DE102007012163A1

DE102007012163A1 - Drehratensensor mit Kopplungsbalken

Info

Publication number: DE102007012163A1
Application number: DE102007012163A
Authority: DE
Inventors: Stefan GÜNTHNER; Bernhard Hartmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2007-10-25
Also published as: US20100037690A1; JP2009529666A; JP5300494B2; EP1996899A1; WO2007104742A1; CN101443629B; EP1996899B1; KR20090052832A; CN101443629A; US8261614B2

Abstract

Drehratensensor (1) umfassend zumindest ein Substrat (2), wobei die Grundfläche des Substrats (2) parallel zur x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet ist, mindestens zwei Basiselemente (9, 10), welche jeweils einen Rahmen (7, 8), eine Aufhängung des Rahmens am Substrat, zumindest eine seismische Masse (3, 4, 5, 6) und eine Aufhängung (41, 42) der seismischen Masse am Rahmen (7, 8) aufweisen, mit einem oder mehreren Antriebsmitteln zum Antreiben eines oder mehrerer Basiselemente und einer oder mehreren Ausleseeinrichtungen (16), wobei die zumindest zwei Basiselemente (9, 10) durch mindestens einen Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) miteinander gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors gemäß Oberbegriff von Anspruch 17 sowie die Verwendung des Drehratensensors in Kraftfahrzeugen.
Drehratensensoren werden üblicherweise verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit eines Systems um eine definierte Achse zu erfassen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Drehratensensoren ist die Automobiltechnik, zum Beispiel in Fahrdynamikregelungssystemen wie dem elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) oder einer so genannten Rollover-Detektion. Solche sicherheitskritischen Einsatzbereiche stellen dabei besondere Anforderungen an die Drehratensensoren.
Druckschrift US 6,230,563 B1 beschreibt einen Z-Achsen-Drehratensensor, welcher also eine Drehrate um dessen Z-Achse erfassen kann, wobei die Grundfläche seines Substrats parallel zur x-y-Ebene (kartesisches Koordinatensystem) ausgerichtet ist. Dieser Drehratensensor weist zwei seismische Massen auf, welche mittels eines Kopplungsbalkens miteinander gekoppelt sind, wobei der Kopplungsbalken an einer Torsionsfeder am Substrat aufgehängt ist. Die seismischen Massen sind direkt am Substrat aufgehängt, wobei diese Aufhängung so ausgebildet ist, dass sie sowohl für die Antriebs- als auch die Auslesemoden des Drehratensensors die Auslenkbarkeit der seismischen Massen gewährleisten muss, wodurch ein unerwünschtes Übersprechen zwischen beiden Schwingungsmoden erfolgen kann, welches die Messung negativ beeinflussen kann.
In Druckschrift WO 2006/034706 A1 wird vorgeschlagen, die seismischen Massen an einem Rahmen aufzuhängen, welcher seinerseits am Substrat aufgehängt ist. Hierdurch lassen sich Freiheitsgrade in der Aufhängung in sofern einschränken, dass beispielsweise die Rahmenstruktur samt den seismischen Massen in der Antriebsmode schwingt, in der Auslesemode allerdings nur die seismischen Massen schwingen, wodurch ein Übersprechen zwischen den beiden Schwingungsmoden weitgehend vermieden werden kann. Allerdings ist die Kopplung der seismischen Massen über die vorgeschlagene Kopplungseinheit empfindlich gegenüber gleichgerichteten Störanregungen in Messrichtung wie beispielsweise Stößen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Stand der Technik zu verbessern und insbesondere parasitäre Moden und Störauslenkungen der seismischen Massen zu vermeiden oder zu verringern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drehratensensor gemäß Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors gemäß Anspruch 17.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, ausgehend vom Stand der Technik, dass der Drehratensensor mindestens zwei Basiselemente aufweist, welche jeweils einen offenen oder geschlossenen Rahmen, eine Aufhängung des Rahmens am Sub strat, zumindest eine seismische Masse und eine Aufhängung der seismischen Masse am Rahmen umfassen. Zusätzlich werden zumindest zwei Basiselemente durch mindestens einen Kopplungsbalken miteinander gekoppelt.
Die Ausleseeinrichtungen sind vorzugsweise zur Erfassung von Auslenkungen der seismischen Massen und/oder der Rahmen vorgesehen und entsprechend weisen die seismischen Massen und/oder die Rahmen jeweils mindestens ein Mittel zum Erfassen von Auslenkungen auf, welche/s jeweils zumindest einer Ausleseeinrichtung zugeordnet ist/sind.
Zweckmäßigerweise kann die Kopplung des Kopplungsbalkens mit jedem Teil des Basiselements, wie beispielsweise einer seismischen Masse, dem Rahmen und/oder einem Aufhängungselement/Federelement ausgebildet sein.
Unter einem Substrat wird ein Grund- und/oder Trägerkörper und/oder Gehäuseteil des Drehratensensors verstanden, welcher insbesondere ein im Wesentlichen unstrukturierter Teil des Wafers ist aus welchem der Drehratensensor ausgebildet ist. Besonders bevorzugt besteht das Substrat aus kristallinem oder polykristallinem Silizium oder einer oder mehreren Schichten Halbleitermaterials und/oder Metall/en.
Unter einem Rahmen wird vorzugsweise ein offener und/oder geschlossener Rahmen verstanden, welcher insbesondere eine oder mehrere seismische Massen zumindest dreiseitig umfängt und besonders bevorzugt einen im Wesentlichen rechteckigen Innen- und Außenumfang aufweist. Ganz besonders bevorzugt umrahmt der Rahmen bezüglich einer Ebene zumindest teilweise mindestens eine seismische Masse.
Unter einem Federelement wird vorzugsweise ein Torsionsfederelement oder ein Biegefederelement oder ein Federelement verstanden, welches sowohl biegsam, als auch tordierbar ausgebildet ist.
Unter einer Antriebsmode bzw. Primärmode wird eine Eigenmode eines Drehratensensors verstanden, bevorzugt die Eigenschwingung, besonders bevorzugt die Schwingung mit einer Resonanzfrequenz, der mindestens zwei Basiselemente, in welcher die Basiselemente des Drehratensensors insbesondere ohne Einwirkung einer Drehrate schwingen.
Unter einer Auslesemode bzw. Sekundärmode wird eine Eigenmode verstanden, welche sich vorzugsweise aufgrund einer Drehrate und der damit verbundenen Wirkung der Corioliskraft einstellt.
Der Drehratensensor wird vorzugsweise mittels Oberflächenmikromechanik hergestellt. Dabei werden die Strukturen in ein Membranmaterial, insbesondere Silizium, durch besonders bevorzugt anisotropes Trockenätzen im Wesentlichen senkrecht durch die Membran geätzt. Die Ebene der Membrangrundfläche erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Substratoberfläche. An den Stellen, wo die Membran mit dem darunter liegenden Substrat fest verbunden ist, entstehen Ankerpunkte, an denen wiederum entweder Federelemente oder unbewegliche Strukturen befestigt sind. Dadurch können starre Körper, welche an Federn aufgehängt werden, frei schwingend realisiert werden. Die Ankerpunkte sind ganz besonders bevorzugt durch isolierende Schichten voneinander elektrisch isoliert und von außen kontaktierbar.
