwingmasse 40.

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung des mikromechanischen Funktionsteils eines Drehratensensors nach Fig. 1 in der Draufsicht. Dargestellt sind die Antriebskämme CAU, C _A i2, C _A 2i, C _A 22 und die Detektionskämme C _D n, C _D i2, C _D2 i, C _D22 . Die Antriebskämme CAU, C _A i ₂ dienen zum Antrieb der Schwingmasse 40 in

Richtung +V. Die Antriebskämme C _A2 i, C _A22 dienen zum Antrieb der Schwingmasse 40 in Richtung -V. Die Detektionskämme C _D n, C _D i ₂ , C _D2 i, C _D22 , dienen zum Messen der Amplitude der Antriebsauslenkung in den beiden Richtungen +V und -V. Die Kapazität dieser kondensatorartigen Kammstrukturen C _D n, C _D i ₂ , C _D2 i, C _D22 hängt von der Eintauchtiefe der Kämme ineinander und damit von der

überdeckungsfläche der Kondensatorplatten zueinander ab. Die Elektroden CTl und CT2 stellen Testelektroden dar. Durch Anlegen einer Spannung an die Testelektroden CTl und CT2 kann eine Auslenkung der Schwingmasse 40 in Richtung der Corioliskräfte F ₀ erzielt werden. Somit kann die Wirkung der Corio-

liskräfte F ₀ simuliert und die Auslenkbarkeit der Schwingmasse 40 des getestet werden. Damit kann die Funktionalität des Sensors geprüft werden.

Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen. Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist aus dem oben beschriebenen Drehratensensor im Stand der Technik entwickelt. Der erfindungsgemäße zweikanalige (weil mit zwei sensitive Achsen ausgestattete) Drehratensensor lässt sich im gleichen oberflächenmikromechanischen Prozess fertigen. Während der einkanalige Drehratensensor im Stand der Technik eine große Asymmetrie in den Federsteifigkeiten und Trägheitsmomenten Der Aufhängestruktur mit den

Federn 30 bzgl. der x- und y-Achse aufweist, ist das Design der zweikanaligen Struktur hochsymmetrisch bzgl. dieser beiden Achsen. Der Rotor 40 ist über Federn 30, die zentral nach innen führen und in Zentrumsnähe an einer Nabe 20 aufgehängt sind, mit dem Substrat 10 verbunden. Die Struktur wird über An- triebskämme in Rotation um die Hochachse (z-Achse) versetzt. Antriebsdetekti- onskämme messen die Auslenkung des Systems und führen das Signal einem Regelkreis zu, durch den der Sensor stabil auf seiner Antriebsfrequenz betrieben werden kann. Bei Auftreten einer Drehrate um die x-Achse entsteht aufgrund des Corioliseffekts eine Drehung des Rotors um die y-Achse; wenn umgekehrt eine Drehrate um die y-Achse auftritt, resultiert eine Drehung des Rotors um die x-

Achse. Unterhalb der vier „Rotorarme" d.h. der Federn 30 befinden sich in der vergrabenen Leiterbahnebene eines Substrates 10 Detektionsmittel in Form von strukturierten Elektrodenflächen, die die Verkippung des Rotors über die resultierenden Kapazitätsänderungen detektieren. Aus den Differenzsignalen Cx,p - Cx,n bzw. Cy,p - Cy,n der jeweils gegenüberliegenden Elektroden erster Detektionsmittel bzw. zweiter Detektionsmittel lassen sich die Drehraten um die x- bzw. y-Achsen ableiten. Bei einer idealsymmetrischen Struktur führt eine Drehrate um die x-Achse zu keinem Signal im y- Kanal und umgekehrt.

Die Figuren 4 A und B zeigen zwei Ausführungsformen der Aufhängestruktur eines erfindungsgemäßen Drehratensensors. Die genaue Lage der Eigenfrequenzen in der Antriebs- und Detektionsbewegung hat wesentlichen Einfluss u. a. auf die Empfindlichkeit und den Stromverbrauch des Sensors. Die Federgeometrie muss daher entsprechend gestaltet werden, um die angestrebten Frequenzen zu erzielen. Hierzu genügt es i. AIIg. nicht, einfache Biegefedern, wie sie Schema-

tisch in Figur 2 dargestellt sind, zu verwenden. Vielmehr werden die Federn 30 kompliziertere Geometrien aufweisen. Dies können beispielsweise mäanderför- mig gestaltete Federn wie in den Figuren 4 A und B gezeigt sein. Auch die Anzahl der Federn 30 kann variieren, wird aus Symmetriegründen aber vorteilhaft ein Vielfaches von vier betragen. Andererseits sind mehr als acht Federn kaum sinnvoll, da sie zu viel Platz benötigten und die resultierende Federsteifigkeit für die meisten Anwendungen zu hoch wäre.

Figur 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit Selbsttestelektro- den. Wie in der Figur gezeigt, kann ein Teilbereich der Detektionselektroden Cx,i und Cy,i (i=p,n) auf dem Substrat 10 ausgespart und für separat kontaktierbare Testelektroden Tx,i und Ty,i (i=p,n) verwendet werden. über diese Testelektroden können elektrische Kräfte eingespeist und die resultierende Verkippung des Sensorelements 40 analog zur Verkippung aufgrund einer Drehrate über die normalen Detektionselektroden Cx,i und Cy,i (i=p,n) gemessen werden. Somit ist ein einfacher Selbsttest des Sensors möglich.

Figur 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit vergrößerten Antriebsmitteln. Zur Vergrößerung der Antriebsamplitude oder zur Reduktion der benötigten Antriebsspannung (und damit des Stromverbrauchs) gegenüber den

Ausführungsformen im Stand der Technik kann eine Erhöhung der Antriebskapazität über zusätzliche Antriebskämme wünschenswert sein. Die hier beschriebenen mikromechanischen Drehratensensoren sind kostengünstig in Oberflächen- Mikromechanik gefertigt. Dabei wird ein Halbleitersubstrat mit vielen Sensoren nach der Bearbeitung in rechteckige Stücke vereinzelt, die jeweils ein Sensorelement tragen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Antriebselektrodenkämme sich im Wesentlichen entlang den Diagonalen des rechteckigen Substrats 10 ausdehnen. Da die Erstreckung der Elektroden in die Chipdiagonalen zeigt, ist ohne Vergrößerung der rechteckigen Chipfläche eine Verlängerung der Antriebselektrodenkämme über den eigentlichen Rotorradius hinaus und damit eine größere Zahl von Antriebs- bzw. Antriebsdetektionskämmen realisierbar. Da gerade die äußeren Kämme besonders effizient bei der Erzeugung des Antriebsmoments sind, ist bereits eine kleine Erhöhung der Kammzahl sehr vorteilhaft.