DE102018218249A1 - Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Frequenzabstimmung eines mikromechanischen Bauelements vorgeschlagen, wobei das mikromechanische Bauelement eine schwingungsfähige Struktur, eine Antriebsstruktur, eine Detektionsstruktur, eine Mitkoppelstruktur und ein Kontrollsystem aufweist, wobei die Antriebsstruktur zur Anregung einer Antriebsmode der schwingungsfähigen Struktur konfiguriert ist, wobei die Detektionsstruktur zur Detektion einer Detektionsmode der schwingungsfähigen Struktur konfiguriert ist, wobei die schwingungsfähige Struktur bezüglich der Detektionsmode eine Federkonstante aufweist, die sich durch eine Kopplung zwischen Antriebsmode und Detektionsmode mit einer Auslenkung der Antriebsmode erhöht oder vermindert, wobei die Mitkoppelstruktur zur Erhöhung oder Verminderung der Eigenfrequenz der Detektionsmode konfiguriert ist, wobei eine Anregung der Detektionsmode mit einem ersten und zweiten Pilotton erfolgt, wobei das Amplitudenverhältnis von erstem und zweitem Pilotton in Abhängigkeit von der Stärke der Kopplung zwischen Antriebsmode und Detektionsmode eingestellt wird, wobei eine Regelung der Eigenfrequenz der Detektionsmode über die Mittkoppelstruktur derart erfolgt, dass die erste Ausgangsamplitude gleich der zweiten Ausgangsamplitude ist.Weiterhin wird ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen, aufweisend eine schwingungsfähige Struktur, eine Antriebsstruktur, eine Detektionsstruktur, eine Mitkoppelstruktur und ein Kontrollsystem, wobei die Antriebsstruktur, die Detektionsstruktur und das Kontrollsystem zur Durchführung des Verfahrens zur Frequenzabstimmung konfiguriert sind.A method for frequency tuning of a micromechanical component is proposed, the micromechanical component having an oscillatable structure, a drive structure, a detection structure, a feedforward structure and a control system, the drive structure being configured to excite a drive mode of the oscillatable structure, the detection structure being for detection a detection mode of the vibratable structure is configured, the vibratable structure with respect to the detection mode having a spring constant that increases or decreases due to a coupling between the drive mode and the detection mode with a deflection of the drive mode, the positive feedback structure being configured to increase or decrease the natural frequency of the detection mode , wherein the detection mode is excited with a first and a second pilot tone, the amplitude ratio of the first and second pilot tone depending The strength of the coupling between the drive mode and the detection mode is set, the natural frequency of the detection mode being regulated via the central coupling structure in such a way that the first output amplitude is equal to the second output amplitude , a detection structure, a feedforward structure and a control system, the drive structure, the detection structure and the control system being configured to carry out the method for frequency tuning.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention is based on a method according to the preamble of
Mikromechanische Bauelemente (microelectromechanical systems, MEMS) mit schwingungsfähigen Strukturen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Eines der Anwendungsgebiete solcher Bauelemente ist beispielsweise der Einsatz als Drehratensensoren im Automobilbereich oder in der Unterhaltungs- und Gebrauchselektronik. Die Messung einer Drehrate basiert auf der Ausnutzung des Coriolis-Effektes. Die Drehratensensoren bestehen dabei aus einer oder zwei über Federn gekoppelten Rahmenstrukturen der Masse mc. Kammelektroden dienen zur elektrostatischen Aktuierung der Rahmenstrukturen und Detektion der Auslenkungen. Für die Erfassung einer Drehrate werden zwei Schwingungsmoden, die sogenannte Antriebs- und Detektionsmode, mit gleicher oder verschiedener Resonanzfrequenz genutzt. Die Antriebsmode wird durch eine Wechselspannung zum Schwingen angeregt. Ohne äußere Drehrate bleibt die Detektionsmode dabei in Ruhe. Bei Anliegen einer äußeren Drehrate Ω wird die Detektionsmode aufgrund der Corioliskraft Fc ausgelenkt. Die Corioliskraft Fc ist proportional zur äußeren Drehrate Ω und zur Geschwindigkeit, d.h. zur zeitlichen Ableitung q̇A der Schwingungsamplitude der Antriebsmode qA mit Coriolis-Masse mc:
Die Auslenkung qD der Detektionsmode kann über die Kapazitätsänderung zwischen den Detektions-Kammelektroden ausgelesen werden.The deflection q D of the detection mode can be read out via the change in capacitance between the detection comb electrodes.