Das Substrat besteht zweckmäßigerweise aus Silizium und die Membran insbesondere aus leitendem polykristallinem Silizium oder ebenfalls aus kristallinem Silizium.
Die Substratebene bzw. die Grundfläche des Substrats ist bevorzugt so ausgerichtet, dass sie parallel zur x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet ist. Die z-Achse dieses Koordinatensystems verläuft senkrecht zur Substratebene. Die Koordinatenachsen sind bzgl. der Ausbildung und Anordnung von Komponenten des Drehratensensors insbesondere parallel verschiebbar.
Unter einem Antriebsmittel wird vorzugsweise ein Kammantrieb mit zwei ineinander greifenden, gegeneinander elektrisch im Wesentlichen isolierten, Kämmen verstanden, von denen einer mit mindestens einem Basiselement und der andere mit dem Substrat verbunden ist. Durch Anlegen einer Differenzspannung an diese Kämme können diese gegeneinander bewegt werden. Mittels mindestens eines Antriebsmittels wird insbesondere die Antriebsmode erzeugt.
Unter einer Ausleseeinrichtung wird zweckmäßigerweise eine Einrichtung verstanden, welche mindestens zwei Elektroden oder andere elektrische/elektronische Elemente aufweist, deren Kapazität/Kapazitätsänderungen im Verbund und/oder deren Potentialdifferenz zueinander gemessen wird. Insbesondere weist solch eine Auslesevorrichtung ineinander greifende, gegeneinander elektrisch im Wesentlichen isolierte, Kammstrukturen auf, von denen eine am Basiselement, besonders bevorzugt an dem Rahmen und/oder einer oder mehreren seismischen Massen befestigt ist, und/oder am Kopplungsbalken und die andere am Substrat. Alternativ oder zusätzlich weist eine Auslesevorrichtung insbesondere ein Elektrodenpaar auf.
Das mindestens eine Antriebsmittel treibt die mindestens zwei Basiselemente zweckmäßigerweise in y-Richtung an, wobei der Drehratensensor so ausgelegt ist, dass er Drehraten um die x-Achse und/oder z-Achse erfassen kann. Diese Konstellationen sind messtechnisch besonders günstig, da Auslenkungen der seismischen Massen zu erfassen sind, welche sich aufgrund der Corioliskraft ergeben. Die Corioliskraft wirkt senkrecht zur Antriebsrichtung und senkrecht zur Drehachse.
Es ist bevorzugt, dass der Kopplungsbalken an zumindestens einem Federelement aufgehängt ist, welches insbesondere am Substrat aufgehängt und/oder eingespannt und/oder befestigt ist um mit diesem mindestens einen, besonders bevorzugt zwei, Ankerpunkte bildet. Dabei ist dieses Federelement so ausgebildet und eingespannt, dass es translatorische Auslenkungen des Kopplungsbalkens, insbesondere bezüglich dessen Schwerpunkts, verhindert. Durch diese Maßnahme werden Störauslenkungen/-schwingungen verhindert und/oder unterdrückt, die mitunter die Messung stark negativ beeinflussen.
Es ist zweckmäßig, dass das Federelement an welchem der Kopplungsbalken aufgehängt ist, alternativ und/oder zusätzlich einen Ankerpunkt an einem vom Substrat verschiedenen Körper bzw. Teil des Drehratensensors aufweist.
Der Kopplungsbalken ist vorzugsweise im Wesentlichen bezüglich seines Schwerpunkts an dem zumindest einen Federelement aufgehängt. Insbesondere ist dieser Schwerpunkt gleichzeitig der Mittelpunkt des Kopplungsbalkens bezüglich seiner Länge.
Es ist zweckmäßig, dass das Federelement an welchem der Kopplungsbalken aufgehängt ist, eine Torsionsfeder ist, welche eine rotatorische Auslenkung des Kopplungsbalkens um die z-Achse und/oder die x-Achse ermöglicht. Insbesondere ist diese Torsionsfeder in x- und/oder y- und/oder z-Richtung, besonders bevorzugt in alle drei Raumrichtungen, steif ausgebildet. Hierdurch werden die Freiheitsgrade des Kopplungsbalkens gezielt verringert und Störauslenkungen und/oder Störschwingungen der seismischen Massen können über diese gemeinsame Kopplung mit verminderten Freiheitsgraden vermindert oder unterdrückt werden.
Der Schwerpunkt des Kopplungsbalkens fällt im Wesentlichen vorzugsweise mit dem Schwerpunkt des Drehratensensors zusammen, insbesondere jeweils bezogen auf die x-y-Ebene. Hierdurch bleibt der Schwerpunkt des Kopplungsbalkens in Ruhe, während die seismischen Massen schwingen.
Der Kopplungsbalken ist ganz besonders bevorzugt an zwei oder mehr obig beschriebenen Federelementen aufgehängt.
Der Kopplungsbalken ist zweckmäßigerweise an beiden Enden jeweils mit einer oder mehreren seismischen Masse/n und/oder einer oder mehreren Auslesevorrichtung/en und/oder einem oder mehreren Rahmen über ein oder mehrere Federelement/e oder direkt gekoppelt. Durch solch eine spezielle Kopplung zwischen Kopplungsbalken und seismischer Masse können zusätzliche Freiheitsgrade eingeschränkt werden und/oder die Bewegung so geführt werden, dass Störschwingungen/-auslenkungen vermieden oder unterdrückt werden können. Entsprechend werden Störauslenkungen oder -schwingungen in Auslese- und/oder Antriebsmode/n verhindert oder vermindert.
Es ist bevorzugt, dass die seismischen Massen jeweils um eine Torsionsachse auslenkbar aufgehängt sind und diese Torsionsachse im Wesentlichen parallel zu Antriebsrichtung verläuft. Hierdurch kann weitgehend vermieden werden, dass die Antriebsmoden die Auslesemoden beeinflussen. Es wird also ein Übersprechen zwischen diesen Moden verhindert.
Zwei oder mehr der seismischen Massen, insbesondere sämtliche, weisen vorzugsweise einen Schwerpunkt auf, welcher in z-Richtung außerhalb der durch den jeweiligen Rahmen aufgespannten Ebene und/oder des Raumquaders liegt. Besonders bevorzugt ist eine Seite jeder seismischen Masse, ganz besonders bevorzugt die untere Seite bezüglich der z-Richtung, ballig ausgebildet. Hierdurch kann eine Drehrate erfasst werden, beispielsweise um die z-Achse, welche eine Corioliskraft verursacht, die in Richtung der Rahmenebene wirkt, da durch den ausgelagerten Schwerpunkt dennoch eine Kraftkomponente in z-Richtung wirkt.
Jeder der seismischen Massen ist zweckmäßigerweise eine Ausleseeinrichtung zugeordnet, wodurch die Auslenkungen/Schwingungen der seismischen Massen einzeln bzgl. einer Signalauswertung und/oder -verarbeitung berücksichtigt werden können.
