DE102009045432A1

DE102009045432A1 - Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors

Info

Publication number: DE102009045432A1
Application number: DE102009045432A
Authority: DE
Inventors: Carsten Geckeler; Udo-Martin Gomez; Thorsten Balslink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US8468886B2; ITMI20101785A1; IT1401162B1; US20110083507A1

Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat und einem relativ zum Substrat beweglichen Coriolis-Element vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor Anregungsmittel zur Anregung einer Antriebsschwingung des Coriolis-Elements entlang einer zur Haupterstreckungsebene parallelen ersten Richtung aufweist und wobei der Drehratensensor Detektionsmittel zur Detektion einer Coriolis-Auslenkung des Coriolis-Elements entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten dritten Richtung aufweist und wobei ferner der Drehratensensor eine Quadraturkompensationsstruktur aufweist, welche sowohl eine Kammelektrodenstruktur, als auch eine Plattenkondensatorstruktur umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift WO 03/058 167 A1 ein Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis-Element bekannt, wobei das Coriolis-Element zu einer Antriebsschwingung parallel zu einer ersten Achse anregbar ist, wobei eine Auslenkung des Coriolis-Elements aufgrund einer Coriolis-Kraft entlang einer zur ersten Achse senkrechten Detektionsrichtung vorgesehen ist und wobei der Drehratensensor kraftvermittelnde Mittel zwischen dem Substrat und dem Coriolis-Element in Form von Kompensationsstrukturen aufweist, welche zur Kompensation von Quadraturstörgrößen vorgesehen sind. Das Coriolis-Element umfasst eine seismische Masse mit einer Mehrzahl von Ausschnitten, in welche mit dem Substrat verbundene Elektroden der Kompensationsstrukturen hineinragen. Der Innenumfang der Ausschnitte ist jeweils asymmetrisch ausgebildet, so dass durch eine entsprechende Beschaltung der Elektroden Quadraturkompensationskräfte parallel zur Detektionsrichtung erzeugt werden. Diese Quadraturkompensationskräfte dienen zur Kompensation der Quadraturstörgrößen, welche der Detektionsbewegung des Coriolis-Elements überlagert sind und aufgrund fertigungsbedingter Imperfektionen im Sensoraufbau während der Anregung der Antriebsschwingung entstehen. Nachteiligerweise sind die Quadraturkompensationskräfte dabei stark von der Auslenkung entlang der Detektionsrichtung abhängig, so dass bei einer unbeabsichtigten Schwingung des Coriolis-Elements um ihren Arbeitspunkt entlang der Detektionsrichtung eine Änderung der Quadraturkompensationskraft entsteht. Dies führt dazu, dass sich die Vibrationsempfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber externen Störanregungen erhöht. Die arbeitspunktabhängigen Quadraturkompensationskräfte haben ferner eine arbeitspunktabhängige elektrostatische Federsteifigkeit entlang der Detektionsrichtung zur Folge, so dass auch die effektive Resonanzfrequenz der Sensoranordnung eine ungewünschte Arbeitspunktabhängigkeit aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Quadraturkompensationsstruktur eine Quadraturkompensationskraft auf das Coriolis-Element erzeugt, welche einerseits eine Kompensation der ungewünschten Quadraturstörgrößen bewirkt und andererseits keine oder nur eine deutlich verringerte Arbeitspunktabhängigkeit entlang der dritten Richtung (d. h. in Kraftrichtung bzw. in Detektionsrichtung) aufweist. In vorteilhafter Weise wird dadurch die Vibrationsempfindlichkeit des Drehratensensors gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesteigert. Darüberhinaus wird die Resonanzfrequenz des Drehratensensors entlang der dritten Richtung nicht oder nur unwesentlich durch die Quadraturkompensation beeinflusst. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass die Quadraturkompensation sowohl die Kammelektrodenstruktur, als auch die Plattenkondensatorstruktur aufweist. Die Kammelektrodenstruktur erzeugt dabei eine erste Kompensationskraft und die Plattenkondensatorstruktur eine zweite Kompensationskraft jeweils auf das Coriolis-Element entlang der dritten Richtung (im Folgenden auch als Detektionsrichtung bezeichnet), wobei die Quadraturkompensationskraft im Wesentlichen die Summe aus erster und zweiten Kompensationskraft umfasst. Die erste und die zweite Kompensationskraft sind jeweils einerseits von der Lage des Coriolis-Elements entlang der ersten Richtung (im Folgenden auch als Antriebsrichtung bezeichnet), als auch von der Lage des Coriolis-Elements entlang der Detektionsrichtung (Arbeitspunktabhängigkeit) abhängig. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften einer Kammelektrodenstruktur ist die Änderung der ersten Kompensationskraft mit zunehmender Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der Detektionsrichtung (vom Substrat weggerichtet) negativ, während aufgrund der physikalischen Eigenschaften einer Plattenkondensatorstruktur die Änderung der zweiten Kompensationskraft mit zunehmender Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der Detektionsrichtung (vom Substrat weggerichtet) positiv ist (siehe beispielsweise 3). In vorteilhafter Weise kompensiert die Änderung der ersten Kompensationskraft dabei zumindest teilweise die Änderung der zweiten Kompensationskraft und/oder kompensiert die Änderung der zweiten Kompensationskraft dabei zumindest teilweise die Änderung der ersten Kompensationskraft, so dass in Summe eine Quadraturkompensationskraft erzeugt wird, welche keine oder nur eine deutlich verringerte Abhängigkeit von der Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der Detektionsrichtung und somit vom Arbeitspunkt des Coriolis-Elements entlang der Detektionsrichtung aufweist. Der Drehratensensor umfasst vorzugsweise einen mikromechanischen Drehratensensor, welcher zur Messung von Drehraten „in-plane” (Drehachse der Drehrate parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats) und/oder „out-of-plane” (Drehachse der Drehrate senkrecht zur Haupterstreckungsebene) vorgesehen ist. Das Substrat umfasst insbesondere ein Halbleitersubstrat, wie beispielsweise Silizium. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Plattenkondensatorstruktur eine zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats im Wesentlichen parallele Flächenelektrode umfasst, welche am Substrat befestigt ist und welche senkrecht zur dritten Richtung vorzugsweise zumindest teilweise zwischen dem Coriolis-Element und dem Substrat angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist die Flächenelektrode geeignet, basierend auf elektrostatischer Wechselwirkung eine zweite Kompensationskraft auf das Coriolis-Element senkrecht zur Haupterstreckungsebene in Richtung des Substrats und insbesondere parallel zur dritten Richtung zu erzeugen. Der Betrag der zweiten Kompensationskraft steigt mit zunehmender negativer Auslenkung des Coriolis-Elements aus der Ausgangslage in Richtung Substrat entlang der dritten Richtung Z.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kammelektrodenstruktur erste Fingerelektroden und parallel zur ersten Richtung in die ersten Fingerelektroden eingreifende zweite Fingerelektroden umfasst, wobei die ersten Fingerelektroden vorzugsweise am Substrat befestigt sind und wobei die zweiten Fingerelektroden vorzugsweise am Coriolis-Element befestigt sind. In vorteilhafter Weise ist die Kammstruktur geeignet eine erste Kompensationskraft auf das Coriolis-Element senkrecht zur Haupterstreckungsebene in Richtung des Substrats und insbesondere entlang der dritten Richtung zu erzeugen. Diese erste