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Die Erfindung geht aus von einer Elektrodenanordnung für einen Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einem Drehratensensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 und einem entsprechenden Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Stand der Technik
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Elektrodenanordnungen, insbesondere solche für Drehratensensoren, sind bekannt. Diese weisen zum Beispiel Elektrodenanordnungen auf, welche als in einer Ebene schwingfähige Masseelemente ausgebildeten Strukturen besitzen. Diese Strukturen werden einer periodischen Linearbewegung in der Ebene mittels geeigneter Antriebseinrichtungen unterworfen. Wirkt nun auf diese in der Ebene schwingende Schwingstruktur aufgrund einer Drehbewegung eine Coriolisbeschleunigung, so wird diese quer zu der Ebene ausgelenkt. Die entstehende Auslenkung wird kapazitiv erfasst und ausgewertet.
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Aus der
WO 97/02467 ist ein Drehratensensor bekannt, bei der eine Auslenkung senkrecht zur Ebene mit Gegenelektroden erfasst wird. Diese als Detektionselektroden ausgebildeten Gegenelektroden sind unterhalb der Schwingstruktur angebracht.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Elektrodenanordnung für einen Drehratensensor, einen Drehratensensor und ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehrate zur Verfügung zu stellen, welche die Grundfläche der Elektrodenanordnung besser ausnutzt und die erreichbare Meßgenauigkeit erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass durch die beidseitige Anordnung der Gegenelektroden bei gleichem Flächenbedarf eine doppelt so große Meßkapazität im Vergleich zur einseitigen Anordnung zur Verfügung steht. Bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist vorgesehen, dass diese mehrere feste Gegenelektroden aufweist, wobei mindestens eine der Gegenelektroden auf einer Seite der Ebene und mindestens eine weitere der Gegenelektroden auf der anderen Seite der Ebene zur Bildung von mindestens einem Elektrodenpaar im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Messanordung beruht auf der Idee, die Fläche der Schwinganordnung optimal auszunutzen, und die Meßkapazität bei gleichem Flächenbedarf zu verdoppeln. Dies erfolgt durch eine beidseitige Anordnung von ortsfesten Gegenelektroden, die mit einer zur Schwingung anregbaren Elektrode eine Elektrodenanordnung bilden. Durch die beidseitige Anordnung der Gegenelektroden wird die Detektionskapazität bei gleichem Flächenbedarf verdoppelt. Diese Elektrodenanordnung kann sowohl für Detektionselektroden, als auch für Lagerückregelungselektroden oder für Antriebselektroden oder sonstige Kompensationselektroden (z. B. Quadraturkompensationselektroden) verwendet werden.
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Bei einer einseitigen Anordnung der ortsfesten Gegenelektroden bei Lagerückregelungselektroden kann die elektrostatische Kraft zur Lagerückregelung nur von einer Seite auf den Sensor wirken, was zu Unsymmetrien und einer verringerten Regelungsfähigkeit führt. Durch die erfindungsgemäße Masseanordnung, der beidseitigen Anordnung der Gegenelektroden, können diese Schwierigkeiten umgangen werden, zu dem wird auch der Aussteuerbereich vergrößert.
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Die Elektrodenanordnung lässt sich auch auf die Verwendung als Anordnung mit Antriebselektroden übertragen, die einen Antrieb aus der Ebene heraus oder entlang der Ebene regeln. Bei einer einseitigen Anordnung der ortsfesten Gegenelektroden bei Antriebselektroden ergibt sich ebenfalls eine unerwünschte Unsymmetrie und ein größerer Flächenbedarf. Diese Nachteile lassen sich durch eine beidseitige Anordnung der Gegenelektroden lösen, zu dem kann die Antriebseffizienz erhöht werden.
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Die Gegenelektroden sind in der Elektrodenanordnung auf einer Seite (anordnungs)fest und bilden mit weiteren (anordnungs)festen Gegenelektroden auf der anderen Seite der Ebene ein Elektrodenpaar. Unter dem Begriff fest oder anordnungsfest ist eine feste Position innerhalb der Elektrodenanordnung zu verstehen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 3, welcher eine vorstehend genannte Elektrodenanordnung und eine Schwinganordnung aufweist. Diese Schwinganordnung besitzt mindestens eine Elektrode und ist zu einer Schwingung in einer von der Elektrodenanordnung vorgegebenen Ebene und/oder senkrecht zu dieser vorgegebenen Ebene anregbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden mindestens zwei Elektrodenpaare verwendet. Diese sind jeweils gegenphasig auslenkenden Abschnitten der Schwinganordnung zugeordnet. Die jeweils eine Gegenelektrode des Elektrodenpaares ist jeweils mit einer anderen Gegenelektrode eines anderen Elektrodenpaares auf der anderen Seite der Ebene kurzgeschlossen. Dadurch entsteht eine differenzielle Verschaltung der Kapazitäten, welche die Messgenauigkeit weiter erhöht.