Es ist im Wesentlichen bevorzugt aus dem Differenzsignal der Ausleseeinrichtungen, welche jeweils den einzelnen seismischen Massen eines Basiselements zugeordnet sind, und dem Differenzsignal der Ausleseeinrichtungen, welche unterschiedlichen Basiselementen zugeordnet sind, die erfasste Drehrate zu bestimmen.
Ein Drehratensensor, welcher eine Drehrate um die x-Achse erfassen kann, ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Antrieb der Basiselemente in y-Richtung erfolgt, wobei

– die Rahmen der Basiselemente jeweils durch Federelemente am Substrat aufgehängt sind, welche im Wesentlichen steif in x-Richtung und z-Richtung und elastisch in y-Richtung sind,
– die seismischen Massen jedes Basiselements mittels Federelementen, welche im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich, eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen aufgehängt sind, und
– der Kopplungsbalken mittels einer Torsionsfeder, welche, insbesondere ausschließlich, Torsionen um die x-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat aufgehängt ist und an jedem seiner beiden Enden mittels Federelementen mit den seismischen Massen jeweils eines Basisele ments gekoppelt ist.

Es ist zweckmäßig, dass ein Drehratensensor, welcher eine Drehrate um die z-Achse und/oder um die x- und z-Achse erfassen kann, so ausgebildet ist, dass der Antrieb der Basiselemente in y-Richtung erfolgt, wobei

– die Rahmen der Basiselemente jeweils durch Federelemente am Substrat aufgehängt sind, welche im Wesentlichen steif in x- und z-Richtung und elastisch in y-Richtung sind,
– die seismischen Massen, welche besonders bevorzugt einen Schwerpunkt aufweisen, welcher in z-Richtung außerhalb der durch den jeweiligen Rahmen aufgespannten Ebene und/oder des Raumquaders liegt, jedes Basiselements mittels Federelementen, welche, insbesondere ausschließlich, im Wesentlichen eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen aufgehängt sind, und
– der Kopplungsbalken mittels einer Torsionsfeder, welche, insbesondere ausschließlich, eine Torsion um die x-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat aufgehängt ist und an seinen beiden Enden jeweils ein separater Teil des Kopplungsbalkens mit dem Mittelstück des Kopplungsbalkens mittels einer Torsionsfeder gekoppelt ist, welche im Wesentlichen steif in x-, y- und z-Richtung ist und Torsionen um die y-Achse zulässt, wobei diese beiden äußeren, separaten Teile des Kopplungsbalkens jeweils mittels Federelementen mit den seismischen Massen jeweils eines Basiselements gekoppelt sind.

Es ist bevorzugt, dass ein Drehratensensor, welcher eine Drehrate um die x-Achse und die z-Achse erfassen kann, so ausgebildet ist, dass der Antrieb der Basiselemente in y-Richtung erfolgt, wobei

– die Rahmen der Basiselemente jeweils durch Federelemente, welche im Wesentlichen steif in z-Richtung und elastisch in y- und x-Richtung sind, am Substrat aufgehängt sind,
– die seismischen Massen jedes Basiselements mittels Federelementen, welche im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich, eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen aufgehängt sind, und
– der Kopplungsbalken mittels einer Torsionsfeder, welche Torsionen um die x-Achse und die z-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat aufgehängt ist und an jedem seiner beiden Enden mittels Federelementen mit den seismischen Massen jeweils eines Basiselements gekoppelt ist.

Der Drehratensensor ist vorzugsweise als ein Mikro-Elektro-Mechanisches-System (MEMS) oder MEMS-Modul ausgebildet, welches insbesondere mechanische und elektronische Mittel zum Anschluss und/oder Zusammenwirken an/mit weiteren MEMS-Modulen und/oder mit mindestens einer, insbesondere integrierten, elektronischen Signalverarbeitungsschaltung aufweist.
Alternativ bevorzugt sind die Basiselemente des Drehratensensors als massive seismische Massen ausgebildet, welche somit insbesondere keinen Rahmen aufweisen. Diese Ausbildungsform der Basiselemente und seismischen Massen bezieht sich besonders bevorzugt auf alle Ausführungsformen des Drehratensensors.
Die Erfindung betrifft zusätzlich ein Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors, wobei mittels eines Herstellungsprozesses zur Herstellung mikromechanischer Systeme aus einem Substrat, welches insbesondere aus kristallinem Silizium oder einer oder mehreren Schichten Halbleitermaterials und/oder Metall/en besteht, mikromechanische Elemente ausgebildet werden, wobei zumindest in Teilen ein obig beschriebener Drehratensensor, besonders bevorzugt entsprechend einem der Ausführungsbeispiele, ausgebildet wird.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugregelungssystem, vorgesehen.
Der oben beschriebene Drehratensensor kann in unterschiedlichen Bereichen zur Erfassen einer oder mehrerer Drehraten und/oder mittels entsprechender Signalverarbeitung zur Erfassung einer oder mehrerer Drehbeschleunigungen verwendet werden. Dabei ist die Verwendung in Fahrzeugen und in der Automatisierungstechnik bevorzugt, insbesondere in Kraftfahrzeugen und Luftfahrzeugen, besonders bevorzugt in den jeweiligen entsprechenden Regelungssystemen. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung des Drehratensensors als Gierraten- und/oder Gierbeschleunigungssensor in einem Kraftfahrzeugregelungssystem, wie beispielsweise ESP.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors, mit zwei am Substrat aufgehängten seismischen Massen, welche über einen Kopplungsbalken gekoppelt sind und dieser parasitäre Moden des Antriebsmodes unterdrückt,
2 ein beispielhafter Drehratensensor, dessen Kopplungsbalken um die x-Achse tordierbar ist und die Anbindung des Kopplungsbalkens mittels Federelementen an die seismischen Massen,
3 eine beispielhafte Veranschaulichung der Feder-Verbindung zwischen seismischer Masse und Kopplungsbalken,
4 ein beispielhafter Z-Achsen Drehratensensor mit seismischen Massen ohne Rahmen,
5 ein Ausführungsbeispiel eines X-Z-Achsen Drehratensensors mit seismischen Massen ohne Rahmen,
6 zwei Ausführungsformen von Basiselementen mit einer seismischer Masse, einmal an einer Torsionsfeder und das andere Mal an einer Biegefeder am Rahmen aufgehängt,
7 eine Veranschaulichung der Kräfte und Auslenkungen bei Einwirkung unterschiedlicher Drehraten anhand eines beispielhaften Basiselements,
8 ein Ausführungsbeispiel eines Basiselements mit zwei seismischen Massen, sowie die Auswirkungen einer x- und einer z-Drehrate auf diese seismischen Massen,
9 eine beispielhafte seismische Masse mit ausgelagertem Schwerpunkt, sowie die Kräfteverhältnisse bei Auftreten einer Drehrate,
10 ein Ausführungsbeispiel eines Basiselements mit zwei seismischen Massen mit ausgelagertem Schwerpunkt, sowie die Kräfteverhältnisse bei Auftreten einer Drehrate,
11 verschiedene beispielhafte Signalverläufe bezüglich der Phase eines beispielhaften Basiselements,
12 zwei Ausführungsbeispiele von Drehratensensoren zur Unterdrückung parasitärer Antriebsmoden, einmal mit gerahmten seismischen Massen, ein anderes Mal mit massiven, ungerahmten seismischen Massen,
13 einen beispielhaften X-Achsen Drehratensensor mit je zwei seismischen Massen pro Basiselement,
14 ein Ausführungsbeispiel eines X-Z-Achsen Drehra tensensors mit vier seismischen Massen und einem geteilten Kopplungsbalken,
15 einen beispielhaften X-Z-Achsen Drehratensensor mit einem Kopplungsbalken, welcher um die x- und die z-Achse tordierbar aufgehängt ist und
16 ein Ausführungsbeispiel eines X-Z-Achsen Drehratensensors, dessen Kopplungsbalken an jedem Ende jeweils direkt mit der Kammstruktur einer Ausleseeinrichtung verbunden ist.
