DE4414237A1 - Mikromechanischer Schwinger eines Schwingungsgyrometers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Schwinger ei­ nes Schwingungsgyrometers zur Erfassung der Drehrate (absolute Winkelgeschwindigkeit) nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 40 22 495 ist schon ein Schwingungsgyrometer bekannt, bei dem zwei Schwingmassen aus einem Silizi­ um-Halbleiter-Kristall herausstrukturiert sind. Bei dem bekann­ ten Schwingungsgyrometer tritt das Problem auf, daß die gegen­ phasige Schwingung der beiden Schwingmassen des Schwingungsgyro­ meters beispielsweise bei Temperaturwechsel nicht phasenstabil bleibt. Die bei einem Drehimpuls auftretende Coriolis-Kraft kann dabei nicht immer mit hinreichender Genauigkeit gemessen werden, so daß die Zuverlässigkeit dieses Sensors bei Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsforderungen, beispielsweise im Kraft­ fahrzeug, nicht erfüllt werden kann.

Ein weiteres Schwingungsgyrometer ist aus der Veröffentlichung "A micromichined comb-drive tuninng fork rate gyroscope", IEEE, Feb. 93, Seiten 143 bis 148 bekannt. Zwei in der Substratebene gegeneinander schwingende Schwingmassen sind so aufgehängt, daß sie sich unter dem Einfluß von Coriolis-Kräften in senkrechter Richtung zum Substrat bewegen können. Diese Bewegungen werden mit Hilfe von auf dem Substrat befindlichen festen Gegenelek­ troden elektrostatisch detektiert. Allerdings ist die Verwendung dieses Gyrometers in vibrationsreicher Umgebung, beispielsweise im Kraftfahrzeug weniger geeignet, da die Schwingerstruktur nicht nur die Anregungsschwingung der Schwingstruktur ausführt, sondern auch eingekoppelte Bewegungen der verbleibenden Frei­ heitsgrade aufnimmt. Das Meßergebnis kann dadurch verfälscht werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße mikromechanische Schwinger eines Schwin­ gungsgyrometers mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptan­ spruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Ausbildung der Aufhängefedern die beiden Schwingmassen, die über den Kop­ pelbereich mechanisch gekoppelt werden und sich somit gegensei­ tig anregen, absolut gegenphasig schwingen. Dadurch ergeben sich stabile Phasenverhältnisse, da Parameteränderungen wie Tempera­ turschwankungen oder unterschiedliche Massen der beiden Schwingmassen sich nicht störend auswirken dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der mikromechanische Schwinger des Schwingungs­ gyrometers mit separaten, exakt spezifizierten Sensoren, bei­ spielsweise zur Messung der Coriolis-Kräfte bestückt werden kann. Bei der Herstellung des Schwingers ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Fertigungstoleranzen relativ groß sein können und ein spezieller Abgleich nicht erforderlich ist. Die Herstel­ lung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schwingers ist da­ her besonders kostengünstig.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen mikromechanischen Schwingers möglich.

Eine besonders günstige konstruktive Lösung ist dadurch erreich­ bar, daß sowohl der Koppelbereich mit der Koppelmasse und den Schwingfedern als auch die Schwingmassen über wenigstens jeweils eine Aufhängefeder mit dem Substrat verbunden sind. Eine derar­ tige Anordnung ist mechanisch relativ stabil, insbesondere bei hohen Beschleunigungen, wie sie beispielsweise bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug auftreten können.

Um die Beeinflussung der Aufhängefeder möglichst gering zu hal­ ten, ist deren Federsteifigkeit sehr weich im Vergleich zu der der Schwingfedern.

Eine konstruktiv einfache Lösung ergibt sich, wenn um die Schwingmassen herum oder wenigstens teilweise ein Rahmen gebil­ det wird, der gleichzeitig als Koppelmasse ausgebildet ist und an den die beiden Schwingmassen über Schwingfedern mechanisch gekoppelt sind. Eine derartige Struktur läßt sich einfach mit bekannten Verfahren, beispielsweise aus einem Silizium-Wafer herausätzen.