Kompensationskraft wird üblicherweise als Levitationskraft bezeichnet und entsteht durch eine asymmetrische Feldverteilung ober- und unterhalb der Fingerelektroden. Der Raum auf der dem Substrat abgewandten Seite der ersten und zweiten Fingerelektroden ist nicht durch das Substrat begrenzt, so dass sich die Streufelder auf dieser Seite mehr ausdehnen. Damit ergibt sich als resultierende Kraft die erste Kompensationskraft, welche parallel zur dritten Richtung vom Substrat weggerichtet ist. Die erste und die zweite Kompensationskraft sind somit diametral entgegengesetzt, so dass sie sich teilweise kompensieren. Die Beträge der ersten und zweiten Kompensationskraft sind jedoch unterschiedlich, so dass dennoch eine resultierende Quadraturkompensationskraft in Richtung Substrat erzeugt wird. Die zweite Kompensationskraft sinkt mit zunehmender negativer Auslenkung des Coriolis-Elements aus der Ausgangslage in Richtung Substrat entlang der dritten Richtung Z. Da die Vorzeichen der ersten und zweiten Kompensationskräfte invers zueinander sind, sind auch die Änderung der ersten Kompensationskraft und die Änderung der zweiten Kompensationskraft in Abhängigkeit der Auslenkung entlang der dritten Richtung zueinander entgegengesetzt, so dass sich die Summe dieser Änderungen zumindest teilweise gegenseitig kompensieren. In vorteilhafter Weise wird somit eine Quadraturkompensationskraft erzeugt, welche keine oder nur eine schwache Abhängigkeit von der Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der dritten Richtung aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ersten Fingerelektroden elektrisch leitfähig mit der Flächenelektrode verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird somit die elektrische Kontaktierung, sowie die Ansteuerung der Quadraturkompensationsstruktur deutlich vereinfacht. Das Verhältnis zwischen erster und zweiter Kompensationskraft wird dabei vorzugsweise über das Design der Plattenkondensatorstruktur relativ zur Kammelektrodenstruktur festgelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drehratensensor eine weitere Quadraturkompensationsstruktur aufweist, welche eine weitere Kammelektrodenstruktur und eine weitere Plattenkondensatorstruktur umfasst, wobei die weitere Plattenkondensatorstruktur bevorzugt eine zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallele weitere Flächenelektrode umfasst und wobei die weitere Kammelektrodenstruktur bevorzugt am Substrat befestigte weitere erste Fingerelektroden und am Coriolis-Element befestigte und parallel zur ersten Richtung in die ersten Fingerelektroden eingreifende weitere zweite Fingerelektroden umfasst. In vorteilhafter Weise wird eine Kompensation von sich senkrecht zur dritten Richtung erstreckenden Kraftkomponenten erzielt, welche durch die Quadraturkompensationsstruktur erzeugt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationsstruktur und die weitere Quadraturkompensationsstruktur bezüglich einer sowohl zur Haupterstreckungsebene, als auch zur ersten Richtung senkrechten Spiegelebene spiegelsymmetrisch ausgebildet sind, so dass Kräfte der Kammelektrodenstruktur entlang der ersten Richtung von der weiteren Kammelektrodenstruktur derart kompensierbar sind, dass entlang der ersten Richtung keine resultierenden Kraftkomponenten auf das Coriolis-Element erzeugt werden. Die Antriebschwingung wird somit vorteilhafterweise von den Quadraturkompensationsstrukturen nicht beeinflusst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Coriolis-Element senkrecht zur Haupterstreckungsebene eine Aussparung aufweist, in welcher die Kammelektrodenstruktur und/oder die weitere Kammelektrodenstruktur angeordnet sind. Besonders vorteilhaft wird somit einerseits eine vergleichsweise bauraumkompakte Anordnung des Drehratensensors ermöglicht