1a) zeigt das Aufhängungsschema eines rotatorisch aufgehängten starren Kopplungsbalkens 11, welcher unerwünschte gleichphasige Auslenkungen der seismischen Massen 23 und 24 in der Antriebsmode unterdrückt bzw. verhindert. In der Antriebsmode schwingen seismische Massen 23 und 24 in Y-Richtung gegenphasig zueinander. 1b) veranschaulicht dabei die Wirkungsweise des Kopplungsbalkens bei der Bewegung der seismischen Massen auseinander, während 1c) das entsprechende Kopplungsprinzip bei der Bewegung der seismischen Massen 23 und 24 auf einander zu zeigt. Bei einer Bewegung seismischer Massen 23 und 24 auseinander oder aufeinander zu, wird Kopplungsbalken 11 also rotatorisch ausgelenkt, und zwar um die z-Achse. 1d) veranschaulicht das Wirkungsprinzip des Kopplungsbalkens 11 im Fall, dass seismische Massen 23 und 24 sich, beispielsweise aufgrund einer Störung, gleichgerichtet, in diesem Fall beide in y-Richtung nach links bewegen wollen. Diese Bewegung wird durch Balkenelement 11 aufgrund seiner Aufhängung, welche in y-Richtung steif ausgelegt ist, verhindert bzw. unterdrückt. In 1a) bis d) sind die seismischen Massen beispielgemäß nicht, wie in einem zusätzlichen, nicht dargestellten Beispiel, an einem Rahmen sondern direkt am Substrat aufgehängt.
In Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist Kopplungsbalken 11 so aufgehängt, dass er um die x-Achse rotatorisch auslenkbar ist. Dabei ist Kopplungsbalken 11 bezüglich seines Schwer- und Symmetriepunkts aufgehängt und sein Schwerpunkt ist im Wesentlichen identisch mit dem des Drehratensensors. Hierdurch bleibt Kopplungsbalken 11 bzgl. seines Schwerpunktes beim Erfassen einer Drehrate im Wesentlichen in Ruhe. Seismische Massen 23 und 24 sind beispielgemäß direkt am Substrat aufgehängt. Die Federelemente 31 und 32 sind so ausgebildet und ausgelegt, dass sie eine gegenläufige Torsionsauslenkung jeweils zwischen den beiden seismischen Massen 23 und 24 und Kopplungsbalken 11 zulassen. Die Antriebsrichtung verläuft entlang der y-Richtung (entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem).
In einem nicht dargestellten Beispiel gemäß 2 sind die seismischen Massen jeweils an einem Rahmen aufgehängt, welcher seinerseits jeweils mittels Federelementen am Substrat aufgehängt ist.
Beispielgemäße Federelemente 31 und 32 gemäß 2 sind in ihrer schematischen Ausbildung in 3 veranschaulicht. Dort ist Federelement 31 zwischen seismischer Masse 23 und Kopplungsbalken 11 in y- und z-Richtung ausgelenkt, weil Kopplungsbalken 11 eine Torsionsauslenkung um die x-Achse erfährt.
In 4 ist ein beispielhaftes Z-Gyro dargestellt, also ein Drehratensensor, welcher eine Drehrate um die z-Achse erfassen kann. Seismische Massen 23 und 24, welche beispielgemäß direkt am Substrat aufgehängt sind und in einem alternativen, nicht dargestellten Beispiel jeweils an einem Rahmen, welcher seinerseits jeweils am Substrat aufgehängt ist, sind über Kopplungsbalken 11, welcher mittels Federelementen 31 und 32 jeweils an die seismischen Massen angebunden ist, miteinander gekoppelt. Kopplungsbalken 11 ist so aufgehängt, dass er um die z-Achse rotatorisch auslenkbar ist, allerdings ist diese Aufhängung steif in x- und y-Richtung ausgelegt. Bei einer auf beide Massen gleichgerichtet einwirkenden Störung bzw. Störanregung wird eine unerwünschte, gleichgerichtete translatorische Auslenkung seismischer Massen 23 und 24 durch Kopplungsbalken 11 und dessen Aufhängung unterdrückt. Kopplungsbalken 11 lässt ausschließlich gegenphasige Auslenkung seismischer Massen 23 und 24 zu. Mit beispielgemäßer Ausbildung Drehratensensors 1 werden parasitäre Moden unterdrückt.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide seismischen Massen an einem Rahmen aufgehängt, welcher seinerseits jeweils am Substrat aufgehängt ist.
5 zeigt ein beispielhaftes X-Z-Gyro, also einen Drehratensensor, welcher Drehraten sowohl um die x- als auch um die z-Achse erfassen kann. Kopplungsbalken 11 dient der Un terdrückung unerwünschter Schwingungen und Auslenkungen in den Auslesemoden, wobei Kopplungsbalken 11 so aufgehängt ist, dass dieser um die x- und z-Achse rotatorisch auslenkbar ist. Beispielgemäß ist Kopplungsbalken 11 über ein Federelement am Substrat aufgehängt, wobei die Aufhängung des Kopplungsbalkens im Wesentlichen an dessen Schwerpunkt angreift und dieser Schwerpunkt im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt des gesamten Drehratensensors 1 übereinstimmt.
In 6a) und b) sind beispielhafte Basiselemente 9 in der Draufsicht abgebildet. Diese bestehen jeweils aus einem geschlossenen Rahmen 7 und einer seismischen Masse 3, welche jeweils über Federelemente 41, 42 an Rahmen 7 aufgehängt sind. Der Antrieb erfolgt in y-Richtung. Bei dem in 6a) abgebildeten Basiselement sind beide Federelemente 41 steif in x-, y- und z-Richtung ausgebildet und lassen lediglich eine Torsion um die y-Achse zu. Alternativ sind die beiden Federelemente 42 des in 6b) abgebildeten Basiselements 9 ausschließlich biegsam in z-Richtung ausgebildet und weisen sonst im Wesentlichen keine Freiheitsgrade auf.
