DE102008010241A1

DE102008010241A1 - Mikromechanische Vorrichtung mit Drehschwinger

Info

Publication number: DE102008010241A1
Application number: DE200810010241
Authority: DE
Inventors: Joerg Hauer; Daniel Christoph Meisel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-08-27
Also published as: WO2009103370A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Antrieb (10) und einem Schwinger (20), wobei der Schwinger (20) mittels des Antriebs (10) zu einer Drehschwingung antreibbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Schwinger (20) wenigstens zwei Schwingmassen (200) umfaßt, welche mittels des Antriebs (10) zu einer gegensinnigen Drehschwingung antreibbar sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Antrieb und einem Schwinger wobei der Schwinger mittels des Antriebs (10) zu einer Drehschwingung antreibbar ist.
Zur Erfassung von Drehraten sind mikromechanische Drehratensensoren bekannt. Diese bestehen aus beweglichen Teilen, Detektionsmassen, auf welche aufgrund der Bewegung bei Vorliegen einer Drehrate die Corioliskraft wirkt. Die daraus resultierende Auslenkung wird meist kapazitiv erfaßt und ausgewertet. Es sind Drehratensensoren mit auf einer Kreisbahn schwingender Detektionsmasse bekannt. Bei solchen rotatorischen Drehratensensoren wird durch die Rotationsschwingungsbewegung ein Drehmoment ins Substrat eingekoppelt, welches störende Schwingungen der Verpackung des Sensors anregen kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen rotatorischen Drehratensensor zu schaffen, der ein verringertes bzw. überhaupt kein Drehmoment ins Substrat eingekoppelt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Antrieb und einem Schwinger wobei der Schwinger mittels des Antriebs (10) zu einer Drehschwingung antreibbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Schwinger wenigstens zwei Schwingmassen umfaßt, welche mittels des Antriebs zu einer gegensinnigen Drehschwingung antreibbar sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Schwinger wenigstens zwei Paar Schwingmassen umfaßt, welche mittels des Antriebs zu einer gegensinnigen Drehschwingung antreibbar sind. Besonders vorteilhaft ist, daß die Schwingmassen derart antreibbar sind, daß die Summe der Drehmomente aller Schwingmassen gleich Null ist, oder anders gesagt daß das resultierende Drehmoment des gesamten Schwingers gleich Null ist. Vorteilhaft wird hierdurch überhaupt kein Drehmoment ins Substrat eingekoppelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens zwei Schwingmassen mittels einer Koppelfeder miteinander gekoppelt sind. Vorteilhaft läßt sich hierdurch eine Übertragung der Drehschwingung von einer Schwingmasse auf eine andere Schwingmasse erreichen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung als Drehratensensor ausgestaltet, wobei die Schwingmassen seismische Massen darstellen, welche durch eine Corioliskraft auslenkbar sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die rotierende Masse eines rotatorischen Drehratensensors in vier Teile zu unterteilen, die auch gegeneinander schwingen können. Dadurch wird die Auskopplung von Drehmomenten ins Substrat verhindert. Vorteilhaft ist, daß die zentrale Anbindung ans Substrat nicht tordiert wird, da im Schermode gearbeitet wird, bei dem die gegenläufigen Drehmomente einander aufheben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit einem derartigen Drehratensensor die Drehrate für Drehungen um zwei verschiedene Achsen meßbar ist.
Zeichnung
1 zeigt einen rotatorischen Drehratensensor im Stand der Technik.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Drehschwinger.
Ausführungsbeispiel