und andererseits sind die Anregungsmittel in bekannter Weise an den Außenseiten des Coriolis-Elements anzuordnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationsstruktur und die weitere Quadraturkompensationsstruktur derart ausgebildet sind, dass die Quadraturkompensationskraft abhängig von der Antriebschwingung ist und/oder dass die Quadraturkompensationskraft im Wesentlichen unabhängig von der Coriolis-Auslenkung ist. In vorteilhafter Weise wird durch eine geeignete Dimensionierung der Plattenkondensatorstruktur und der Kammelektrodenstruktur eine Quadraturkompensationskraft erzielt, welche im Arbeitspunkt lediglich von einer antriebsbedingten Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der ersten Richtung (Antriebsrichtung) und nicht oder nur unwesentlich von der Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der dritten Richtung (Detektionsrichtung) abhängt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors, wobei in einem ersten Betriebsschritt die Antriebsschwingung des Coriolis-Elements entlang der ersten Richtung angeregt wird und in einem zweiten Betriebsschritt von der Quadraturkompensationsstruktur eine Quadraturkompensationskraft entlang der dritten Richtung auf das Coriolis-Element derart erzeugt wird, dass eine Änderung einer von der Kammelektrodenstruktur erzeugten ersten Kompensationskraft in Abhängigkeit der Coriolis-Auslenkung von einer Änderung einer von der Plattenkondensatorstruktur erzeugten zweiten Kompensationskraft in Abhängigkeit der Coriolis-Auslenkung zumindest teilweise kompensiert wird. In vorteilhafter Weise wird somit, wie oben bereits detailiert ausgeführt wird, eine Quadraturkompensationskraft erzeugt, welche im Arbeitspunkt keine oder nur eine unwesentliche Abhängigkeit von der Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der dritten Richtung aufweist. In vorteilhafter Weise wird somit im Vergleich zum Stand der Technik die Vibrationsempfindlichkeit. Die Quadraturkompensationskraft aufgetragen gegen die Coriolis-Auslenkung weist im Arbeitspunkt, d. h. in der Ausgangslage vorzugsweise ein Maximum auf, so dass die Vibrationsempfindlichkeit im Arbeitspunkt deutlich reduziert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationskraft auf das Coriolis-Element derart erzeugt wird, dass die Quadraturkompensationskraft abhängig von der Antriebschwingung ist und/oder dass die Quadraturkompensationskraft im Wesentlichen unabhängig von der Coriolis-Auslenkung ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine schematische Perspektivansicht einer Quadraturkompensationsstruktur eines Drehratensensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs eines Drehratensensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 einen schematischer Verlaufs einer Quadraturkompensationskraft eines Drehratensensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b schematische Ansichten verschiedener Kompensationskräfte eines Drehratensensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Quadraturkompensationsstruktur eines Drehratensensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 und ein relativ zum Substrat bewegliches Coriolis-Element 3 aufweist. Das Coriolis-Element 3 wird mittels nicht abgebildeter Anregungsmittel relativ zum Substrat 2 zu einer Antriebsschwingung entlang einer ersten Richtung X parallel zur Haupterstreckungsebene 100 angeregt. Bei der Anwesenheit einer Drehrate um eine Drehachse parallel zu einer zur ersten Richtung X senkrechten zweiten Richtung Y parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erfährt das Coriolis-Element 3 eine Corioliskraft parallel zu einer dritten Richtung Z senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100, welche eine mittels nicht abgebildeter Detektionsmittel detektierbare Coriolis-Auslenkung