7a) zeigt den schematischen Querschnitt des beispielhaften Basiselements 9 gemäß 6a). Seismische Masse 3 ist über Torsionsfederelement 41 an Rahmen 7 aufgehängt, wobei seismische Masse 3 eine Torsionsauslenkung um die y-Achse ausführen kann. In 7b) ist obiges Basiselement 9 bei Auftreten einer Drehrate um die x-Achse veranschaulicht. Die Drehrate um die x-Achse wird durch Ω_x in x-Richtung veranschaulicht. Aufgrund der Antriebsrichtung in y-Richtung und der Drehrate Ω_x um die x-Achse ergibt sich eine Corio liskraft F_c in z-Richtung, welche Basiselement 3 in dargestellter Weise in z-Richtung auslenkt. Die Aufhängung Basiselements 3 durch Torsionsfeder 41 ermöglicht dabei eine Torsionsauslenkung um die y-Achse. In 7c) wird ebenfalls bzgl. beispielhaftem, obigem Basiselements 9 das Auftreten einer Drehrate um die z-Achse dargestellt. Aufgrund dieser Drehrate Ω_z und der Antriebsrichtung in y-Richtung ergibt sich eine Corioliskraft F_c in x-Richtung. Diese führt allerdings nicht zu einer Auslenkung seismischer Masse 3, weil F_c in der Rahmenebene (x-y-Ebene) wirkt und Torsionsfederelemente 41 in x- und y-Richtung steif ausgebildet sind.
In 8a) ist ein Ausführungsbeispiel eines Basiselements 9 in Draufsicht dargestellt, welches zwei seismische Massen 3 und 4 aufweist, die jeweils an zwei Torsionsfederelementen 41 an Rahmen 7 aufgehängt sind. Diese Torsionsfederelemente 41 sind so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen ausschließlich Torsionsauslenkungen der seismischen Massen 3 und 4 um die y-Achse zulassen.
In einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel sind die seismischen Massen an Federelementen gemäß 6b) aufgehängt, welche im Wesentlichen ausschließlich eine Auslenkung in z-Richtung zulassen, also als Biegefedern ausgebildet sind.
8b) zeigt den schematischen Querschnitt des beispielhaften Basiselements gemäß 8a) im unausgelenkten Zustand. 8c) veranschaulicht die Auslenkung seismischer Massen 3 und 4 bei Auftreten einer Drehrate Ω_x um die x- Achse. Aufgrund der Antriebsrichtung (y-Richtung) und Drehrate Ω_x ergibt sich eine Corioliskraft F_c in z-Richtung, welche eine Auslenkung beider seismischen Massen 3 und 4 in z-Richtung mit gleicher Orientierung hervorruft. Dabei tordieren Torsionsfederelemente 41, mit welchen seismische Massen 3 und 4 an Rahmen 7 aufgehängt sind, jeweils um die y-Achse. 8d) veranschaulicht die Wirkung der Corioliskraft F_c aufgrund einer Drehrate Ω_z um die z-Achse auf obiges, beispielgemäßes Basiselement. Aufgrund der Wirkungsrichtung der Corioliskraft in der x-y-Ebene, in welcher auch Rahmen 7 liegt, sowie der bezüglich dieser Richtungen steif ausgelegten Aufhängung, erfahren seismische Massen 3 und 4 keine Auslenkung.
In 9a) bis c) ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Basiselements in einem schematischen Querschnitt dargestellt. Seismische Masse 3 ist dabei jeweils so ausgebildet, dass Schwerpunkt 50 seismischer Masse 3 in unausgelenktem Zustand außerhalb der durch den Rahmen aufgespannten Ebene beziehungsweise außerhalb des durch den Rahmenkörper aufgespannten Raums liegt. Beispielgemäß ist seismische Masse 3 so ausgebildet, dass Schwerpunkt 50 in z-Richtung unterhalb des Rahmenbereiches liegt. Seismische Masse 3 ist im Wesentlichen homogen aus einem Material ausgebildet, wobei untere Seite seismischer Masse 3 ballig ausgebildet ist und der Schwerpunkt 50 bezüglich der oberen flachen Seiten von einem Aufhängungspunkt um einen Winkel von im Wesentlichen 45° ausgelagert ist. Seismische Masse 3 ist mit zwei Torsionsfederelementen 41, welche eine Torsion um die y-Achse zulassen an Rahmen 7 einseitig aufgehängt. 9a) veran schaulicht, dass eine Corioliskraft F_c, welche in x-Richtung wirkt, aufgrund des ausgelagerten Schwerpunktes seismischer Masse 3 ein Moment um die y-Achse erzeugt. 9b) zeigt die Auslenkung seismischer Masse 3 in z-Richtung nach unten, hervorgerufen durch eine Drehrate Ω_z um die z-Achse. Aus dieser Drehrate Ω_z und der Antriebsrichtung in y-Richtung ergibt sich eine Corioliskraft F_c in x-Richtung, welche gemäß 9a) ein Moment um die y-Achse erzeugt. 9c) stellt eine Auslenkung seismischer Masse 3 in z-Richtung nach oben dar, hervorgerufen durch eine Drehrate Ω_x um die x-Achse. Aufgrund dieser Drehrate und des Antriebs in y-Richtung ergibt sich eine Corioliskraft in z-Richtung, durch welche seismische Masse 3 ausgelenkt wird.
10a) bis c) zeigen ein beispielhaftes Basiselement, welches zwei seismische Massen 3 und 4 aufweist, welche entsprechend der seismischen Masse 3 aus 9 ausgebildet sind, also eine ballige Seite aufweisen und einen bezüglich der Rahmenebene (x-y-Ebene) um 45° nach unten gedrehten, ausgelagerten Schwerpunkt aufweisen. Seismische Massen 3 und 4 sind jeweils an zwei Torsionsfederelementen 41 einseitig an der rechten und linke Seite Rahmens 7 aufgehängt. Dabei ist das Basiselement im unausgelenkten Zustand jeweils symmetrisch zu einer Ebene, mittig durch die Mitte zwischen Basiselementen 3 und 4 verlaufend und senkrecht zur durch den Rahmen aufgespannten Ebene (x-y-Ebene). 10a) veranschaulicht die Kräfte, welche bei einer Drehrate Ω_z um die z-Achse auftreten. Aufgrund des Antriebs seismischer Massen 3 und 4 in y-Richtung ergibt sich durch die Drehrate Ω_z Corioliskraft F_c in x-Richtung. Dadurch, dass Schwerpunkt 50 je weils um einen Aufhängungspunkt um einen Winkel von 45° bezüglich der Rahmenebene nach unten gedreht ausgelagert ist, ergibt sich eine Auslenkkraft F_p. Diese wirkt bei linker seismischer Masse 3 nach oben und bei rechter seismischer Masse 4 nach unten. Entsprechend werden seismische Massen 3 und 4 nach der in 10b) dargestellten Weise invers zueinander orientiert ausgelenkt. 10c) stellt die gleichgerichtete, also gleich orientierte, Auslenkung seismischer Massen 3 und 4 in z-Richtung nach oben, aufgrund des Auftretens einer Drehrate Ω_x um die x-Achse, dar. Diese Auslenkung kommt dadurch zustande, dass seismische Massen 3 und 4 in y-Richtung angetrieben werden, eine Drehrate Ω_x um die x-Achse auftritt und dadurch eine Corioliskraft F_c in z-Richtung nach oben auf beide seimischen Massen wirkt.