1 zeigt einen rotatorischen Drehratensensor im Stand der Technik. Der Drehratensensor weist ein Substrat 40 und einen Schwinger 20 auf. Der Schwinger 20 ist über dem Substrat 40 in der Ebene (x; y) angeordnet und mittels einer Verankerung 30 an dem Substrat verankert. Auf dem Substrat ist ebenfalls ein Antrieb 10 angeordnet. Der Schwinger 20 ist mittels des Antriebs 10 zu einer Drehschwingung antreibbar. Aufgrund der Drehschwingung des angetriebenen Schwingers, der eine scheibenförmige träge Masse aufweist, kommt es bei Vorliegen einer Drehrate ω_x, deren Drehachse x parallel zur Substratebene (Bildebene) liegt, aufgrund der Corioliskraft zu einer zusätzlichen Auslenkung z senkrecht zur Substratebene, einer Taumelbewegung der trägen Masse. Die Bewegungsanteile senkrecht zum Substrat werden kapazitiv erfaßt und daraus die vorliegende Drehrate ω_x und die Richtung, der Drehachse ermittelt.
2 zeigt eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung mit Drehschwinger. Dargestellt ist als Ausführungsbeispiel ein rotatorischer Drehratensensor. Der Drehratensensor weist ein Substrat 40 und einen Schwinger 20 auf. Der Schwinger 20 ist über dem Substrat 40 in der Ebene (x; y) angeordnet und mittels einer Verankerung 30 an dem Substrat verankert. Auf dem Substrat ist ebenfalls ein Antrieb 10 angeordnet. Der Schwinger 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel in vier Teile (vier Wedel) unterteilt. Jeder Wedel weist eine Schwingmasse 200 und eine Schwingfeder 210 auf. Mittels der Schwingfedern 210 sind die vier Wedel zentral an der Verankerung 30 aufgehängt. Sie können zunächst unabhängig voneinander Pendelbewegungen (d. h. Drehschwingungen) parallel zum Substrat 40 ausführen. Insbesondere können die vier Wedel im Schermode schwingen, d. h. es bewegen sich abwechselnd immer zwei Wedel aufeinander zu, oder anders gesagt bewegen sich die Schwingmassen 200 paarweise gegensinnig zueinander. Diese Schwingungsmode wird angeregt, indem man jeweils zwei Wedel mit einem gemeinsamen, zwischen ihnen liegenden Antriebskamm 10 aufeinander zu treibt. Der Antrieb arbeitet elektrostatisch Die zwei Antriebskämme werden dazu gleichzeitig (in Phase) periodisch mit einer Spannung beschaltet, welche zwischen dem Antrieb 10 und der damit wechselwirkenden Schwingmasse 200 angelegt wird. Durch den Betrieb der Schwingmassen 200 im Schermode, der durch die Aufteilung des Drehschwingers in die separaten Schwingmassen möglich wird, wird das auf die Zentralaufhängung 30 insgesamt wirkende Drehmoment senkrecht zum Substrat Null. Durch die zentrale Aufhängung 30 wird gewährleistet, daß die Bewegungskomponente z senkrecht zum Substrat (Kippmode) auf jeweils gegenüberliegende Wedel übertragen wird und somit diese synchronisiert werden, wodurch eine differentielle Auswertung, beispielsweise mittels eines Differenzkondensators (nicht dargestellt), möglich wird.
Eine Kopplung der Antriebsbewegung kann alternativ oder auch zusätzlich durch Koppelfedern zwischen benachbarten Wedeln erreicht werden (nicht dargestellt).
Der erfindungsgemäße Drehratensensor in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel kann zwei Drehraten ω_x und ω_y um die in der Bildebene (Substratebene) gelegenen Achsen x und y gleichzeitig detektieren.
Die Erfindung läßt sich allgemein auch auf andere mikromechanische Vorrichtungen anwenden, die Drehschwinger aufweisen deren resultierendes Drehmoment verringert oder vollständig kompensiert werden soll.

Claims

Mikromechanische Vorrichtung mit einem Antrieb (10) und einem Schwinger (20) wobei der Schwinger (20) mittels des Antriebs (10) zu einer Drehschwingung antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (20) wenigstens zwei Schwingmassen (200) umfaßt, welche mittels des Antriebs (10) zu einer gegensinnigen Drehschwingung antreibbar sind.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (20) wenigstens zwei Paar Schwingmassen (200) umfaßt, welche mittels des Antriebs (10) zu einer gegensinnigen Drehschwingung antreibbar sind.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingmassen (200) derart antreibbar sind, daß die Summe der Drehmomente aller Schwingmassen (200) gleich Null ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Schwingmassen (200) mittels einer Koppelfeder miteinander gekoppelt sind.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schwingmassen (200) seismische Massen darstellen, welche durch eine Corioliskraft auslenkbar sind.