Eine Herausforderung bei MEMS Drehratensensoren ist, dass eine kleine Asymmetrie im Bauteil zu einem Übersprechen der Antriebsschwingung führt. Dies verursacht ein parasitäres Signal, die sogenannte Quadratur, im Detektionssignal. Die Quadratur-Kraft FQ ist proportional zur Antriebsamplitude
Die Bewegungsgleichungen für die Antriebs- und Detektionsmode eines konventionellen Drehratensensors sind wie folgt:
Hierbei bezeichnen ωA und ωD bzw. QA und QD die Resonanzfrequenz bzw. den Gütefaktor der Antriebs- und Detektionsmode. Die elektrostatische Antriebskraft wird mit Fdrive bezeichnet. Die Corioliskraft Fc ist nach Gleichung (1) zur Geschwindigkeit der Antriebsmode proportional, so dass durch diesen Term (zusammen mit dem unerwünschten Quadratur-Term FQ) eine Kopplung zwischen der Antriebs- und Detektionsmode entsteht. Die Corioliskraft wirkt als äußere treibende Kraft für die Detektionsmode, wobei der Energieübertrag durch den Gütefaktor QD und das Verhältnis von Eigenfrequenz ωA der Antriebsmode und Eigenfrequenz ωD der Detektionsmode bestimmt wird. Um einen möglichst hohen Energieübertrag zwischen Antriebs- und Detektionsmode zu erreichen, ist es also günstig, diese Antriebs- und die Detektionsfrequenz aufeinander abzustimmen (Mode-Matching).Here ω A and ω D or Q A and Q D denote the resonance frequency or the quality factor of the drive and detection mode. The electrostatic driving force is called F drive . The Coriolis force F c is proportional to the speed of the drive mode according to equation (1), so that this term (together with the undesired quadrature term F Q ) creates a coupling between the drive and detection modes. The Coriolis force acts as an external driving force for the detection mode, the energy transfer being determined by the quality factor Q D and the ratio of natural frequency ω A of the drive mode and natural frequency ω D of the detection mode. In order to achieve the highest possible energy transfer between the drive and detection modes, it is therefore advantageous to coordinate these drive and detection frequencies with one another (mode matching).
Eine exakte Einstellung der Antriebs- und Detektionsfrequenzen allein auf Basis von Designmaßnahmen ist in der Praxis aufgrund der Prozessunsicherheiten nicht möglich. Das Wirkprinzip der elektrostatischen Mitkopplung findet deshalb oftmals Anwendung. Dabei lässt sich die effektive Steifigkeit
Das Pilottonverfahren ist eine effiziente und kostengünstige Methode zur Bestimmung der Mitkoppelspannung für eine möglichst geringe Frequenzverstimmung zwischen Antriebs- und Detektionsmode (siehe dazu C. Ezekwe, Readout Techniques for high-Q micromachined vibratory rate gyroscope, University of California, Berkeley: PhD thesis, 2007). Das Verfahren basiert auf folgender Grundlage: Die Dynamik der Detektionsmode lässt sich durch eine Amplitudenübertragungsfunktion charakterisieren, wobei die Lage des Maximums dieser Funktion der Resonanzfrequenz der Detektionsmode entspricht. Die Frequenzabstimmung zielt darauf ab, die Mitkoppelspannung so einzurichten, dass ωA und ωD zusammenfallen, dass also das Maximum der Übertragungsfunktion (die Resonanzspitze) bei ωA liegt. Dazu werden zwei Frequenzsignale, sogenannte Pilottöne, in den MEMS Bauteil enthaltenden Regelkreis eingespeist. Die Pilottöne sind auf die Antriebsfrequenz referenziert und außerhalb der gewünschten Signalbandbreite, wobei die Frequenz ω1 = ωA - ωcal eines Pilottons unterhalb und die andere Frequenz ω2 = ωA + ωcal oberhalb der Antriebsfrequenz ωA gewählt ist. Es seien α1 und α2 die Eingangsamplituden der Pilottöne bei Frequenzen ω1 und ω2. Das Antwortsignal des MEMS Bauteils auf die Pilottöne wird phasengleich zu den Pilottönen demoduliert und mit einem Tiefpassfilter ausgewertet (siehe
In konventionellen, linearen Oszillatoren, die durch eine äußere Kraft angetrieben werden, wird die dynamische Überhöhung der Schwingungsamplitude und damit des Signals durch den Gütefaktor bestimmt. Parametrische Verstärkung ermöglicht es darüber hinaus, das Detektionssignal in einem Sensor zu verstärken. Bei einer parametrischen Verstärkung erfolgt der Energieeintrag in das schwingende System nicht über eine äußere treibende Kraft, sondern über eine periodische Variation eines Systemparameters, wie beispielsweise der Steifigkeit der Federn. Während durch einen äußeren Antrieb auch eine Anregung eines ruhenden Systems möglich ist, wird bei der parametrischen Verstärkung lediglich eine bereits bestehende Schwingung verstärkt, die ihrerseits wiederum durch eine äußere Kraft angeregt werden kann. Bei einer parametrischen Verstärkung der Detektionsmode wird auf diese Weise die Wirkung der (äußeren) Corioliskraft verstärkt und damit das Detektionssignal erhöht.In conventional, linear oscillators, which are driven by an external force, the dynamic excess of the vibration amplitude and thus the signal is determined by the quality factor. Parametric amplification also enables the detection signal to be amplified in a sensor. With parametric amplification, the energy input into the oscillating system does not take place via an external driving force, but rather via a periodic variation of a system parameter, for example the stiffness of the springs. While an external drive can also be used to excite a stationary system, the parametric amplification only amplifies an existing vibration, which in turn can be excited by an external force. With a parametric amplification of the detection mode, the effect of the (external) Coriolis force is amplified in this way and the detection signal is thus increased.
Bei der Erzeugung von parametrischer Verstärkung unterscheidet man zwischen von außen induzierter und intrinsisch induzierter parametrischer Verstärkung. Beide Typen der parametrischen Verstärkung werden zur Erhöhung der Sensitivität in Open-Loop-Drehratensensoren eingesetzt. Eine von außen induzierte parametrische Verstärkung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass an die Detektionselektroden eine Wechselspannung angelegt wird, deren Frequenz der doppelten Resonanzfrequenz der Detektionsmode entspricht (siehe dazu
Das oben beschriebene Pilottonverfahren ist speziell für die Frequenzabstimmung von linearen bzw. harmonischen Drehratensensoren ausgelegt. Für Drehratensensoren mit parametrischer Verstärkung führt das konventionelle Pilottonverfahren nicht auf die gewünschte verschwindende Frequenzverstimmung sondern führt ganz im Gegenteil zu einer signifikanten Frequenzverstimmung. Mit dieser Verstimmung führt der MEMS-Oszillator ausschließlich zu einer Antwortfunktion, die einer linearen bzw. harmonischen Übertragungsfunktion entspricht und jegliche parametrische Verstärkung wird unterdrückt. Mit anderen Worten, der parametrisch verstärkte Drehratensensor ist mit einer durch das herkömmliche Pilottonverfahren bestimmen Mitkoppelspannung genau so gut wie ein linearer bzw. harmonischer Drehratensensor ohne parametrische Verstärkung.The pilot tone method described above is specially designed for frequency tuning of linear or harmonic rotation rate sensors. For angular rate sensors with parametric amplification, the conventional pilot tone method does not lead to the desired disappearing frequency detuning but on the contrary leads to a significant frequency detuning. With this detuning, the MEMS oscillator only leads to a response function that corresponds to a linear or harmonic transfer function and any parametric gain is suppressed. In other words, the parametrically amplified rotation rate sensor with a positive feedback voltage determined by the conventional pilot tone method is just as good as a linear or harmonic rotation rate sensor without parametric amplification.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein parametrisch verstärktes mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zur Frequenzabstimmung des Bauelements zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Frequenzabstimmung in effizienter und kostengünstiger Weise durchführen lässt.Against this background, it is an object of the present invention to provide a parametrically amplified micromechanical component and a method for frequency tuning of the component, with which the frequency tuning can be carried out in an efficient and cost-effective manner.
