DE19519488A1 - Drehratensensor mit zwei Beschleunigungssensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Offenlegungsschrift DE-OS 40 32 559 ist bereits ein Drehratensensor bekannt, der eine Schwingmasse aufweist, die mittels Anregungsmitteln zur Schwingung angeregt wird, wobei auf der Schwingmasse eine auslenkbare Masse angeordnet ist. Wird die Schwingmasse in Schwingung versetzt und der Drehratensensor gedreht, so wirkt auf die auslenkbare Masse eine Corioliskraft, welche die auslenkbare Masse bewegt. Die Bewegung der auslenkbaren Masse wird über Auswertemittel erfaßt und somit die Corioliskraft bzw. die Drehrate ermittelt. Mit dem beschriebenen Drehratensensor ist es nur möglich, eine Drehung des Drehratensensors um eine einzige Drehachse zu messen. Jedoch ist es z. B. für ein Automobil vorteilhaft, die Drehung um die Längs- und um die Hochachse zu messen, um die Fahrsituation genau einschätzen zu können.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Drehungen um zwei Achsen gemessen werden können. Damit wird ein Drehratensensor ermöglicht, der zur Messung von Drehungen um zwei Achsen kostengünstiger herzustellen ist und kleiner aufgebaut ist.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drehratensensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, mindestens zwei Drehratensensoren auf einem gemeinsamen Träger anzuordnen, wobei die Drehratensensoren die Corioliskräfte für mindestens drei jeweils senkrecht aufeinander stehende Richtungen bestimmen. Auf diese Weise werden mit einer kompakten Bauform die Corioliskräfte aller Richtungen ermittelt.

Weiterhin ist es von Vorteil, zwei gleichartig aufgebaute Drehratensensoren anzuordnen und diese gegenphasig schwingen zu lassen, um somit über die Subtraktion der von den Drehratensensoren gelieferten Signale ein von linearen externen Störbeschleunigungen unabhängiges Signal zu erhalten, das in hohem Maße proportional zu den einwirkenden Corioliskräften ist.

Besonders vorteilhaft ist es, die Aufhängung der Massen so auszubilden, daß eine Auslenkung in Schwingungsrichtung der Schwingungsmassen unterdrückt wird. Damit wird der Drehratensensor unempfindlich gegen Störungen, die durch das Schwingen der Schwingmasse erzeugt werden und das Meßsignal wird nicht von der Schwingung der Drehratensensoren verfälscht.

Eine bevorzugte Ausbildung des Drehratensensors besteht darin, eine erste Masse in Form einer Siliziumplatte, die auf Stegen aufgehängt ist, anzuordnen. Die Siliziumplatte ist dabei parallel zur Schwingungsrichtung der Schwingmasse auf der Schwingmasse angeordnet. Dadurch ist ein guter Nachweis einer senkrecht zur Schwingungsrichtung der Schwingmasse einwirkenden Corioliskraft möglich.

Zudem ist es von Vorteil, eine zweite auslenkbare Masse anzuordnen, die eine kammartige Struktur aufweist, wobei die kammartige Struktur in eine weitere kammartige Struktur eingreift und die kammartige Struktur und die weitere kammartige Struktur Kondensatorflächen darstellen. Die zweite auslenkbare Masse ist in der Ebene der Schwingungsrichtung der Schwingmasse auslenkbar angeordnet. Auf diese Weise ist ein präziser Nachweis einer Corioliskraft möglich, die senkrecht zur Schwingungsrichtung zur Schwingmasse auftritt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste auslenkbare Masse, Fig. 2 die erste auslenkbare Masse im Querschnitt, Fig. 3 eine zweite auslenkbare Masse mit Kammstruktur und Fig. 4 zwei Drehratensensoren.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt ein Siliziumsubstrat 1, auf dem vier Anschlußstücke 5 aufgebracht sind. Die Anschlußstücke 5 sind so angeordnet, daß sie die Eckpunkte eines Rechteckes bilden. Zwischen den vier Anschlußstücken 5 ist eine erste Masse 2 angeordnet, die durch eine quadratische Siliziumplatte gebildet wird. Die erste Masse 2 weist an jeder Ecke einen Steg 3 auf. Jeder Steg 3 ist zu dem Anschlußstück 5 geführt, das dem Steg 3 am nächsten liegt. Die Stege 3 sind ebenfalls aus Silizium gebildet. Die erste Masse 2 ist über die Stege 3 über dem Siliziumsubstrat 1 in senkrechter Richtung zum Siliziumsubstrat 1 auslenkbar angeordnet (Fig. 2). Die Stege 3 sind dabei so ausgebildet, daß nur eine senkrechte Auslenkung der ersten Masse 2 zum Träger 1 möglich ist. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß die Stege 3 in der Ebene parallel zur Siliziumplatte besonders breit ausgebildet sind. Vom Siliziumsubstrat 1 führt eine erste Leitung 4 zu einer ersten Auswerteschaltung 27. Von der ersten Masse 2 führt eine zweite Leitung 10 zu einem zweiten Eingang der ersten Auswerteschaltung 27.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1 im Schnitt A-A. Das Siliziumsubstrat 1 ist als quadratischer Block dargestellt, auf dem zwei Anschlußstücke 5 aufgebracht sind. Zwischen den Anschlußstücken 5 ist die erste Masse 2 angeordnet, die über jeweils einen Steg 3 mit jeweils einem Anschlußstück 5 verbunden ist. In der Fig. 2 ist die durch die Corioliskraft erzeugbare Auslenkung der ersten Masse 2 mit einem Pfeil schematisch eingezeichnet.

Die Anordnung nach Fig. 1 und Fig. 2 funktioniert wie folgt:
Wird der Drehratensensor gedreht und dadurch die erste Masse 2 durch eine einwirkende Corioliskraft senkrecht zum Siliziumsubstrat 1 ausgelenkt, so erfaßt die Auswerteschaltung 27 diese Auslenkung beispielweise mittels einer kapazitiven Messung, wenn die zugeordneten Oberflächen der ersten Masse 2 und des Trägers 1 als Elektroden ausgebildet sind. Die Auslenkung ist proportional zur Drehung um eine vorgegebenen Drehachse, so daß die Drehgeschwindigkeit errechnet werden kann.

Fig. 3 zeigt einen in der Ebene des Drehratensensors auslenkbaren Beschleunigungssensor 25, der aus einem Siliziumsubstrat 1 besteht, auf dem zwei rechteckförmige, längliche Befestigungsteile 6, 15 angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet sind und einen festgelegten Abstand zueinander aufweisen. An den Enden der Befestigungsteile 6, 15 ist jeweils ein Befestigungssteg 7, 17, 18, 19 angebracht, der in Richtung auf das andere Befestigungsteil 15, 6 geführt ist und in der Mitte zwischen den beiden Befestigungsteilen an einer zweiten Masse 8 befestigt ist. Die zweite Masse 8 ist ebenfalls als längliche Rechteckform ausgebildet.

Die zweite Masse 8 wird von den vier Befestigungsstegen 7, 17, 18, 19 auslenkbar und über dem Siliziumsubstrat 1 schwebend gehalten. Die Befestigungsstege 7, 17, 18, 19 sind so ausgebildet, daß die zweite Masse 8 nur senkrecht zu der Ausrichtung der Befestigungsstege 7, 17, 18, 19 bewegbar ist. Dies wird z. B. dadurch erzielt, daß die Befestigungsstege 7, 17, 18, 19 eine große Höhe im Vergleich zur Breite aufweisen, so daß eine Verbiegung der Befestigungsstege 7, 17, 18, 19 in der Höhe nicht, jedoch eine Verbiegung seitlich gut möglich ist.