Bei Verwendung des Rahmens als Koppelmasse wird die effektive Koppelmasse um so kleiner, je kleiner die Teile des Rahmens aus­ gebildet sind. Bei sehr kleinen Rahmenteilen ist die Masse der Koppelmasse nahezu null, so daß die Phasenbeziehung der beiden Schwingmassen durch die Koppelmasse nicht beeinflußt wird.

Bei Ausbildung des Drehratensensors aus Silizium-Material kann über entsprechende metallisierte Leitungen ein Strom über die Schwingmassen geführt werden. Befinden sich die Schwingmassen in einem elektromagnetischen Feld, das senkrecht zur Schwingebene wirkt, kann über den Strom die Schwingung der Schwingmassen an­ geregt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes mechanisches Ersatzschaltbild, Fig. 2 ein zweites mechanisches Ersatzschaltbild, Fig. 3 ein drittes Ersatzschaltbild, Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel und Fig. 7 zeigt ein viertes Aus­ führungsbeispiel.

Eine weitere kontaktlose Antriebsmöglichkeit ist durch die Ver­ wendung einer Kammstruktur (elektrostatisch, Reluktanzantrieb) gegeben.

Der Schwinger kann in Verbindung mit entsprechenden Beschleuni­ gungssensoren universell verwendet werden, beispielsweise zur Drehratenmessung in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Ro­ botern oder zur Messung von Turbulenzen in Flüssigkeiten oder Gasen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein mechanisches Ersatzschaltbild, bei dem zwei Schwingmassen 1, 2 dargestellt sind, die über zwei Schwingfedern 4, 5 verbunden sind. Zwischen den Schwingfedern 4, 5 ist ein Koppelbereich 3 mit einer Koppelmasse und Schwingfedern ange­ ordnet. Die Koppelmasse 3 ist mittels einer Aufhängefeder 6 mit einem äußeren Rahmen und dem Substrat 10 verbunden. Als Material für diesen Drehratensensor wird ein Halbleitermaterial, bevor­ zugt Silizium oder Siliziumverbindungen verwendet. Das Silizium wird dabei mit mikromechanischen Techniken so strukturiert, daß es sowohl die Massen als auch die Federn bildet. In diesem Blockschaltbild sind aus Übersichtlichkeitsgründen elektrische, metallisierte Zuleitungen weggelassen, mit denen die Massen in einem elektrostatischen oder elektromagnetischen Feld zur Schwingung erregt werden. Parallel zu den Federn 4, 5, 6 sind Dämpfungsglieder 7 angeordnet, die bei der Berechnung zur Ausle­ gung des Schwingungssystems zu berücksichtigen sind.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ersatzschaltbild, das einen ähnlichen Aufbau zwischen den beiden Schwingmassen 1, 2 und der Koppel­ masse 3 hat. In diesem Ersatzschaltbild sind jedoch die beiden Schwingmassen 1, 2 direkt über die Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbunden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ersatzschaltbild, das eine Kombination der beiden zuvor genannten Schaltbilder darstellt. Hier sind so­ wohl die beiden Schwingmassen 1, 2 als auch der Koppelbereich mit den Koppelmassen 3 über die Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbunden.

Im folgenden wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen die Funktionsweise dieser Anordnung erläutert. Der mikromechanische Schwinger wird auch als mechanisches Schwingungsgyrometer be­ zeichnet, wobei auf seinen Schwingmassen 1, 2 entsprechende Sen­ soren, z. B. Beschleunigungssensoren aufgebracht sind. Die aufge­ brachten Beschleunigungssensoren enthalten u. a. elektrische Schaltungen, deren Stromversorgung über Leiterbahnen erfolgt, die über die Aufhängefedern nach außen hin verlegt sein können. Ein Schwingungsgyrometer nutzt den Effekt aus, daß schwingende träge Massen, die einer Drehung ausgesetzt sind, bedingt durch die Coriolis-Kräfte senkrecht zu ihrer Schwingungsebene ausge­ lenkt werden. Die Coriolis-Kräfte können dabei auf vielfältige Weise durch elektro-mechanische Wandlungsprozesse detektiert werden. Ein entsprechender Sensor kann auf der Schwingmasse an­ geordnet sein oder indirekt die Auslenkung der Schwingmassen messen. Man erhält ein mit der Schwingfrequenz f moduliertes Si­ gnal, welches durch anschließende Demodulation das gewünschte, zur Drehrate f proportionales Meßsignal ergibt. Lineare Störbe­ schleunigungen (Querbeschleunigung des Sensors), die die gleiche Richtung wie die Coriolis-Kräfte haben, rufen ein Beschleuni­ gungs-Störsignal hervor, welches durch die gegenphasig schwin­ genden Schwingmassen unterdrückt werden. Durch das gegenphasige Schwingen der Schwingmassen 1, 2 heben sich die Trägheitskräfte auf. Zum anderen wirken die Coriolis-Kräfte auf die beiden Schwingmassen 1, 2 in entgegengesetzter Richtung, die Stör-Be­ schleunigungskräfte wirken jedoch in gleicher Richtung. Durch Differenzbildung der Signale zweier identischer, idealer elek­ tromechanischer Wandler kann somit die Störbeschleunigung kom­ pensiert werden.