Liegt die Torsionsachse, um welche der Massenschwerpunkt einer seismischen Masse ausgelenkt werden kann, parallel zur Antriebsachse und in der Substratebene, so werden Auslenkungen der seismischen Masse aufgrund des Antriebs bzw. in Abhängigkeit der Bewegung des Rahmens im Antriebsmode vermieden. Falls dies nicht der Fall ist und diese Torsionsachse senkrecht zur Antriebsachse ausgerichtet ist, dann wird die seismische Masse in der Antriebsmode unerwünschterweise in z-Richtung ausgelenkt bzw. schwingt in z-Richtung.
In nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispielen zu 9 und 10 sind die seismischen Massen jeweils an in z-Richtung elastischen Biegefederelementen aufgehängt (6b)).
11 zeigt verschiedene beispielhafte Signalverläufe bezüglich der Phase eines beispielhaften Basiselements gemäß 10a) bei einer Drehrate um die z-Achse im eingeschwungenen Zustand. 11a) stellt den phasenabhängigen Verlauf der Anregeamplitude, 11b) den phasenabhängigen Verlauf der relativen Corioliskraft-Amplitude in x-Richtung, 11c) die relative z-Amplitude (zum Ruhezustand) der rechten seismischen Masse, 11d) die relative z-Amplitude (zum Ruhezustand) der linken seismischen Masse und 11e) den phasenabhängigen Verlauf des relativen Kapazitätssignals, welches ein Differenzsignal auf dem Kapazitätssignal der linken und der rechten seismischen Masse ist, dar.
In 12 sind zwei Ausführungsbeispiele von Drehratensensoren 1 dargestellt, deren in der Antriebsmode in y-Richtung schwingende Massen über einen Kopplungsbalken 11, welcher über eine Torsionsfeder um die z-Achse tordierbar und in y-Richtung steif am Substrat aufgehängt ist. Durch diese Aufhängung Kopplungsbalkens 11 werden parasitäre Moden der Antriebsmoden unterdrückt. In 12a) sind seismische Massen 23 und 24 durch meanderförmige Federelemente in y-Richtung elastisch und in x-Richtung steif an Substrat 2 aufgehängt. 12b) zeigt Basiselemente 9, 10, die jeweils durch meanderförmige Federelemente in y-Richtung elastisch und in x-Richtung steif an Substrat 2 aufgehängt sind, mit jeweils einem geschlossenen Rahmen 7, an welchem jeweils an welchem jeweils zwei seismische Massen 3, 4, 5, 6 mittel Torsionsfedern aufgehängt sind. Diese Torsionsfedern sind steif in y- und x-Richtung und sind tordierbar um die y- Achse, wodurch in den Auslesemoden seismische Massen 3, 4, 5, 6 in z-Richtung auslenken.
13 zeigt einen beispielhaften X-Achsen-Drehratensensor 1, also einen Drehratensensor 1, welcher Drehraten um die x-Achse erfassen kann. Dieser weist zwei Basiselemente auf, welche jeweils über Federelemente an Substrat 2 aufgehängt sind. Diese Federelemente sind steif in x- und z-Richtung und elastisch in y-Richtung. Beide Basiselemente werden durch nicht dargestellte Antriebsmittel zu gegenphasigen Schwingungen in y-Richtung angeregt. Beide Basiselemente weisen jeweils einen nicht vollständig geschlossenen Rahmen 8 auf, an welchem jeweils zwei seismische Massen 3, 4 und 5, 6 durch Torsionsfederelemente 41, welche im Wesentlichen lediglich Torsionsauslenkungen um die y-Achse zulassen, aufgehängt sind. Jeweils beide seismischen Massen 3, 4 und 5, 6 eines Basiselements sind über Federelemente an ein Ende Kopplungsbalkens 12 gekoppelt. Dieser ist in seinem Schwerpunkt an Torsionsfeder 15 aufgehängt, welche zwei Ankerpunkte an Substrat 2 aufweist. Torsionsfeder 15 ist steif in x- und z-Richtung und lässt Torsionen um die x- Achse zu. Durch diese Art der Aufhängung Kopplungsbalkens 12 werden parasitäre Moden der Auslesemoden unterdrückt, weil keine translatorischen Auslenkungen seismischer Massen 3, 4 und 5, 6 in Messrichtung (z-Richtung) durch derart aufgehängten Kopplungsbalken 12 zugelassen werden. Stattdessen werden Auslenkungen der seismischen Massen 3, 4 und 5, 6 durch die rotatorischen Auslenkungen Kopplungsbalkens 12 geführt. Beim Auftreten einer Drehrate um die x-Achse werden durch die resultierende Corioliskraft, welche in z-Richtung wirkt, jeweils beide seismische Massen der beiden Basiselemente, bezüglich der Basiselemente mit inverser Orientierung, in z-Richtung ausgelenkt. Dabei werden die beiden seismischen Massen 3, 4 des ersten Basiselements also beispielsweise in z-Richtung nach oben und die beiden seismischen Massen 5, 6 des zweiten Basiselements in z-Richtung nach unten ausgelenkt. Beispielgemäß weist jede seismische Masse 3, 4, 5, 6 eine Auswerteeinheit auf, welche die jeweilige Auslenkung in z-Richtung erfasst. Im Zuge der Drehratenmessung werden die Auswertesignale seismischer Massen 3, 4 eines Basiselements von den Auswertesignalen seismischer Massen 5, 6 des anderen Basiselements subtrahiert. Das sich daraus ergebende Differenzsignal ist das Messsignal, welche die Information über die Drehrate beinhaltet.