des Coriolis-Elements 3 entlang der dritten Richtung Z bewirkt. In der 1 ist das Coriolis-Element 3 in seiner Ausgangslage 110 (auch Gleichgewichtslage genannt) dargestellt. Die nicht abgebildete Coriolis-Auslenkung umfasst eine positive Auslenkung des Coriolis-Elements 3 aus der Ausgangslage 110, welche von dem Substrat 2 weg gerichtet ist, oder eine negative Auslenkung des Coriolis-Elements aus der Ausgangslage 110, welche zum Substrat 2 hin gerichtet ist. Der Coriolis-Auslenkung ist eine Quadraturstörgröße 90 entlang der dritten Richtung Z überlagert, welche aus fertigungsbedingten Imperfektionen des Drehratensensors 1 resultiert. Zur Kompensation dieser Quadraturstörgröße 90 weist der Drehratensensor 1 eine Quadraturkompensationsstruktur 6 auf. Die Quadraturkompensationsstruktur 6 umfasst eine Kammelektrodenstruktur 60, welche sich parallel zur ersten Richtung X erstreckende erste und zweite Fingerelektroden 63, 64 umfasst. Die ersten Fingerelektroden 63 sind am Substrat 2 und die zweiten Fingerelektroden 64 am Coriolis-Element 3 verankert. Die ersten Fingerelektroden 63 greifen ferner zwischen die zweiten Fingerelektroden 64 entlang der ersten Richtung X derart ein, dass die ersten und zweiten Fingerelektroden 63, 64 sich teilweise entlang der zweiten Richtung Y gegenseitig überlappen. Eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden 63, 63 bewirkt eine auf das Coriolis-Element 3 wirkende, von dem Substrat 2 weg gerichtete und auch als Levitationskraft bezeichnete erste Kompensationskraft 80 entlang der dritten Richtung Z. Die erste Kompensationskraft ist der Quadraturstörgröße 90 überlagert und vergrößert sich mit zunehmender positiver Coriolis-Auslenkung. Die Quadraturkompensationsstruktur 6 umfasst darüberhinaus eine Plattenkondensatorstruktur 61, welche eine entlang der dritten Richtung Z zwischen dem Substrat 2 und dem Coriolis-Element 3 angeordnete und mit dem Substrat 2 fest verbundene Flächenelektrode 62 aufweist. Eine Potentialdifferenz zwischen der Flächenelektrode 62 und einem als Gegenelektrode 62' fungierenden Teilbereich des Coriolis-Elements 3 bewirkt eine zweite Kompensationskraft 81, welche parallel zur ersten Kompensationskraft 80 parallel zur dritten Richtung Z zum Substrat 2 hin gerichtet ist. Die zweite Kompensationskraft 81 ist der Quadraturstörgröße 90 entgegengesetzt und überkompensiert die Quadraturstörgröße 90. Ähnlich wie die erste Kompensationskraft 80 verringert sich auch die zweite Kompensationskraft 81 mit zunehmender vom Substrat 2 weggerichteter Coriolis-Auslenkung, jedoch im Vergleich zur ersten Kompensationskraft 80 in die entgegengesetzte Richtung. Die Summe aus erster und zweiter Kompensationskraft 80, 81 wird als Quadraturkompensationskraft 82 bezeichnet. Die Kammelektrodenstruktur 60 und die Plattenkondensatorstruktur 61 werden nun derart dimensioniert, dass in der Ausgangslage (d. h. im Arbeitspunkt des Coriolis-Elements 3) die Quadraturkompensationskraft 82 eine Kompensation der Quadraturstörgröße 90 bewirkt wird
und gleichzeitig im Wesentlichen unabhängig von der Coriolis-Auslenkung ist
Eine derartige Eistellung der Quadraturkompensationsgröße 82 erfolgt beispielsweise über die Anzahl und/oder die Breite der ersten und zweiten Fingerelektroden 63, 64, über den Abstand und/oder die Überlappungsfläche zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden 63, 64, über den Abstand und/oder die Überlappungsfläche zwischen der Gegenelektrode 62' und der Flächenelektrode 62 und dergleichen. Optional ist denkbar, die Quadraturkompensationskraft 82 über die an die ersten Fingerelektroden 63 und die Flächenelektrode 62 angelegte Spannung zu steuern, wobei die erste Fingerelektrode 63 und die Flächenelektrode 62 vorzugsweise gemeinsam oder separat beschaltet werden.