Die zweite Masse 8 ist somit nur parallel zu der Ausrichtung der Befestigungsteile 6, 15 auslenkbar. Die zweite Masse 8 weist in Richtung des ersten Befestigungsteiles 6 und in Richtung des zweiten Befestigungsteiles 15 jeweils 4 Stäbe 24 auf, die senkrecht zur zweiten Masse 8 in Richtung des ersten bzw. des zweiten Befestigungsteiles 6, 15 geführt sind. Die Stäbe 24 sind kammartig in einem festgelegten Abstand zueinander parallel angeordnet. Zwischen dem ersten Befestigungsteil 6 und den Stäben 24 ist ein zweiter Befestigungssteg 16 auf dem Siliziumsubstrat 1 aufgebracht. Der zweite Befestigungssteg 16 ist parallel zum ersten Befestigungsteil 6 angeordnet und weist eine längliche Rechteckform auf. Der zweite Befestigungssteg 16 ist annähernd so lang wie das erste Befestigungsteil 6 und wird in länglicher Richtung von den Biegestegen 17, 18 des ersten Befestigungsteiles 6 begrenzt. Der zweite Befestigungssteg 16 weist ebenfalls Stäbe 24 auf, die in Richtung auf die zweite Masse 8 geführt sind. Die Stäbe 24 des zweiten Befestigungsteiles 6 und die Stäbe 24 der zweiten Masse 8, die in Richtung des zweiten Befestigungssteges 16 angeordnet sind, bilden zwei ineinandergreifende Kammstrukturen.

Ebenso ist zwischen dem zweiten Befestigungsteil 15 und der zweiten Masse 8 ein erster Befestigungssteg 9 angeordnet, der parallel zum zweiten Befestigungsteil 15 ausgerichtet ist und eine längliche Rechteckform aufweist. Der erste Befestigungssteg 9 weist Stäbe 24 auf, die in Richtung der zweiten Masse 8 ausgerichtet sind und die in festgelegten Abständen zueinander angeordnet sind. Die Stäbe 24 der zweiten Masse 8, die in Richtung des ersten Befestigungssteges 9 angeordnet sind, und die Stäbe des ersten Befestigungssteges 9, die in Richtung der zweiten Masse 8 angeordnet sind, bilden ebenfalls zwei ineinandergreifende kammförmige Strukturen.

Der erste Befestigungssteg 9 und der zweite Befestigungssteg 16 sind fest mit dem Siliziumsubstrat 1 verbunden. Das erste Befestigungsteil 6 ist über eine vierte Leitung 12 mit einer zweiten Auswerteschaltung 28 verbunden. Der zweite Befestigungssteg 16 ist über eine dritte Leitung 11 mit der zweiten Auswerteschaltung 28 verbunden. Das zweite Befestigungsteil 15 ist über eine fünfte Leitung 13 mit einer dritten Auswerteschaltung 29 verbunden. Ebenso ist der erste Befestigungssteg 9 über eine sechste Leitung 14 mit der dritten Auswerteschaltung 29 verbunden.

Die Anordnung nach Fig. 3 funktioniert wie folgt:
Bei Auslenkung der zweiten Masse 8 durch eine einwirkende Corioliskraft verändern sich die Abstände der Stäbe 24 der zweiten Masse 8 relativ zu den Stäben 24 des ersten Befestigungssteges 9 und zu den Stäben 24 des zweiten Befestigungssteges 16. Diese Abstandsänderung wird von der zweiten Auswerteschaltung 28 und der dritten Auswerteschaltung 29 in Form einer kapazitiven Messung ermittelt. Somit ist die Auslenkung der zweiten Masse 8 über eine kapazitive Messung ermittelbar.

Fig. 4 zeigt zwei Drehratensensoren 30, 31, die jeweils aus einem Siliziumsubstrat 1 bestehen, das eine längliche Rechteckform aufweist. Die Ecken des Siliziumsubstrates 1 sind über jeweils einen Schwingungssteg 23 mit einem Rahmen 20 verbunden. Der Rahmen 20 ist als Träger für den Drehratensensor bzw. die Drehratensensoren ausgebildet. Auf dem Siliziumsubstrat 1 der Drehratensensoren 30, 31 ist jeweils ein Beschleunigungssensor entsprechend Fig. 1 und Fig. 3 aufgebracht. Die zu den Beschleunigungssensoren 30, 31 gehörenden ersten, zweiten und dritten Auswerteschaltungen 27, 28, 28 entsprechend Fig. 1 und Fig. 3 wurden der Einfachheit halber in Fig. 4 nicht eingezeichnet.

Der Rahmen 20 ist ebenfalls aus Silizium gebildet. Anstelle eines Rahmens 20 kann auch eine Siliziumplatte angeordnet sein. Der erste und der zweite Drehratensensor 30, 31 sind über die Schwingungsstege 23 auslenkbar gelagert. Fig. 4 zeigt schematisch Antriebsmittel 21, die den ersten und zweiten Drehratensensor 30, 31 in eine Schwingung versetzen.

Die Drehratensensoren 30, 31 sind parallel zueinander angeordnet. Die Schwingungsrichtung der Schwingmassen 22, der Drehratensensoren 30, 31 ist senkrecht zur Längserstreckung der Siliziumsubstrate 1 ausgerichtet. Die Schwingungsrichtung ist neben der Fig. 4 in Form eines Pfeiles mit dem Buchstaben v angedeutet. Die planaren Beschleunigungssensoren 25 sind auf den Drehratensensoren 30, 31 so angeordnet, daß eine Auslenkung durch Einwirkung einer Corioliskraft senkrecht zum Siliziumsubstrat 1 erfolgt. Die Auslenkrichtung der planaren Beschleunigungssensoren 25 ist mit einem Pfeil dargestellt, der mit a1 bezeichnet ist. Die zu der Corioliskraftrichtung a1 gehörende Drehachse des Drehratensensors ist mit w1 bezeichnet und in Fig. 4 eingezeichnet.

Die als Platten ausgebildeten Beschleunigungssensoren 26 messen die Corioliskraft in Richtung senkrecht auf das Siliziumsubstrat 1. Die entsprechende Richtung ist mit einem Pfeil mit der Bezeichnung a2 eingezeichnet. Der Corioliskraftrichtung a2 entspricht eine Drehachse des Drehratensensors, die mit einem Pfeil mit der Bezeichnung w2 ebenfalls dargestellt ist.

Die Anordnung nach Fig. 4 funktioniert wie folgt: Die Schwingmasse des ersten und des zweiten Drehratensensors 30, 31 werden mit Hilfe der Antriebsmittel 21 in eine Schwingung entsprechend der dargestellten Richtung v versetzt. Wird nun die gesamte Anordnung mit dem Rahmen 20 um eine erste Drehachse w1 gedreht, so werden die zweiten Massen 8 der planaren Beschleunigungssensoren 25 in Richtung a1 ausgelenkt und die zweite und dritte Auswerteschaltung 28, 29 ermittelt aus der Auslenkung eine entsprechende Corioliskraft in Richtung a1.

Wird nun der Rahmen 20 mit den Drehratensensoren 30, 31 um die zweite Drehachse w2 gedreht, so werden die ersten Massen 2 der senkrechten Beschleunigungssensoren 26 in Richtung auf die Schwingmassen 22 ausgelenkt. Diese Auslenkung wird mit Hilfe der ersten Auswerteschaltungen 27 gemessen und daraus eine in Richtung a2 wirkende Corioliskraft errechnet. Auf diese Weise werden die Corioliskräfte ermittelt, die in der Ebene liegen, die von der ersten Richtung a1 und der zweiten Richtung a2 aufgespannt wird.

Die Betätigungsmittel 21 können nach dem elektromagnetischen, dem thermomechanischen oder anderen Anregungsverfahren arbeiten. Die dargestellten Strukturen sind vorzugsweise aus einem monokristallinen Siliziumwafer in Oberflächenmikromechanik und Bulkmikromechanik herausstrukturiert. Dabei werden bekannte Verfahren wie trocken- oder naßchemisches Ätzen verwendet. Weiterhin können anisotropes elektrochemisches Ätzen mittels KOH oder trockenchemisches Ätzen verwendet werden. Die erste, zweite und dritte Auswerteschaltung 27, 28, 29 können ebenfalls in den Siliziumwafer integriert sein.

Die Drehratensensoren 30, 31 können auch durch die Anregungsmittel 21 zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden. Bei einer gegenphasigen Schwingung der Drehratensensoren 30, 31 werden die von den planaren Beschleunigungssensoren 25 ermittelten Signale und die von den senkrechten Beschleunigungssenoren 26 ermittelten Signale jeweils voneinander subtrahiert. Die Differenzbildung ermöglicht eine Kompensation der transversalen Beschleunigungen der planaren Beschleunigungssensoren 25 bzw. der senkrechten Beschleunigungssensoren 26 durch die Schwingungsanregung.

Zur Detektion einer dritten Drehachse kann ein weiterer Drehratensensor angeordnet werden, der entsprechend aufgebaut ist, so daß eine Corioliskraft bei einer Drehung um die dritte Drehachse entsprechend einem der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Prinzipien ermittelt wird. Die in den Figuren dargestellten Beschleunigungssensoren können selbstverständlich durch Beschleunigungssensoren ersetzt werden, die nach anderen Meßprinzipien aufgebaut sind. Die in Fig. 4 dargestellten Drehratensensoren 30, 31 können auch so angeordnet sein, daß sie im rechten Winkel zueinander schwingen. Entsprechend sind beliebige Kombinationen von parallel zueinander oder senkrecht zueinander schwingenden Drehratensensoren möglich.

Claims (6)

1. Drehratensensor (30, 31), vorzugsweise aus Silizium, mit mindestens einer in Schwingung versetzbaren Schwingmasse (1), mit Anregungsmitteln (21) zur Erzeugung der Schwingung, mit einer auf der Schwingmasse (1) angeordneten auslenkbaren ersten Masse (2) mit Auswertemitteln (27) zur Erfassung der Auslenkung der ersten Masse (2), dadurch gekennzeichnet, daß eine auslenkbare zweite Masse (8) auf der Schwingmasse (1) derart angeordnet ist, daß die Auslenkrichtung der ersten und der zweiten Masse (2, 8) nicht parallel zueinander und nicht parallel zur Schwingungsrichtung der Schwingmasse (1) ausgerichtet ist, und daß weitere Auswertemittel (28, 29) zur Erfassung der Auslenkung der zweiten Masse (8) angeordnet sind.

2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Drehratensensor auf einem gemeinsamen Träger mit dem Drehratensensor nach Anspruch 1 angeordnet ist, und daß der zweite Drehratensensor gegenphasig zum ersten Drehratensensor schwingt.

3. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängungen (3; 7, 18, 19) der ersten bzw. zweiten Massen (2; 8) so ausgebildet ist, daß eine hohe Steifigkeit in bezug auf eine Auslenkung in Schwingungsrichtung der Schwingmasse (1) auftritt.

4. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Masse (2) in Form einer senkrecht zur Schwingungsrichtung der Schwingmasse (1) auslenkbaren Siliziumplatte angeordnet ist.

5. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite auslenkbare Masse (8) eine erste Kammstruktur aufweist, die bei einer Auslenkung relativ gegen eine zweite Kammstruktur verschiebbar ist.

6. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gemeinsamen Träger (20) mehrere Drehratensensoren angeordnet sind, so daß die Drehungen des Trägers (20) um drei senkrecht aufeinander stehenden Drehachsen über den Nachweis von Corioliskräften ermittelbar sind.