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Dokumentenidentifikation DE19949611B4 31.05.2007
Titel Drehratensensor
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Aigner, Robert, Dr.-Ing., 81675 München, DE;
Handtmann, Martin, Dipl.-Ing., 81737 München, DE
Vertreter Zimmermann & Partner, 80331 München
DE-Anmeldedatum 14.10.1999
DE-Aktenzeichen 19949611
Offenlegungstag 07.06.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01P 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01C 19/56(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanisch herstellbaren Drehratensensor.

Drehratensensoren (Gyroskope) messen die Rotationsgeschwindigkeit eines Systems um eine unbekannte Achse durch Detektion der Coriolis-Kraft. In der WO 98/23917 A1 ist ein Drehratensensor als mikromechanisches Bauelement beschrieben, bei dem ein Ring mit einer starren Strebe längs eines Durchmessers an elastischen Verstrebungen und Verankerungen so auf einem Substrat aufgehängt ist, daß er Drehschwingungen um seine Mittenachse ausführen kann und bei Einwirkung äußerer Drehmomente um die Strebe verkippt werden kann. Es sind an dem Ring und an dem Substrat Elektroden vorhanden, an die elektrische Spannungen derart angelegt werden können, daß Drehschwingungen des Ringes um seine Mittenachse angeregt werden können und Drehschwingungen um die Strebe detektiert werden können.

Bisher bekannte mikromechanisch herstellbare Drehratensensoren basieren auf resonanten Strukturen, da vollständig rotierende Strukturen wie etwa beim Kreiselkompaß erhebliche technische Schwierigkeiten bei der Herstellung und insbesondere bei den Lagern eines rotierenden Elementes aufwerfen. Die erreichbare Detektionsgrenze in Winkelgrad pro Sekunde ist durch technologische Schwankungen bei der Herstellung und durch grundsätzliche physikalische Grenzen bestimmt. Ein wesentlicher Nachteil der resonanten Strukturen ist, daß eine störende Schwingungskopplung zwischen der Antriebs- und der Detektionsschwingung auftritt. Die dadurch hervorgerufenen Fehlersignale, die als Quadraturfehler bekannt sind, stören die Nullpunktstabilität eines Drehratensensors erheblich. Nur durch deutliche Erhöhung der Signalamplitude könnte diese Schwierigkeit behoben werden.

Aus der JP 07071965 A ist ein Drehratensensor mit einem durch elektrostatische Anziehung freischwebenden Rotationselement in Form einer massiven, aus isolierendem Material bestehenden Scheibe offenbart, die sowohl auf ihrer Ober- und Unterseite einzelne als Elektroden dienende Metallfilme aufweist. Die Scheibe wird durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Metallfilmen der Scheibe sowie ober- und unterhalb der Scheibe angebrachte und mit elektrischen Potentialen beaufschlagte Elektroden zu letzteren beabstandet gehalten und in Drehbewegung versetzt. Problematisch bei diesem Drehratensensor ist die Stabilisierung der Scheibe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mikromechanisch herstellbaren Drehratensensor mit verbesserter Stabilisierung des Rotationselements anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Drehratensensor mit den Merkmalen den Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor wird ein ringförmiges, elektrisch leitendes Rotationselement, vorzugsweise ein Polysiliziumring, durch elektrostatische Kräfte in einer speziellen Anordnung von Elektroden ohne mechanischen oder elektrischen Kontakt in der Schwebe gehalten und schwebend in Rotation versetzt. Durch die Strukturierung des Rotationselementes in Segmente mit unterschiedlichen radialen Abmessungen und eine geeignete mehrphasige Ansteuerung mittels segmentierter Elektroden wird ein Drehmoment auf das schwebende Rotationselement ausgeübt, das die Rotation herbeiführt. Die Regelung der Lage des Rotationselementes und die Detektion einer auftretenden Corioliskraft erfolgt vorzugsweise ebenfalls mittels der segmentierten Elektroden. Die Corioliskraft und das durch sie hervorgerufene Sensorsignal können durch Erhöhung der Drehzahl des Rotationselementes extrem gesteigert werden, so daß der Drehratensensor eine beachtliche Empfindlichkeit aufweist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Drehratensensors ist, daß Störmoden der Schwingung mit ihrer Frequenz weit außerhalb der Frequenzbandbreite der Sensorsignale liegen und keine Verschlechterung der Nullpunktstabilität bewirken.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Drehratensensors anhand der 1 bis 9.

Die 1, 3 und 4 zeigen Ausführungsformen der Anordnung der Elektroden in Aufsicht.

Die 2 und 6 zeigen die Formen zweier Ausführungsbeispiele des Rotationselementes in Aufsicht.

Die 5 zeigt einen schematisch vereinfachten Querschnitt eines Drehratensensors.

Die 7 bis 9 zeigen seitliche Ansichten auf drei verschiedene Positionen eines Rotationselementes zwischen den Elektroden zur Erläuterung des Antriebsprinzips.

Um eine elektrisch hinreichend leitfähige Platte ohne eigenen elektrischen Anschluß zwischen horizontal ausgerichteten und vertikal übereinander angeordneten Kondensatorplatten in der Schwebe zu halten, sind mindestens zwei voneinander isolierte Kondensatorplatten oberhalb der schwebend zu haltenden Platte erforderlich, zwischen denen eine geeignete elektrische Potentialdifferenz angelegt wird. Sind unterhalb der Platte ebenfalls zwei Kondensatorplatten mit dazwischen anliegender Potentialdifferenz vorhanden, wird die durch die oberen Kondensatorplatten auf die Platte ausgeübte und nach oben gerichtete (weil stets anziehende) Kraft bis zu einem gewissen Grad kompensiert durch eine nach unten gerichtete Kraft, die durch die unteren Kondensatorplatten auf die Platte ausgeübt wird. Bei geeigneter Wahl und Nachregulierung der Potentialdifferenzen kann die Platte innerhalb enger Grenzen in der Schwebe gehalten werden.

Ein einfaches Modell, das eine Verkippung der gehaltenen Platte nicht berücksichtigt, soll verdeutlichen, daß prinzipiell die erforderlichen Spannungen in Abhängigkeit von den relevanten physikalischen und geometrischen Größen rechnerisch bestimmt werden können, ohne daß es dazu weiterer erfinderischer Tätigkeit bedarf. Wenn die Anzahl der oberen Kondensatorplatten gleich der Anzahl der unteren Kondensatorplatten ist und alle Kondensatorplatten dieselbe Fläche besitzen, ist das elektrische Potential der schwebenden Platte UP = [(d/2 – z)(U11 + U12 + .. + U1n) + (d/2 + z)(U21 + U22 + .. + U2n) + Q(d2/4 – z2)/(A&egr;0)]/(nd); dabei ist

d
der Luftspalt zwischen den Kondensatorplatten,
z
der Abstand der Platte von ihrer Mittenposition zwischen den Kondensatorplatten in Richtung nach oben,
U1i
das an der i-ten unteren Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential,
U2i
das an der i-ten oberen Kondensatorplatte anliegende elektrische Potential,
Q
die auf der Platte vorhandene elektrische Ladung,
A
die Fläche einer Kondensatorplatte,
&egr;0
die elektrische Feldkonstante (absolute Dielektrizitätskonstante) und
n
die Anzahl der oberen bzw. unteren Kondensatorplatten.

Die Dicke der schwebenden Platte wurde dabei vernachlässigt.

Die durch die i-te untere Kondensatorplatte auf die schwebende Platte ausgeübte Kraft ist dann F1i = (U1i – UP)2·A&egr;0/(d/2 + z)2; die durch die i-te obere Kondensatorplatte auf die schwebende Platte ausgeübte Kraft ist entsprechend F2i = (U2i – UP)2·A&egr;0/(d/2 – z)2; die auf die Platte wirkende resultierende Gesamtkraft nach oben ist gleich der Summe aller F2i vermindert um die Summe aller F1i.

Um eine Verkippung der schwebenden Platte vermeiden zu können, verfügt der erfindungsgemäße Drehratensensor oben und unten jeweils über mindestens drei als Kondensatorplatten fungierende Elektroden.

Die stets anziehenden elektrostatischen Kräfte ziehen eine schwebende Platte ins Innere des durch die Elektroden gebildeten Kondensators, so daß die Fläche, in der sich die Platte und die Elektroden in vertikaler Blickrichtung überlappen, immer am größten ist. Darauf beruht der Antrieb, mit dem das Rotationselement in Drehung versetzt wird. Das Rotationselement ist so gestaltet, daß es in aufeinanderfolgenden Segmenten unterschiedliche radiale Abmessungen aufweist. Dadurch wird bei einer Drehbewegung des Rotationselementes die Fläche der Überlappung mit einem bestimmten Paar von Elektroden variiert. Eine zyklische und in Phasen unterteilte Ansteuerung der Elektroden mit beaufschlagten Potentialen ermöglicht es, eine anziehende Kraft jeweils in der Richtung desselben Drehsinnes auf das Rotationselement auszuüben und so ein Drehmoment zu generieren.

1 zeigt in Aufsicht die Anordnung dreier Elektroden in drei zum Winkel 120° rotationssymmetrisch liegenden Kreisringsektoren.

2 zeigt eine dazu passende Form des Rotationselementes in Aufsicht. Das Rotationselement ist hier ein Ring mit drei rotationssymmetrisch zum Winkel 120° angebrachten Verbreiterungen 5. Diese Verbreiterungen sind dadurch gebildet, daß in drei Segmenten des Ringes sich die radialen Abmessungen von der übrigen Breite des Ringes unterscheiden. Diese Verbreiterungen dienen zum Antrieb des Ringes mittels der oberhalb und unterhalb angebrachten Elektroden mit einer Form, wie sie in Aufsicht in 1 dargestellt ist.

3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Elektroden mit einer Unterteilung in vier Segmente. Aus Gründen der Optimierung des Antriebs sind aber dreizählige Symmetrien vorzuziehen, bei denen der kleinste Winkel der Rotationssymmetrie ein durch drei teilbarer ganzzahliger Bruchteil von 360° ist (120° [÷3], 60° [÷6], 40° [÷9], 30° [÷12], 24° [÷15], 20° [÷18]).

Um die Zentrierung des schwebenden Rotationselementes zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn die Elektroden in zwei konzentrische Kreisringe aufgeteilt sind, wie das in 4 in Aufsicht dargestellt ist. Ein ringförmiges Rotationselement kann mit voneinander verschiedenen elektrischen Potentialen an den inneren und den äußeren Elektroden in eine zu den Elektroden konzentrische Position gezogen werden. Damit wird die Lage der Drehachse stabilisiert.

5 zeigt einen schematisch vereinfachten Querschnitt eines Drehratensensors. Das Rotationselement 3 wird zwischen den Elektroden 4 in der Schwebe gehalten. Die Elektroden 4 sind auf einem Substrat 1 oder einem Halbleiterchip bzw. an einem Deckel 2 oder einem zweiten Substrat, das mit dem ersten z. B. mittels Waferbonding verbunden ist, angebracht.

6 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines ringförmigen Rotationselementes in Aufsicht. Hierbei besteht die unterschiedliche Ausgestaltung in einzelnen Segmenten nicht in einer Verbreiterung des Ringes, sondern in den in dem Ring vorhandenen Aussparungen 6, von denen in der 6 als Beispiel drei eingezeichnet sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß wegen der gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 größeren Ringfläche und damit größeren Fläche der Überlappung mit den Elektroden eine bessere Stabilisierung der Position des Rotationselementes möglich ist. Darüber hinaus ist der breitere Ring mechanisch stabiler und besitzt ein größeres Trägheitsmoment.

Sobald eine Aussparung 6 in dem Rotationselement 3 beginnt, sich mit einer Elektrode 4 in vertikaler Blickrichtung zu überlappen, wird das an dieser Elektrode anliegende Potential auf das Potential auf dem Rotationselement oder floating geschaltet. Dadurch wird erreicht, daß sich die Fläche der Überlappung von Aussparung und Elektrode ohne Auftreten einer rückstellenden Kraft vergrößern kann. Die zu der betreffenden Aussparung benachbarten Elektroden werden mit einer hohen Potentialdifferenz beaufschlagt, um ein an dem Rotationselement angreifendes Drehmoment zu erzeugen.

Die 7 bis 9 erläutern das Antriebsprinzip. Dazu sind in einer seitlichen Ansicht jeweils drei untere Elektroden U11, U12, U13 und drei obere Elektroden U21, U22, U23 eingezeichnet, zwischen denen ein ringförmiges und mit Verbreiterungen 5 versehenes Rotationselement 3 angeordnet ist. Der dargestellte Rand des Rotationselementes bewege sich in diesem Beispiel nach rechts, so daß die in 7 auf der linken Seite eingezeichnete Verbreiterung 5 des Rotationselementes 3 im Verlauf der Rotation zunächst zwischen die Elektroden U11 und U21, dann zwischen die Elektroden U12 und U22 und dann zwischen die Elektroden U13 und U23 gelangt, während die auf der rechten Seite eingezeichnete Verbreiterung 5 hinter die Zeichenebene verschwindet und sich rückseitig nach links bewegt.

Die Elektroden, zwischen die eine Verbreiterung 5 des Rotationselementes aktuell gezogen wird, werden auf das Potential UP des Rotationselementes gelegt, während an die Elektrodenpaare davor und dahinter Potentialdifferenzen angelegt werden. So ergeben sich in dem dargestellten Beispiel für die Konstellation in 7 folgende Relationen der Potentiale:

U11 = U21 = UP, U12 > UP, U13 < UP, U22 > UP, U23 < UP; für die Konstellation in 8:

U12 = U22 = UP, U11 > UP, U13 < UP, U21 > UP, U23 < UP; und für die Konstellation in 9:

U13 = U23 = UP, U12 > UP, U12 < UP, U21 > UP, U22 < UP.

Eine auftretende Coriolis-Kraft wird detektiert durch Auswertung der elektrischen Spannungen, die an die Elektroden angelegt werden müssen, um das Rotationselement in seiner Rotationsebene zu halten. Solange der Drehratensensor horizontal ausgerichtet bleibt, erfordern die Kompensation der Gravitation und geradliniger Beschleunigungen gleich große elektrostatische Kräfte an allen Elektrodenpositionen. Eine Coriolis-Kraft infolge einer Verkippung des Drehratensensors tritt als Drehmoment in Erscheinung, das nur durch unterschiedlich starke Kräfte und daher nur durch unterschiedliche Potentiale an den Elektroden kompensiert werden kann. Die erforderlichen Potentialdifferenzen können ermittelt und daraus die Größe der Coriolis-Kraft bestimmt werden. Ein Vorteil gegenüber resonanten Strukturen ist hierbei, daß keine Auswirkungen der Aufhängung des Rotationselementes auf die Resonanzfrequenzen der Antriebs- und der Coriolisschwingung berücksichtigt zu werden brauchen.


Anspruch[de]
Drehratensensor mit einem Rotationselement (3) und mit Elektroden (4), die so angeordnet und mit elektrischen Anschlüssen versehen sind, daß elektrische Potentiale an die Elektroden (4) angelegt werden können, mit denen das Rotationselement (3) in eine Drehbewegung versetzt werden kann, wobei das Rotationselement (3) ohne eigenen elektrischen Anschluß zwischen mindestens zwei Lagen von Elektroden (4) angeordnet ist und das Rotationselement (3) bei einer horizontalen Ausrichtung der Anordnung der Elektroden (4) durch angelegte Potentiale in der Schwebe gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationselement (3) einen derart elektrisch leitenden Ring bildet, daß die Funktionsweise des Drehratensensors gewährleistet ist. Drehratensensor nach Anspruch 1, bei dem das Rotationselement (3) eine Rotationssymmetrie um 120° aufweist. Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Rotationselement (3) in Segmente eingeteilt ist und innerhalb und außerhalb dieser Segmente jeweils dieselben radialen Abmessungen aufweist oder bei dem die radialen Abmessungen des Rotationselementes innerhalb und außerhalb der Segmente voneinander verschieden sind. Drehratensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede Lage von Elektroden (4) in zwei konzentrisch zueinander liegenden Kreisringen angeordnet ist und bei dem jede Elektrode in einem Segment eines dieser Kreisringe angeordnet ist.






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