In 2 ist eine schematische Aufsicht eines Teilbereichs eines Drehratensensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das Coriolis-Element 3 eine Aussparung 8 aufweist, in welcher die in 1 illustrierte Quadraturkompensationsstruktur 6 und ferner eine baugleiche weitere Quadraturkompensationsstruktur 6 angeordnet ist. Die weitere Quadraturkompensationsstruktur 6' ist gegenüber einer sowohl zur Haupterstreckungsebene 100, als auch zur ersten Richtung X senkrechten Spiegelebene 101, welche die Aussparung 8 mittig durchläuft, spiegelsymmetrisch ausgebildet, so dass von der Fingerelektrodenstruktur 60 und einer weiteren Fingerelektrodenstruktur 60' der weiteren Quadraturkompensationsstruktur 6' ausgehende Kräfte parallel zur Haupterstreckungsebene 100 sich gegenseitig kompensieren. Die Quadraturkompensationsstruktur 6 und die weitere Quadraturkompensationsstruktur 6' werden zum Ausgleich von fertigungsbedingten Toleranzen vorzugsweise getrennt beschaltet.
In 3 ist ein schematischer Verlaufs einer Quadraturkompensationskraft 90 eines Drehratensensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in 3 ein Diagramm 102 dargestellt ist, bei welchem auf der Abszisse 103 die Coriolis-Auslenkung und auf der Ordinate eine auf das Coriolis-Element 3 entlang der dritten Richtung Z wirkende Kraft auf getragen ist. Das Diagramm 102 zeigt dabei die erste Kompensationskraft 80, die zweite Kompensationskraft 81 und die Quadraturkompensationskraft 82 jeweils in Abhängigkeit der Coriolis-Auslenkung. Dabei ist zu sehen, dass die Steigung der ersten Kompensationskraft 80 mit zunehmender Coriolis-Auslenkung negativ ist, während die Steigung der zweiten Kompensationskraft 81 mit zunehmender Coriolis-Auslenkung positiv ist, so dass im Ergebnis die Quadraturkompensationskraft 82 als Summe aus erster und zweiter Kompensationskraft 80, 81 eine deutlich reduzierte Abhängigkeit von der Coriolis-Auslenkung aufweist.
In 4a, 4b, 5a, 5b, 6a und 6b sind schematische Ansichten von Kompensationskräften 80, 81 eines Drehratensensors 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche jeweils bei drei unterschiedlichen Coriolis-Auslenkungen des Coriolis-Elements 3 illustriert sind. In 5a und 5b ist eine Schnittbildansicht und eine Perspektivansicht der Quadraturkompensationsstruktur 6 in der Ausgangslage des Coriolis-Elements 3 dargestellt. In den 4a und 4b weist das Coriolis-Element 3 eine gegenüber der Ausgangslage positive, von dem Substrat 2 weggerichtete Coriolis-Auslenkung und in den 6a und 6b eine gegenüber der Ausgangslage negative, zum Substrat 2 hin gerichtete Coriolis-Auslenkung auf. Es ist zu sehen, dass der Betrag der ersten Kompensationskraft 80 in 4a und 4b (positive Coriolis-Auslenkung) kleiner und in den 6a und 6b (negative Coriolis-Auslenkung) größer ist, als in den 5a und 5b (Ausgangslage). Entsprechend ist auch der Betrag der zweiten Kompensationskraft 81 in 4a und 4b kleiner und in den 6a und 6b größer, als in den 5a und 5b. Die Summe aus erster und zweiten Kompensationskraft 80, 81 in Form der Quadraturkompensationskraft 82 ist hingegen in allen 5a bis 6b im Wesentlichen gleich groß.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 03/058167 A1 [0002]

Claims

Drehratensensor (1) mit einem Substrat (2) und einem relativ zum Substrat (2) beweglichen Coriolis-Element (3), wobei der Drehratensensor (1) Anregungsmittel zur Anregung einer Antriebsschwingung des Coriolis-Elements (3) entlang einer ersten Richtung (X) aufweist und wobei der Drehratensensor (1) Detektionsmittel zur Detektion einer Coriolis-Auslenkung des Coriolis-Elements (3) entlang einer zur ersten Richtung (X) senkrechten dritten Richtung (Z) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) eine Quadraturkompensationsstruktur (6) aufweist, welche sowohl eine Kammelektrodenstruktur (60), als auch eine Plattenkondensatorstruktur (61) umfasst.
Drehratensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenkondensatorstruktur (61) eine zu einer Haupterstreckungsebene (100) des Substrats (2) im Wesentlichen parallele Flächenelektrode (62) umfasst, welche am Substrat (2) befestigt ist und welche senkrecht zur dritten Richtung (Z) vorzugsweise zumindest teilweise zwischen dem Coriolis-Element (3) und dem Substrat (2) angeordnet ist.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammelektrodenstruktur (60) erste Fingerelektroden (63) und parallel zur ersten Richtung (X) in die ersten Fingerelektroden (63) eingreifende zweite Fingerelektroden (64) umfasst, wobei die ersten Fingerelektroden (63) vorzugsweise am Substrat (2) befestigt sind und wobei die zweiten Fingerelektroden (64) vorzugsweise am Coriolis-Element (3) befestigt sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Fingerelektroden (63) elektrisch leitfähig mit der Flächenelektrode (62) verbunden sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor (1) eine weitere Quadraturkompensationsstruktur (6') aufweist, welche eine weitere Kammelektrodenstruktur (60') und eine weitere Plattenkondensatorstruktur (61') umfasst, wobei die weitere Plattenkondensatorstruktur (61') bevorzugt eine zur Haupterstreckungsebene (100) im Wesentlichen parallele weitere Flächenelektrode umfasst und wobei die weitere Kammelektrodenstruktur (60') bevorzugt am Substrat (2) befestigte weitere erste Fingerelektroden und am Coriolis-Element (3) befestigte und parallel zur ersten Richtung (X) in die weiteren ersten Fingerelektroden eingreifende weitere zweite Fingerelektroden umfasst.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quadraturkompensationsstruktur (6) und die weitere Quadraturkompensationsstruktur (6') bezüglich einer sowohl zur Haupterstreckungsebene (100), als auch zur ersten Richtung (X) senkrechten Spiegelebene (101) spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Coriolis-Element (3) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) eine Aussparung (8) aufweist, in deren Bereich die Kammelektrodenstruktur (60) und/oder die weitere Kammelektrodenstruktur (60') angeordnet sind.
Drehratensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quadraturkompensationsstruktur (6) und die weitere Quadraturkompensationsstruktur (6') derart ausgebildet sind, dass die Quadraturkompensationskraft (82) abhängig von der Antriebschwingung ist und/oder dass die Quadraturkompensationskraft (82) im Wesentlichen unabhängig von der Coriolis-Auslenkung ist.
Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsschritt die Antriebsschwingung des Coriolis-Elements (3) entlang der ersten Richtung (X) angeregt wird und in einem zweiten Betriebsschritt von der Quadraturkompensationsstruktur (6) eine Quadraturkompensationskraft (82) entlang der dritten Richtung (Z) auf das Coriolis-Element (3) derart erzeugt wird, dass eine Änderung einer von der Kammelektrodenstruktur (60) erzeugten ersten Kompensationskraft (80) in Abhängigkeit der Coriolis-Auslenkung und eine Änderung einer von der Plattenkondensatorstruktur (61) erzeugten zweiten Kompensationskraft (81) in Abhängigkeit der Coriolis-Auslenkung zumindest teilweise gegenseitig kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quadraturkompensationskraft (82) derart erzeugt wird, dass die Quadraturkompensationskraft (82) abhängig von der Antriebschwingung ist und/oder dass die Quadraturkompensationskraft (82) im Wesentlichen unabhängig von der Coriolis-Auslenkung ist.