In 14 ist ein Ausführungsbeispiel eines Z-Achsen-Drehratensensors 1, also eines Drehratensensors 1, welcher Drehraten um die z-Achse erfassen kann, dargestellt. Dieser weist ebenfalls zwei Basiselemente mit jeweils einem offenen Rahmen 8 auf, der an Substrat 2 mittels meanderförmigen, in x- und z-Richtung steifen und in y-Richtung elastischen Federelementen aufgehängt ist. Jeweils ein nicht dargestelltes Antriebsmittel regt die Basiselemente zu gegenphasigen Schwingungen in y-Richtung an (Antriebsmode). Jedes Basiselement weist zwei seismische Massen 3, 4 und 5, 6 auf, welche jeweils an, um die y-Achse tordierbaren und zumindest in y-Richtung steifen Torsionsfederelementen 41 an Rahmen 8 aufgehängt sind. Basiselemente 3, 4 und 5, 6 sind an der unteren Seite ballig ausgebildet, so dass ihr jeweiliger Schwerpunkt in z-Richtung nach unten, außerhalb der durch den jeweiligen Rahmen aufgespannten Ebene bzw. des Raumquaders liegt. Solche Basiselemente sind beispielsweise in 9 und 10 veranschaulicht. Basiselemente 3, 4 und 5, 6 sind mittels Kopplungsbalken 13 miteinander gekoppelt. Kopplungsbalken 13 ist an Torsionsfederelement 15 mit Ankerpunkten an Substrat 2 aufgehängt, wobei diese Aufhängung Torsionen um die x-Achse erlaubt, aber keine Auslenkungen in x- und z-Richtung. Kopplungsbalken 13 weist ein mittleres Segment auf, in dessen Schwerpunkt Kopplungsbalken 13 an Torsionsfederelement 15 aufgehängt ist. An den Enden des mittleren Segments ist jeweils ein Randsegment mittels eines Torsionsfederelements angebracht, welches Torsionen um die y-Achse zulässt, aber steif in x-, y- und z-Richtung ausgebildet ist. Diese beiden Randsegmente Kopplungsbalkens 13 sind jeweils mit seismischen Massen 3, 4 bzw. 5, 6 eines Basiselements über Federelemente gekoppelt. Bei Erfassung einer Drehrate um die z-Achse ergibt sich unter Berücksichtigung der Antriebsrichtung (y-Richtung) eine Corioliskraft in x-Richtung auf seismische Massen 3, 4 und 5, 6. Aufgrund des ausgelagerten Schwerpunkts, welcher beispielgemäß jeweils bezüglich eines Aufhängungspunktes aus der Rahmenebene in z-Richtung nach unten um 45° gedreht ausgelagert ist, wirkt auf seismische Massen 3, 4 und 5, 6 jeweils eine Kraft, welche eine Komponente in z-Richtung aufweist. Hierdurch werden die seismischen Massen bezüglich der Basiselemente über Kreuz und jeweils pro Basiselement in z-Richtung invers orientiert zueinander ausgelenkt und schwingen dem entsprechend in den Auslesemoden. Anhand einer beispielhaften Momentaufnahme werden seismische Massen 3 und 6 in z-Richtung nach oben und seismische Massen 4 und 5 in z-Richtung nach unten ausgelenkt. Aus den Signalen der Aus leseeinrichtungen S3, S4, S5 und S6 jeder seismischen Masse 3, 4 und 5, 6 wird ein Gesamtsignal ψ' gebildet, welches die Information bezüglich der Drehrate beinhaltet:
ψ' = (S3 – S4) – (S5 – S6).
Dieser beispielgemäße Z-Achsen-Drehratensensor 1 kann auch alternativ als X-Z-Achsen Drehratensensor, also zu Erfassung einer Drehrate um die x-Achse und einer Drehrate um die z-Achse, verwendet werden. Dabei wird das die Information über die Drehrate um die z-Achse beinhaltende Signal ψ_Z' wie oben beschrieben berechnet (ψ_Z' = (S3 – S4) – (S5 – S6)). Das die Information über die Drehrate um die x-Achse beinhaltende Signal ψ_x' ergibt sich dabei zu: ψ_x' = (S3 + S4) – (S5 + S6).
In 15 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines X-Z-Achsen Drehratensensors 1 veranschaulicht. Dieser weist ebenfalls zwei Basiselemente auf, welche jeweils einen Rahmen 8 umfassen, der an Federelementen an Substrat 2 in z-Richtung steif und in x- und y-Richtung elastisch aufgehängt ist. Nicht dargestellte Antriebsmittel regen die Basiselemente zu gegenphasigen Antriebsmoden in y-Richtung an. Darüber hinaus weist Drehratensensor 1 vier Ausleseeinrichtungen 16 auf, welche Auslenkungen der Basiselemente in x-Richtung erfassen können und in x-Richtung auf beiden Seiten jeden Basiselements angeordnet sind. Dabei ist jeweils eine Kammstruktur der Ausleseeinrichtung 16 mit jeweiligem Rahmen 8 verbunden und eine andere mit Substrat 2. Jedes Basiselement weist zwei seismische Massen 3, 4 und 5, 6 auf, welche mittels Torsionsfederelementen 41, um die y-Achse tordierbar und bezüglich der drei Raumrichtungen steif, an den Rahmen 8 aufgehängt sind. Beispielgemäß sind diese seismischen Massen gemäß 6 und 7 ausgebildet. In einem nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel sind die seismischen Massen gemäß 10 ausgebildet. Seismische Massen 3, 4 und 5, 6 sind über Kopplungsbalken 15 mit einander gekoppelt. Kopplungsbalken 12 ist an Federelement 15 in seinem Schwerpunkt an Substrat 2 aufgehängt. Diese Aufhängung, entsprechend der Ausbildung und Einspannung Federelements 15, erlaubt Kopplungsbalken 12 Torsionen um die x-Achse und die z-Achse und unterbindet Auslenkungen in x- und z-Richtung. Eine Drehrate um die x-Achse ruft eine Corioliskraft hervor, welche in z-Richtung wirkt und entsprechend die seismischen Massen in die Richtung auslenkt und bzgl. der Basiselemente gegenphasig zueinander schwingen lässt. Beispielgemäß werden dabei seismische Massen 3, 4 in z-Richtung nach oben und seismische Massen 5, 6 in z-Richtung nach unten ausgelenkt, wobei der zeitliche Verlauf dieser Auslenkungen von nicht dargestellten Ausleseeinrichtungen erfasst wird. Eine Drehrate um die z-Achse ruft hingegen eine Corioliskraft in x-Richtung hervor. Diese bewirkt gegenphasige Auslenkungen und Moden der Basiselemente samt seismischen Massen 3, 4 und 5, 6 in x-Richtung, welche von Ausleseeinrichtungen 16 erfasst werden. Die Drehrate um die z-Achse ergibt sich dabei aus dem Differenzsignal der den Basiselementen zugeordneten Ausleseeinrichtungen 16. Die Drehrate um die x-Achse hingegen ergibt sich aus dem Differenzsignal der Auslenkung seismischer Massen 3, 4 eines Basiselements und der Auslenkung seismischer Massen 5, 6 des anderen Basiselements.
Der in 16 gezeigte Drehratensensor 1 ist ebenfalls ein X-Z-Achsen Drehratensensor. Er entspricht weitgehend dem in 15 beschriebenen. Allerdings sind Ausleseeinrichtungen 16 nun an anderer Stelle, unzwar in Verlängerung des Kopplungsbalkens 14, vom Zentrum Drehratensensors 1 aus, in y-Richtung jeweils hinter den seismischen Massen angeordnet. Dabei sind diese Ausleseeinrichtungen beidseitig mit jeweils einer Kammstruktur fest mit dem verlängerten Ende Kopplungsbalkens 14 verbunden und mit der anderen Kammstruktur jeweils mit Substrat 2. Diese Ausleseeinrichtungen erfassen entsprechend die in 15 beschrieben Auslenkungen in x-Richtung, hervorgerufen durch eine Corioliskraft aufgrund einer Drehrate um die z-Achse.