Bei dem Verfahren gemäß dem Hauptanspruch wird ein gegenüber dem Stand der Technik modifiziertes Pilottonverfahren durchgeführt, bei dem die Eingangsamplituden der beiden Pilottöne in Abhängigkeit von der Stärke der Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode eingestellt werden. Die Wahl des Verhältnisses der beiden Eingangsamplituden findet dabei auf der Grundlage der Übertragungsfunktion der schwingungsfähigen Struktur statt. Das Amplitudenverhältnis wird vorzugsweise durch eine mathematische Modellierung gewonnen, wie sie weiter unten beispielhaft für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wird.In the method according to the main claim, a pilot tone method modified compared to the prior art is carried out, in which the input amplitudes of the two pilot tones are set as a function of the strength of the coupling between the drive and detection modes. The choice of the ratio of the two input amplitudes takes place on the basis of the transfer function of the structure capable of oscillation. The amplitude ratio is preferably obtained by a mathematical modeling, as is carried out below by way of example for a preferred embodiment of the invention.
Die Kopplung zwischen Antriebsmode und Detektionmode kann beispielsweise so beschaffen sein, dass bei angeregter Antriebsmode die Federkonstante der Detektionsmode mit der doppelten Antriebsfrequenz oszilliert. Denkbar sind jedoch auch Ausführungen, bei denen die Detektionsmode durch Ausnutzung höherer Eigenmoden mit einem allgemeineren ganzzahligen Vielfachen, wie beispielsweise der dreifachen oder vierfachen Antriebsfrequenz oszilliert.The coupling between the drive mode and the detection mode can, for example, be such that when the drive mode is excited, the spring constant of the detection mode oscillates at twice the drive frequency. However, designs are also conceivable in which the detection mode oscillates by utilizing higher eigenmodes with a more general integer multiple, such as three or four times the drive frequency.
Ein derart modifiziertes Pilottonverfahren macht den Einsatz von parametrischer Verstärkung in mikromechanischen Sensoren erst möglich, wodurch sich eine Vielzahl technischer Vorteile erschließen lässt. Parametrische Verstärkung führt zu einer Sensitivitätserhöhung imvollresonanten Open-Loop-Betrieb des Drehratensensors gegenüber konventionellen Drehratensensoren ohne parametrische Verstärkung. Weiterhin ergibt sich ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis in Closed-Loop-Drehratensensoren gegenüber konventionellen Drehratensensoren. Unter Ausnutzung von parametrischer Verstärkung reichen geringere Antriebsamplituden aus, um das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis wie bei konventionellen Drehratensensoren zu erreichen. Durch die kleineren Antriebsamplituden wird das Risiko von ungewollten bzw. unkontrollierten nichtlinearen Effekten verringert und aufgrund der geringeren Antriebsspannungen wird eine Kostenreduktion der anwendungsspezifisch integrierten Schaltung (engl. ASIC) ermöglicht. Durch Ausnutzung der parametrischen Verstärkung kann weiterhin der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert werden und dennoch das gleiche Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wie bei konventionellen Drehratensensoren. Ein größerer Abstand zwischen den Elektroden ist eng verknüpft mit einer verbesserten Robustheit des Sensors gegenüber äußeren Vibrationen. Das gewünschte Signal-Rausch-Verhältnis kann darüber hinaus mit einem kleineren Sensorkern erreicht werden, wodurch eine Senkung der Herstellungskosten ermöglicht wird.Such a modified pilot tone process makes the use of parametric amplification in micromechanical sensors possible, which opens up a variety of technical advantages. Parametric amplification leads to an increase in sensitivity in the fully resonant open loop operation of the Yaw rate sensor compared to conventional yaw rate sensors without parametric amplification. Furthermore, there is an improved signal-to-noise ratio in closed-loop rotation rate sensors compared to conventional rotation rate sensors. Using parametric amplification, lower drive amplitudes are sufficient to achieve the same signal-to-noise ratio as with conventional rotation rate sensors. The smaller drive amplitudes reduce the risk of unwanted or uncontrolled nonlinear effects, and the lower drive voltages enable the application-specific integrated circuit (ASIC) to be reduced in cost. By using the parametric gain, the distance between the electrodes can still be increased and still achieve the same signal-to-noise ratio as with conventional rotation rate sensors. A larger distance between the electrodes is closely linked to an improved robustness of the sensor against external vibrations. The desired signal-to-noise ratio can also be achieved with a smaller sensor core, which enables a reduction in manufacturing costs.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Quadraturkompensation der Detektionsmode durch das Kontrollsystem.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the detection mode is quadrature compensated by the control system.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von der Differenz zwischen erster Pilotfrequenz und zweiter Pilotfrequenz eingestellt. According to a further preferred embodiment, the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the difference between the first pilot frequency and the second pilot frequency.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von der Antriebsfrequenz eingestellt.According to a further preferred embodiment, the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the drive frequency.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von dem Gütefaktor der Detektionsmode eingestellt.According to a further preferred embodiment, the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the quality factor of the detection mode.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 6, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Im Folgenden wird die Bestimmung des Verhältnisses aus erster und zweiter Eingangsamplitude für das erfindungsgemäße Pilottonverfahren anhand eines Systems skizziert, bei dem die Federkonstante der Detektionsmode mit der doppelten Antriebsfrequenz oszilliert. Unter Einbeziehung von parametrischer Verstärkung lauten die Bewegungsgleichungen für Antrieb- und Detektionsmode wie folgt:
In the following, the determination of the ratio of the first and second input amplitude for the pilot tone method according to the invention is outlined using a system in which the spring constant of the detection mode oscillates at twice the drive frequency. Including parametric amplification, the equations of motion for drive and detection modes are as follows:
Die antreibende Kraft ist im vollresonanten Betrieb der Antriebsmode definiert als Fdrive = f0 sin(ωAt). Der nichtlineare Steifigkeitsparameter λ ist ein Maß für die parametrische Verstärkung des Detektionssignals und bestimmt die Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode. Für qA >> qD kann die Rückkopplung der Detektionsmode auf die Antriebsmode vernachlässigt werden. Bei einem quadraturkompensierten Drehratensensor, kann die Kopplung kAD vernachlässigt werden. Der Term
Wie in
Für die Anwendung des Pilottonverfahrens auf einen Drehratensensor mit parametrischer Verstärkung muss das Pilottonverfahren angepasst werden. Das in
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt schematisch die Signalkette des Pilottonverfahrens.1 shows schematically the signal chain of the pilot tone process. -
2 zeigt in den Verlauf des VerstärkungsfaktorsG in Abhängigkeit von dem nichtlinearen Steifigkeitsparameter λ für drei verschiedene Werte der Frequenzverstimmungδ .2nd shows in the course of the gain factorG depending on the non-linear stiffness parameter λ for three different values of the frequency detuningδ . -
3a und3b zeigen den Verlauf der Amplitude und Phase der Detektionsmode in Abhängigkeit von der Frequenzverstimmungδ für vier verschiedene Werte des Steifigkeitsparametersλ .3a and3b show the course of the amplitude and phase of the detection mode depending on the frequency detuningδ for four different values of the stiffness parameterλ .
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In
In
In
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- C. Ahn, S. Nitzan, E. Ng, V. Hong, Y. Yang, T. Kimbrell, D. Horsley und T. Kenny, „Encapsulated high frequency (235kHz), high-Q (100k) disk resonator gyroscope with electrostatic parametric pump,“ Appl. Phys. Lett, Bd. 105, p. 243504, 2014 [0010]C. Ahn, S. Nitzan, E. Ng, V. Hong, Y. Yang, T. Kimbrell, D. Horsley and T. Kenny, "Encapsulated high frequency (235kHz), high-Q (100k) disk resonator gyroscope with electrostatic parametric pump, “Appl. Phys. Lett, Vol. 105, p. 243504, 2014 [0010]
- S. H. Nitzan, V. Zega, M. Li, C. H. Ahn, A. Corigliano, T. Kenny und D. Horsely, „Selfinduced parametric amplification arising from nonlinear elastic coupling in a micromechanical resonating disk gyroscope,“ Sci. Rep., Bd. 5, p. 9036, 2015 [0010]S. H. Nitzan, V. Zega, M. Li, C. H. Ahn, A. Corigliano, T. Kenny and D. Horsely, "Selfinduced parametric amplification arising from nonlinear elastic coupling in a micromechanical resonating disk gyroscope," Sci. Rep., Vol. 5, p. 9036, 2015 [0010]
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