Ein derartiger Sensor kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zur Steuerung insbesondere von Sicherheitseinrichtungen oder zur Regelung der Fahrdynamik verwendet werden.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß beide Wandler weder vollkommen identisch noch vollkommen richtungsselektiv sind. Sie liefern auch dann ein Signal, wenn sie nicht in Hauptdetektions­ richtung ausgelenkt werden, insbesondere auch in Antriebsrich­ tung. Dieses Signal liegt mit der jeweiligen Antriebsgeschwin­ digkeit moduliert vor, es erzeugt nach der Demodulation einen Ausgangsoffset und kann nur dann kompensiert werden, wenn es we­ nigstens phasenstabil ist. Zum Antrieb muß daher die Anregungs­ geschwindigkeit jeder Schwingungsmasse 1, 2 und damit das Corio­ lis-Nutzsignal gegenphasig vorliegen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, durch konstruktive Maßnahmen den Störeinfluß klein zu halten, der das gegenphasige Schwingverhalten beein­ flußt. Dieses wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Koppelmasse 3 sehr viel kleiner ist als die der Schwingmassen 1, 2, wobei die Schwingmassen 1, 2 nicht unbedingt identisch sein müssen. Die Vorteile einer kleinen Koppelmasse werden noch dadurch verstärkt, wenn die Aufhängefedern sehr weich in Schwingrichtung sind. Senkrecht in Schwingebene sind die Auf­ hängefedern 6 wegen des entsprechenden Querschnittsverhältnisses relativ steif ausgebildet. Bei mehreren parallel geführten Teil­ federn können auch entsprechend viele Leiterbahnen nach außen geführt werden. Durch die weichen Aufhängefedern 6 wird er­ reicht, daß selbst große Temperatureinflüsse keine Amplituden- und Phasenveränderungen zwischen den beiden Schwingmassen 1, 2 herbeiführen, so daß das Schwingsystem unempfindlich ist gegen Störeinflüsse.

Da man bestrebt ist, die Arbeitsfrequenz des Drehratensensors im Interesse einer hohen Empfindlichkeit niedrig zu wählen, werden bei einer gegebenen minimalen Sensorfläche die Schwingmassen 1, 2 so groß wie möglich gewählt, die Federlängen so lang wie mög­ lich und die Federbreiten so schmal wie möglich gestaltet.

Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Der Koppelbereich mit der Koppelmasse 3 besteht aus einem Rahmen 3, der sich geschlossen um die Schwingmassen 1, 2 befindet. Jede Schwingmasse 1, 2 ist über Schwingfedern 4, 5 mit dem Rahmen 3 verbunden. Der Rahmen 3 ist über die Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbunden. Sowohl die Schwingfedern 4, 5 als auch die Aufhängefedern 6 sind gefaltet ausgeführt, um deren Länge zu vergrößern. Sie können in zwei oder mehr parallelen Teilfedern ausgeführt sein.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem jedoch der Rahmen 3 nur an zwei gegenüberliegenden Seiten ausgebildet ist. Der Rahmen als Koppelmasse 3 ist damit kleiner ausgebildet als beim ersten Ausführungsbeispiel. Hier sind an zwei gegen­ überliegenden Seiten die Schwingmassen 1, 2 über die Schwingfe­ dern 4, 5 an die Rahmenteile 3 angekoppelt. Die Rahmenteile 3 sind wiederum über Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbun­ den. Der Vorteil des zweiteiligen Rahmens ist die Verringerung der Gefahr von nichtlinearen Schwingungen, eine verringerte Sen­ sorfläche und ein größerer Abstand der Moden in z-Richtung bzw. um die y-Achse. Diese Anordnung erhält dadurch eine größere Steifigkeit in Coriolis-Richtung.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 6 und dem vierten Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 7 ist die Koppelmasse 3 weiter verringert worden. Anstelle der Rahmenteile ist nun zwischen den beiden Schwingmassen 1, 2 ein Steg 3 (Fig. 6) bzw. zwei Stege 3 (Fig. 7) ausgebildet. Diese Stege 3 sind einerseits über die Schwingfedern 4, 5 mit der Schwingmasse 1, 2 verbunden. Andererseits sind sie über die Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbunden. Die Schwingmassen 1, 2 sind noch über weitere Aufhängefedern 6 mit dem Substrat 10 verbunden. Zusätz­ lich ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 eine Struktur 11 vorgesehen, die als Fingerstruktur ausgebildet ist und die für einen kapazitiven Antrieb oder ein Referenzsignal geeignet ist. Durch die zusätzlichen Aufhängefedern 6 wird bewirkt, daß die Eigenfrequenzen der Moden in z-Richtung bzw. um die y-Achse (Moden in Coriolis-Richtung) hoch liegen, was bei reiner Mitten- Aufhängung nicht möglich wäre. Die Koppelmasse 3 ist dabei so klein, daß deren Masse vernachlässigt werden kann.

Claims (10)

1. Mikromechanischer Schwinger eines Schwingungsgyrometers zur Erfassung der Drehrate (absolute Winkelgeschwindigkeit) unter Ausnutzung von Coriolis-Kräften, mit einem Substrat und mit zwei Schwingmassen, die über einen Koppelbereich, bestehend aus einer möglichst kleinen Koppelmasse und Schwingfedern, mechanisch der­ art verbunden sind, daß die Schwingmassen in einer Ebene gegen­ phasig schwingen, und mit wenigstens einer Aufhängefeder, die mit ihrem einen Ende mit dem Substrat verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das andere Ende der wenigstens einen Aufhänge­ feder (6) mit dem Koppelbereich (3, 4, 5) und/oder den beiden Schwingmassen (1, 2) verbunden ist und daß die wenigstens eine Aufhängefeder (6) derart ausgebildet ist, daß sie in Schwing­ richtung der Schwingmassen (1, 2) weich und in allen anderen Freiheitsgraden wesentlich härter ist und dabei das Drehmoment der Drehrate auf die Schwingmassen (1, 2) überträgt.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehre­ re Aufhängefedern (6) vorgesehen sind, wobei jeweils das andere Ende einer Aufhängefeder (6) mit den beiden Schwingmassen (1, 2) und dem Koppelbereich (3) verbunden ist (Fig. 3).

3. Schwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Schwingrichtung die wenigstens eine Auf­ hängefeder (6) weicher ist als die Schwingfeder (4, 5).

4. Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Aufhängefeder (6) aus mehreren parallel geführten Teilfedern ausgebildet ist.

5. Schwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppelmasse (3) als Rahmen ausgebildet ist, daß die beiden Schwingmassen (1, 2) über Schwingfedern (4, 5) mit dem Rahmen verbunden sind und daß der Rahmen (3) über möglichst weit außen angreifende Aufhängefedern (6) mit dem Substrat (10) verbunden ist (Fig. 4, 5).

6. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) die Schwingmassen (1, 2) vollständig umschließt (Fig. 4).

7. Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) an zwei gegenüberliegenden Seiten der Schwingmassen (1, 2) angeordnet ist (Fig. 5).

8. Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger aus Silizium oder Siliziumver­ bindungen hergestellt ist.

9. Schwinger nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schwinger einen elektrostatischen oder elektromagnetischen Antrieb aufweist.

10. Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger in einem Fahrzeug oder in ei­ nem Roboter verwendet wird.