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Vorteilhafterweise besteht die Schwinganordnung dabei aus mindestens zwei Abschnitten, welche zum Beispiel durch eine Antriebseinrichtung zum Schwingen gebracht werden können. Die beiden Abschnitte sind dabei bevorzugt im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut und im Wesentlichen symmetrisch angeordnet. Zur Anregung der Schwinganordnung kann beispielsweise ein elektrostatischer Kammantrieb verwendet werden. Die beiden Abschnitte der Schwinganordnung bestehen vorzugsweise aus schwingfähigen Masseelementen, die gegenphasig zueinander schwingfähig angeordnet sind. Die gegenphasige Schwingung kann dabei eine translatorische oder eine rotatorische Schwingung sein. Störungen aufgrund von Querbeschleunigungen, die auf beide Abschnitte in gleicher Richtung wirken, können leicht eliminiert werden. Bei der differenziellen Verschaltung mitteln sich diese Störungen automatisch heraus.
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Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die schwingfähigen Masseelemente über Federelemente miteinander und über weitere Federelemente mit der Meßanordnung in Ankerpunkten verbunden sind.
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Es ist von Vorteil, wenn die Gegenelektroden an ihrer zu den schwingfähigen Masseelementen ausgerichteten Elektrodenoberflächen kleinere Flächen aufweisen, als eine korrespondierende Oberfläche der zugeordneten schwingfähigen Masseelemente. Hierdurch wird erreicht, dass die Gegenelektroden zu jedem Zeitpunkt der Bewegung der schwingfähigen Masseelemente auf der Höhe der zugeordneten Gegenelektroden verbleiben.
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Der Drehratensensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Drehrate. Die Drehrate wird aus der gemessenen Kapazitätsdifferenz der Kapazitäten der mindestens einen Elektrode der Schwinganordnung mit den Gegenelektroden des zugeordneten Elektrodenpaars und zumindest eines Schwingungsparameters der Schwingung ermittelt. Dieser Schwingungsparameter ist insbesondere eine zeitabhängige Position eines Referenzpunktes der Schwinganordnung. Der Schwingungsparameter wird dabei bevorzugt mittels einer Sensorvorrichtung ermittelt. Diese Sensorvorrichtung kann zum Beispiel ein elektrostatischer Kamm sein, wobei die schwingfähigen Masseelemente ebenfalls einen beweglichen Kamm besitzen, und mit einem feststehenden auf dem Substrat angeordneten Kamm einen Kondensator bildet. Dadurch kann die Schwingung in der vorgegebenen Ebene erfasst werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ermittlung einer Drehrate mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mehrere Gegenelektroden beidseitig der Ebene paarweise im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Auslenkung durch eine Messung einer Kapazitätsdifferenz der Kapazitäten der mindestens einen Elektrode mit den Gegenelektroden des Elektrodenpaars ermittelt wird.
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Die Elektrode wird zu einer Bewegung in einer Ebene eines Bezugsystems der Elektrodenanordnung angeregt, und die Elektrodenanordnung erfasst kapazitiv mit mindestens einer im Bezugssystem ortsfesten Gegenelektrode eine Auslenkung des zumindest die Elektrode aufweisenden Abschnitts der Schwinganordnung quer zur Ebene. Es sind dabei mehrere Gegenelektroden beidseitig der Ebene paarweise im Wesentlichen spiegelsymmetrisch angeordnet und die Auslenkung wird durch eine Messung einer Kapazitätsdifferenz der Kapazitäten ermittelt. Dies hat gegenüber einer Messung einer Kapazität mittels eines einfachen Elektroden-Gegenelektroden-Paares den Vorteil, dass bei gleichem Flächenbedarf eine doppelt so große Meßkapazität zur Verfügung steht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Drehrate aus der gemessenen Kapazitätsdifferenz und mindestens eines ermittelten Schwingungsparameters der Schwingung ermittelt.
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Die obere Gegenelektrode kann durch eine strukturierte Kappe realisiert werden, die nachträglich aufgebracht wird oder durch weitere Schichtabscheidungen im Prozess dargestellt wird.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Draufsicht auf einen Drehratensensor mit einer Elektrodenanordnung und
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2: eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung in dem Drehratensensor der 1
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Ausführungsform der Elektrodenanordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Elektrodenanordnung 1 ist in diesem Beispiel in einem Drehratensensor 2 verbaut und damit Teil dieses Drehratensensors 2.
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Der Drehratensensor 2 weist eine Schwinganordnung 3 auf, welche aus zwei Abschnitten 4, 5 besteht. Die zwei Abschnitte 4, 5 sind symmetrisch gleich ausgebildet und symmetrisch angeordnet. Sie bestehen dabei aus Federelementen 6, 7 und aus schwingfähigen Masseelementen 8, 9 (die sogenannten „Coriolis-Elemente”). Die Masseelemente 8, 9 haben die gleichen Massen. Die Schwinganordnung 3 ist in einer nicht gezeigten Halterung der Elektrodenanordnung 1 über Ankerpunkte 10 schwingfähig befestigt. Jedes der Masseelemente 8, 9 ist über je ein Federelement 6 mit zwei Ankerpunkten 10 verbunden und die beiden Masseelemente 8, 9 sind zusätzlich über zwei weitere Federelemente 7 miteinander verbunden. Die beiden Abschnitte 4, 5 ergeben sich jeweils aus den Federelementen 6, die das zugehörige Masseelement 8, 9 mit den jeweiligen Ankerpunkten 10 verbindet, und jeweils einem Teil der die beiden Masseelemente 8, 9 miteinander federnd verbindenden Federelemente 7.
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Jeder Abschnitt 4, 5 weist zumindest eine Elektrode 11, 12 auf. Dazu sind die Masseelemente 8, 9 elektrisch leitfähige oder halbleitende Masseelemente, die die Elektroden 11, 12 selbst bilden. Alternativ sind die Elektroden 11, 12 zum Beispiel als beidseitig auf der Oberfläche 13, 14 jedes der Masseelemente 8, 9 angeordnete Elektroden 11, 12 ausgebildet.
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Die Ankerpunkte 10 liegen in einer Ebene 15 der Elektrodenanordnung 1. Diese Ebene 15 ist in der x-y-Ebene des in den 1 und 2 gezeigten Koordinatensystems aufgespannt. Die Schwinganordnung 3 ist in der Ebene 15 schwingfähig. Dazu können die Masseelemente 8, 9 der beiden Abschnitte 4, 5 der Schwinganordnung 3 in Phase miteinander oder gegenphasig zueinander schwingen.
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Quer zu den Oberflächen 13, 14 der Elektroden 11, 12 eines jeden der Masseelemente 8, 9 ist ein Elektrodenpaar 16, 17 mit jeweils zwei beidseitig der Elektroden 11, 12 angeordneten Gegenelektroden 18, 19 ortsfest in Bezug auf die Elektrodenanordnung 1 angeordnet. In 2 sind diese Gegenelektroden 18, 19 oberhalb und unterhalb der Masseelemente 8, 9 dargestellt. Die Gegenelektroden 18, 19 sind dabei fest auf einem Substrat der Elektrodenanordnung 1 angeordnet. Die feste Anordnung der Gegenelektroden 18, 19 auf dem Substrat erfolgt beispielsweise über eine Isolationsschicht, insbesondere eine Siliziumoxidschicht. Die Gegenelektroden 18, 19 weisen jeweils eine zu den schwingfähigen Masseelementen 8, 9 ausgerichtet Elektrodenoberfläche 20 auf, die kleiner ist, als eine korrespondierende Oberfläche 13, 14 der zugeordneten Elektrode 11, 12.
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Die Gegenelektroden 18, 19 sind einer Erfassungsvorrichtung des Drehratensensors 2 zur kapazitiven Erfassung einer Auslenkung der die Elektroden 11, 12 aufweisenden Abschnitte 4, 5 der Schwinganordnung 3 quer zur Ebene 15 zugeordnet.
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In 1 ist erkennbar, dass die Gegenelektroden 18, 19 mit ihrer Kontur der Kontur der als Elektroden 11, 12 ausgebildeten schwingfähigen Masseelemente 8, 9 angepasst sind. Die Gegenelektroden sind dazu so dimensioniert, dass sich die Kappazität zwischen Elektroden 11, 12 und den zugehörigen Gegenelektroden 18, 19 der Elektrodenpaare 17, 18 durch die Schwingung der Schwinganordnung 3 in der Ebene 15 nicht oder nur kaum ändert.
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Mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung – diese kann beispielsweise als elektrostatischer Kammantrieb ausgebildet sein – werden die schwingfähigen Masseelemente 8, 9 in der Ebene 15 zur Schwingung angeregt. Dabei bewegen sich die schwingfähigen Masseelemente 8, 9 gegenphasig zueinander. Dies ist erkennbar an den Pfeilen in der 1.
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Eine Detektion der Schwingbewegung der schwingenden Masseelementen 4, 5 erfolgt über nicht näher dargestellte Detektionsmittel, mittels derer mindestens ein Schwingungsparameter der Schwingung ermittelt wird. So kann beispielsweise eine elektrostatische Kammstruktur verwendet werden, bei der die schwingfähigen Masseelemente 8, 9 einen Kamm besitzen, der mit einem feststehenden auf dem Substrat angeordneten Kamm einen Kondensator bildet. Dadurch kann die planare Schwingbewegung kapazitiv erfasst werden.
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In 2 ist gezeigt, dass die Gegenelektroden 18, 19 der Elektrodenpaare 16, 17 „über Kreuz” miteinander verschaltet sind. Dazu ist jeweils eine Gegenelektrode 18 eines Elektrodenpaars 16, 17 auf der einen Seite der Ebene 15 mit jeweils einer Gegenelektrode 19 eines anderen Elektrodenpaars 17, 16 auf der anderen Seite der Ebene 15 kurzgeschlossen. Durch diese differenzielle Verschaltung der Kapazitäten wird die Messgenauigkeit erhöht. Der kapazitive Abgriff C1 erhält dabei die Daten der Gegenelektrode 18 des einen Elektrodenpaares 16 und die Daten der Gegenelektrode 19 des anderen Elektrodenpaares 16, und der kapazitive Abgriff C2 erhält die Daten der Gegenelektrode 19 des einen Elektrodenpaares 16 und die Daten der Gegenelektrode 18 des anderen Elektrodenpaares 17.
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Es ergibt sich folgende Funktion: Die Elektrodenanordnung 1 bzw. der Drehratensensor 2 ist auf oder an einer sich drehenden Einrichtung angeordnet, deren Drehrate bestimmt werden soll. Die Schwingung der Schwinganordnung 3 erfolgt – wie zum Beispiel in den 1 und 2 gezeigt – derart, dass die beiden Masseelemente 8, 9 in radialer Richtung der sich drehenden Einrichtung gegenphasig zueinander schwingen. Die Drehrate ist in diesem Beispiel also eine Drehrate ωy einer Drehung um die Y-Achse. Durch die Drehung der sich drehenden Einrichtung und die Schwingung ergibt sich eine resultierende Corioliskraft FC = 2m(v × ω), die auf die schwingenden Abschnitte 4, 5 der Schwinganordnung 3, insbesondere die beiden Masseelemente 8, 9 wirken, und diese quer (insbesondere senkrecht) zur Ebene 15 auslenken. Die Erfassung dieser Auslenkung quer zur Ebene 15 erfolgt kapazitiv über die Kapazitätsdifferenz(en) zwischen den Elektroden 11, 12 und den Gegenelektroden 18, 19 der Elektrodenpaare 16, 17. Anschließend wird die Drehrate aus dem Schwingungsparameter der Schwingung in der Ebene 15 und der Auslenkung aufgrund der Corioliskraft quer zur Ebene 15 mittels der Ermittlungseinrichtung ermittelt.
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Die Nutzung des Prinzips der Beidseitigen Gegenelektroden 18, 19 ist auch für eine Lagerückregelungseinrichtung und/oder die Antriebseinrichtung und/oder Kompensationselektroden und/oder sonstige Elektroden nutzbar. Auch bei derartigen Lagerückregelungs- und/oder Antriebseinrichtungen verdoppelt sich die Messkapazität bei gleichem Flächenbedarf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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