Claims

Drehratensensor (1) umfassend zumindest ein Substrat (2), wobei die Grundfläche des Substrats (2) parallel zur x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet ist, mindestens zwei Basiselemente (9, 10), welche jeweils einen Rahmen (7, 8), eine Aufhängung des Rahmens am Substrat, zumindest eine seismische Masse (3, 4, 5, 6) und eine Aufhängung (41, 42) der seismischen Masse am Rahmen (7, 8) aufweisen, mit einem oder mehreren Antriebsmitteln zum Antreiben eines oder mehrerer Basiselemente und einer oder mehreren Ausleseeinrichtungen (16), dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Basiselemente (9, 10) durch mindestens einen Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) miteinander gekoppelt sind.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Antriebsmittel auf mindestens einen Rahmen (7, 8) und/oder eine seismische Masse (3, 4, 5, 6) mindestens eines Basiselements einwirkt.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Antriebsmittel die mindestens zwei Basiselemente (9, 10) in y-Richtung antreibt und der Drehratensensor (1) so ausgelegt ist, dass er Drehraten um die x-Achse und/oder z-Achse erfassen kann.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) an zumindest einem Federelement (15) aufgehängt ist, welches insbesondere am Substrat (2) eingespannt ist und mit diesem mindestens einen Ankerpunkt bildet, wobei das Federelement (15) so ausgebildet und eingespannt bzw. befestigt ist, dass es translatorische Auslenkungen des Kopplungsbalkens (11, 12, 13, 14) verhindert.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) im Wesentlichen im Bereich seines Schwerpunkts an dem zumindest einen Federelement (15) aufgehängt ist.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Federelement (15), an welchem der Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) aufgehängt ist, eine Torsionsfeder ist, welche eine rotatorische Auslenkung des Kopplungsbalkens um die z-Achse und/oder die x-Achse ermöglicht.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Kopplungsbalkens (11, 12, 13, 14) im Wesentlichen mit dem Schwerpunkt des Drehratensensors (1), insbesondere jeweils bezogen auf die x-y-Ebene, zusammenfällt.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsbalken (11, 12, 13, 14) an beiden Enden jeweils mit einer oder mehreren seismischen Masse/n (3, 4, 5, 6) und/oder einer oder mehreren Ausleseeinrichtung/en (16) und/oder einem oder mehreren Rahmen (7, 8) direkt oder über ein oder mehrere Federelement/e gekoppelt ist.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jeweils um eine Torsionsachse auslenkbar aufgehängt sind und diese Torsionsachse im Wesentlichen parallel zur Antriebsrichtung verläuft.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei seiner seismischen Massen (3, 4, 5, 6) einen Schwerpunkt (50) aufweisen, welcher in z-Richtung außerhalb der durch den jeweiligen Rahmen aufgespannten Ebene und/oder des Raumquaders liegt.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der seismischen Massen (3, 4, 5, 6) eine Ausleseeinrichtung zugeordnet ist.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen aus dem Differenzsignal der Ausleseeinrichtungen, welche jeweils den einzelnen seismischen Massen (3, 4) eines Basiselements (9) zugeordnet sind, und dem Differenzsignal der Ausleseeinrichtungen (16), welche unterschiedlichen Basiselementen zugeordnet sind, die erfasste Drehrate bestimmbar ist.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher eine Drehrate um die x-Achse erfassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Basiselemente (9, 10) in y-Richtung erfolgt, wobei – die Rahmen (7, 8) der Basiselemente jeweils durch Federelemente am Substrat aufgehängt sind, welche im Wesentlichen steif in x-Richtung und z-Richtung und elastisch in y-Richtung sind, – die seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jedes Basiselements mittels Federelementen (41), welche im Wesentlichen eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen (7, 8) aufgehängt sind, und – der Kopplungsbalken (12) mittels einer Torsionsfeder (15), welche Torsionen um die x-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat (2) aufgehängt ist und an jedem seiner beiden Enden mittels Federelementen mit den seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jeweils eines Basiselements gekoppelt ist.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher eine Drehrate um die x-Achse und die z-Achse erfassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Basiselemente in y-Richtung erfolgt, wobei – die Rahmen (7, 8) der Basiselemente jeweils durch Federelemente am Substrat aufgehängt sind, welche im Wesentlichen steif in x- und z-Richtung und elastisch in y-Richtung sind, – die seismischen Massen (3, 4, 5, 6), welche jeweils einen Schwerpunkt (50) aufweisen, welcher in z-Richtung außerhalb der durch den jeweiligen Rahmen aufgespannten Ebene und/oder des Raumquaders liegt, jedes Basiselements mittels Federelementen (41), welche im Wesentlichen eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen (7, 8) aufgehängt sind, und – der Kopplungsbalken (13) mittels einer Torsionsfeder (15), welche eine Torsion um die x-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat (2) aufgehängt ist und an seinen beiden Enden jeweils ein separater Teil des Kopplungsbalkens mit dem Mittelstück des Kopplungsbalkens mittels einer Torsionsfeder gekoppelt ist, welche im Wesentlichen steif in x-, y- und z-Richtung ist und Torsionen um die y-Achse zulässt, wobei diese beiden äußeren, separaten Teile des Kopplungsbalkens jeweils mittels Federelementen mit den seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jeweils eines Basiselements gekoppelt sind.
Drehratensensor (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher eine Drehrate um die x-Achse und die z-Achse erfassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Basiselemente in y-Richtung erfolgt, wobei – die Rahmen (7, 8) der Basiselemente jeweils durch Federelemente, welche im Wesentlichen steif in z-Richtung und elastisch in y- und x-Richtung sind, am Substrat (2) aufgehängt sind, – die seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jedes Basiselements mittels Federelementen (41), welche im Wesentlichen eine Torsion um die y-Achse zulassen und/oder elastisch in z-Richtung sind, am jeweiligen Rahmen (7, 8) aufgehängt sind, und – der Kopplungsbalken (12, 14) mittels einer Torsionsfeder (15), welche Torsionen um die x-Achse und die z-Achse zulässt und steif in x- und z-Richtung ist, am Substrat (2) aufgehängt ist und an jedem seiner beiden Enden mittels Federelementen mit den seismischen Massen (3, 4, 5, 6) jeweils eines Basiselements gekoppelt ist.
Drehratensensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als ein Mikro-Elektro-Mechanisches-System (MEMS) oder MEMS-Modul ausgebildet ist, welches insbesondere mechanische und elektronische Mittel zum Anschluss und/oder Zusammenwirken an/mit weiteren MEMS-Modulen und/oder mit mindestens einer elektronischen Signalverarbeitungsschaltung aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors (1), wobei mittels eines Herstellungsprozesses zur Herstellung mikromechanischer Systeme aus einem Substrat, welches insbesondere aus kristallinem Silizium oder mehreren Schichten Halbleitermaterials und/oder Metall/en besteht, mikromechanische Elemente ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass dabei zumindest in Teilen ein Drehratensensor (1) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet wird.
Verwendung des Drehratensensors gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16 in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugregelungssystem.