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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Diese Drehratensensoren umfassen üblicherweise substratfeste Antriebseinrichtungen, die mit der ersten bzw. zweiten Antriebseinrichtung derart wechselwirken, dass die erste Struktur und die zweite Struktur jeweils aus ihren Ruhelagen ausgelenkt werden. Hierbei sind die erste Struktur und die zweite Struktur zu einer im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung im Wesentlichen parallel zu einer Antriebsrichtung anregbar. Häufig umfassen die aus dem Stand der Technik bekannten Drehratensensoren ferner eine Kopplungsstruktur zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur um eine gegenphasige Schwingung der ersten Struktur gegenüber der zweiten Struktur sicherzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Drehratensensor auf einer relativ zum Stand der Technik geringen Substratfläche auf einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Weise ermöglicht wird, da für die mikromechanische Struktur lediglich eine relativ zum Stand der Technik geringe Substratfläche zur Detektion von Drehraten benötigt wird. Hierbei wird auf die Verwendung von substratfesten Antriebskämmen verzichtet. Dies wird dadurch erreicht, dass die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung zur gemeinsamen Auslenkung sowohl
- – der ersten Struktur aus einer Ruhelage der ersten Struktur im Wesentlichen parallel zu einer Antriebsrichtung als auch
- – der zweiten Struktur aus einer Ruhelage der zweiten Struktur im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung
durch eine Wechselwirkung zwischen der ersten Antriebseinrichtung und der zweiten Antriebseinrichtung derart angeordnet sind, dass die erste Struktur und die zweite Struktur zu einer im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung mit jeweils einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung anregbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor erfolgt über die Antriebseinrichtungen eine Kopplung zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur derart, dass die Strukturen in die gegenphasige Schwingung versetzbar sind. Somit kann, abhängig von Stärke des Antriebs und der Dämpfung im System auf eine Kopplungsstruktur zwischen der ersten Struktur und der zweiten Struktur verzichtet werden. Die hier vorgeschlagene kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Drehratensensors ermöglicht ferner eine bessere Reduktion von Störmoden sowie eine verbesserte Optimierung von Vibrations- und Stressempfindlichkeiten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Struktur eine erste Rahmenstruktur umfasst, wobei sich die erste Rahmenstruktur im Wesentlichen in einer ersten Ebene im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt, wobei die erste Struktur eine in der ersten Ebene zumindest teilweise von der ersten Rahmenstruktur umgebende erste Detektionsstruktur zum Detektieren einer Kraftwirkung auf die erste Struktur entlang einer Detektionsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zu der Detektionsrichtung aufweist, wobei die zweite Struktur eine zweite Rahmenstruktur umfasst, wobei sich die zweite Rahmenstruktur im Wesentlichen in der ersten Ebene erstreckt, wobei die zweite Struktur eine in der ersten Ebene zumindest teilweise von der zweiten Rahmenstruktur umgebende zweite Detektionsstruktur zum Detektieren einer Kraftwirkung auf die zweite Struktur entlang einer Detektionsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors um eine Achse im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zu der Detektionsrichtung aufweist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ein Drehratensensor vorgeschlagen, wobei in der Messung einer anliegenden physikalischen Größe zwischen einer am Drehratensensor anliegenden Drehrate und einer am Drehratensensor anliegenden Linearbeschleunigung unterschieden werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor mindestens eine auf dem Substrat angeordnete erste Elektrode und/oder mindestens eine auf dem Substrat angeordnete zweite Elektrode umfasst, wobei sich die erste Elektrode im Wesentlichen entlang einer Ebene parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt, wobei die erste Elektrode zumindest teilweise zwischen der ersten Struktur und dem Substrat angeordnet ist, wobei sich die zweite Elektrode im Wesentlichen entlang einer Ebene parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt, wobei die zweite Elektrode zumindest teilweise zwischen der zweiten Struktur und dem Substrat angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass eine am Drehratensensor anliegende Drehrate kapazitiv ermittelbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Antriebseinrichtung mindestens eine erste Kammstruktur umfasst, wobei die zweite Antriebseinrichtung mindestens eine zweite Kammstruktur umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass auf einfache, kostengünstige und mechanisch robuste Weise die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Ferner wird hierdurch ermöglicht, dass bei zum Stand der Technik vergleichbarer Auslenkung der ersten Struktur und der zweiten Struktur die Kammstrukturen der Antriebseinrichtung doppelt so tief ineinander eintauchen und somit bei gleicher Antriebsspannung eine gegenüber dem Stand der Technik im Wesentlichen doppelte Energie bereit gestellt wird. Des Weiteren wird durch eine zwischen der ersten Kammstruktur und der zweiten Kammstruktur zum Antrieb der ersten Struktur und der zweiten Struktur wirkende Wechselwirkung ermöglicht, sodass eine mit dem Stand der Technik vergleichbare Antriebskraft mit einer von einer Chargepump in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) erzeugten im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen halben Spannungsdifferenz mithilfe einer Umpolung erreichbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Kammstruktur mit der ersten Rahmenstruktur und/oder mit der ersten Detektionsstruktur verbunden ist, wobei die zweite Kammstruktur mit der zweiten Rahmenstruktur und/oder mit der zweiten Detektionsstruktur verbunden ist. Auf vorteilhafter Weise werden somit ein Antrieb der ersten Struktur über die erste Rahmenstruktur und/oder über die erste Detektionsstruktur sowie ein Antrieb der zweiten Struktur über die zweite Rahmenstruktur und/oder über die zweite Detektionsstruktur möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Kammstruktur im Wesentlichen elektrisch von der ersten Rahmenstruktur isoliert ist und/oder im Wesentlichen elektrisch von der ersten Detektionsstruktur isoliert ist, wobei die zweite Kammstruktur im Wesentlichen elektrisch von der zweiten Rahmenstruktur isoliert ist und/oder im Wesentlichen elektrisch von der zweiten Detektionsstruktur isoliert ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass eine für den Fachmann bekannte elektrische Verschaltung verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Kammstruktur im Wesentlichen elektrisch leitend mit der ersten Rahmenstruktur verbunden ist und/oder im Wesentlichen elektrisch leitend mit der ersten Detektionsstruktur verbunden ist, wobei die zweite Kammstruktur im Wesentlichen elektrisch leitend mit der zweiten Rahmenstruktur verbunden ist und/oder im Wesentlichen elektrisch leitend mit der zweiten Detektionsstruktur verbunden ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Antrieb und Detektion in einem Multiplexbetrieb und/oder als geeignete Überlagerung von Auswert- und Antriebssignalen erfolgen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Struktur eine erste Antriebdetektionseinrichtung umfasst, wobei die zweite Struktur eine zweite Antriebdetektionseinrichtung umfasst, wobei die erste Antriebdetektionseinrichtung und die zweite Antriebdetektionseinrichtung zur Detektion der gemeinsamen Auslenkung sowohl
- – der ersten Struktur aus einer Ruhelage der ersten Struktur im Wesentlichen parallel zu einer Antriebsrichtung als auch
- – der zweiten Struktur aus einer Ruhelage der zweiten Struktur im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung
durch eine Wechselwirkung zwischen der ersten Antriebdetektionseinrichtung und der zweiten Antriebdetektionseinrichtung angeordnet sind. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass die Antriebsdetektion des erfindungsgemäßen Drehratensensors auf einer geringen Substratfläche bereitgestellt wird. Des Weiteren wird hierdurch ermöglicht, dass Phasenungenauigkeiten und/oder ortsabhängige Amplitudenunterschiede minimiert werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Antriebdetektionseinrichtung mindestens eine erste Detektionskammstruktur umfasst, wobei die zweite Antriebdetektionseinrichtung mindestens eine zweite Detektionskammstruktur umfasst. Auf vorteilhafte Weise wird somit eine einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Antriebsdetektion bereitgestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor einen elektrischen Anschluss umfasst, wobei der elektrische Anschluss für die erste Antriebseinrichtung und für die zweite Antriebseinrichtung vorgesehen ist und/oder wobei der elektrische Anschluss für die erste Detektionsstruktur und die zweite Detektionsstruktur vorgesehen ist. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein Drehratensensor bereitgestellt, welcher auf einfache Weise sowohl angetrieben wird als auch ein Messsignal aufgrund einer an dem Drehratensensor anliegenden physikalischen Größe bereitstellt.
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist für die Detektion von Drehraten um eine Achse vorgesehen, jedoch ist insbesondere auch die Verwendung der hier dargestellten Merkmale für mehrachsige Drehratensensoren, d.h. für Drehratensensoren zur Messung von Drehraten um bis zu drei zueinander senkrecht verlaufende Achsen, vorgesehen. Bevorzugt ist der gegenseitige Antrieb von gegenüber dem Substrat und gegenüber einander beweglichen Strukturen vorgesehen. Bevorzugt sind auch Koppelstrukturen für die Übertragung von Antriebsbewegungen vorgesehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der schematischen Darstellung des Drehratensensors gemäß 1.
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2b zeigt eine Schnittansicht des Drehratensensors gemäß 2a auf eine Schnittfläche eines Schnitts entlang der Linie I-I in 2a.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Drehratensensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Substrat 3 mit einer Haupterstreckungsebene 100, eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche erste Struktur 5 und eine gegenüber dem Substrat 3 und gegenüber der ersten Struktur 5 bewegliche zweite Struktur 7 umfasst. Hierbei umfasst die erste Struktur 5 eine erste Antriebseinrichtung 9 und die zweite Struktur 7 eine zweite Antriebseinrichtung 11. Die erste Antriebseinrichtung 9 und die zweite Antriebseinrichtung 11 umfassen beispielsweise wie in 1 dargestellt eine erste Kammstruktur 31 bzw. eine zweite Kammstruktur 33 und sind zur gemeinsamen Auslenkung sowohl der ersten Struktur 5 als auch der zweiten Struktur 7 aus einer Ruhelage der jeweiligen Struktur 5, 7 jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Antriebsrichtung 13 durch eine Wechselwirkung zwischen der ersten Antriebseinrichtung 9 und der zweiten Antriebseinrichtung 11 derart angeordnet, dass die erste Struktur 5 und die zweite Struktur 7 zu einer im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung mit jeweils einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung 13 anregbar sind.
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Bei dem in der 1 dargestellten Drehratensensor 1 umfasst die erste Struktur 5 eine erste Rahmenstruktur 15 sowie eine erste Detektionsstruktur 19 und die zweite Struktur 7 eine zweite Rahmenstruktur 21 sowie eine zweite Detektionsstruktur 23. Hierbei sind die erste Detektionsstruktur 19 und die zweite Detektionsstruktur 23 jeweils zum Detektieren einer Kraftwirkung auf die erste Struktur 5 und zum Detektieren einer Kraftwirkung auf die zweite Struktur 7 entlang einer Detektionsrichtung 25 aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors 1 um eine Achse im Wesentlichen parallel zu einer Richtung 35 angeordnet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Kammstruktur 31 mit der ersten Rahmenstruktur 15 verbunden und die zweite Kammstruktur 33 ist mit der zweiten Rahmenstruktur 21 verbunden. Denkbar und ebenfalls bevorzugt ist jedoch alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die erste Kammstruktur 31 mit der ersten Detektionsstruktur 19 verbunden ist und/oder, dass die zweite Kammstruktur 33 mit der zweiten Detektionsstruktur 23 verbunden ist.
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In 2a ist ein vergrößerter Ausschnitt der schematischen Darstellung des Drehratensensors gemäß 1 dargestellt. In 2b ist eine Schnittansicht des Drehratensensors auf eine Schnittfläche eines Schnitts entlang der Linie I-I in 2a dargestellt. 2b zeigt eine auf dem Substrat 3 angeordnete erste Elektrode 27, welche sich entlang einer Ebene im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 erstreckt und zumindest teilweise zwischen der ersten Struktur 5 und dem Substrat 3 angeordnet ist. Der in 1 dargestellte Drehratensensor umfasst eine auf dem Substrat angeordnete zweite Elektrode 29, welche sich entlang einer Ebene im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 erstreckt und zumindest teilweise zwischen der zweiten Struktur 7 und dem Substrat 3 angeordnet ist.
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Die erste Struktur 5 und die zweite Struktur 7 des in 1, 2a und 2b dargestellten Drehratensensors umfassen bevorzugt zusätzlich und optional eine nicht dargestellte und bevorzugt eine erste Detektionskammstruktur umfassende erste Antriebdetektionseinrichtung bzw. eine nicht dargestellte und bevorzugt eine zweite Detektionskammstruktur umfassende zweite Antriebdetektionseinrichtung. Dabei sind die erste Antriebdetektionseinrichtung und die zweite Antriebdetektionseinrichtung zur Detektion der gemeinsamen Auslenkung sowohl der ersten Struktur 5 als auch der zweiten Struktur 7 aus der jeweiligen Ruhelage der Strukturen 5, 7 im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung 13 durch eine Wechselwirkung zwischen der ersten Antriebdetektionseinrichtung und der zweiten Antriebdetektionseinrichtung angeordnet.
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Des Weiteren umfasst der Drehratensensor 1 einen nicht dargestellten elektrischen Anschluss. Bevorzugt ist der elektrische Anschluss sowohl für die erste Antriebseinrichtung 9 als auch für die zweite Antriebseinrichtung 11 vorgesehen und/oder sowohl für die erste Detektionsstruktur 19 als auch für die zweite Detektionsstruktur 23 vorgesehen.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines Drehratensensors 1 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der in 3 dargestellte Drehratensensor 1 im Wesentlichen dem in 1, 2a und 2b dargestellten Drehratensensor 1 entspricht, wobei jedoch bei dem in 3 dargestellten Drehratensensor 1 die erste Kammstruktur 31 im Wesentlichen elektrisch von der ersten Rahmenstruktur 15 und im Wesentlichen elektrisch von der ersten Detektionsstruktur 19 isoliert ist. Genauso ist auch die zweite Kammstruktur 33 im Wesentlichen elektrisch von der zweiten Rahmenstruktur 21 und im Wesentlichen elektrisch von der zweiten Detektionsstruktur 23 isoliert. Die elektrische Isolation ist in 3 mithilfe von elektrischen Isolationsbereichen 37 dargestellt.
