Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

DE102018218249A1 - Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component - Google Patents

Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component Download PDF

Info

Publication number
DE102018218249A1
DE102018218249A1 DE102018218249.3A DE102018218249A DE102018218249A1 DE 102018218249 A1 DE102018218249 A1 DE 102018218249A1 DE 102018218249 A DE102018218249 A DE 102018218249A DE 102018218249 A1 DE102018218249 A1 DE 102018218249A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
drive
detection
mode
frequency
detection mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018218249.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Degenfeld-Schonburg
Janine Riedrich-Moeller
Michael CURCIC
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018218249.3A priority Critical patent/DE102018218249A1/en
Publication of DE102018218249A1 publication Critical patent/DE102018218249A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

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 claim 1 and a micromechanical component according to the preamble of claim 6.

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: F c = 2 m c Ω q ˙ A

Figure DE102018218249A1_0001
Micromechanical components (microelectromechanical systems, MEMS) with vibratable structures are known from the prior art in a variety of embodiments. One of the areas of application for such components is, for example, use as rotation rate sensors in the automotive sector or in entertainment and consumer electronics. The measurement of a rotation rate is based on the exploitation of the Coriolis effect. The rotation rate sensors consist of one or two frame structures of mass m c coupled via springs. Comb electrodes are used for electrostatic actuation of the frame structures and detection of the deflections. Two vibration modes, the so-called drive and detection modes, with the same or different resonance frequency are used to record a rotation rate. The drive mode is excited to oscillate by an alternating voltage. The detection mode remains at rest without external rotation rate. When an external rotation rate Ω is applied, the detection mode is deflected due to the Coriolis force F c . The Coriolis force F c is proportional to the external rate of rotation Ω and the speed, ie to the time derivative q̇ A of the vibration amplitude of the drive mode q A with Coriolis mass m c : F c = 2nd m c Ω q ˙ A
Figure DE102018218249A1_0001

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 F Q = k A D q A ,

Figure DE102018218249A1_0002
wobei kAD die Stärke der Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode quantifiziert. Typischerweise ist das Quadratursignal ein bis drei Größenordnungen größer als das Coriolis-Signal. Das Quadratur-Signal ist um 90° phasenversetzt zum Coriolis-Signal, wie aus Gleichungen (1) und (2) ersichtlich ist. Die Separierung zwischen Quadratur- und Coriolis-Signal erfolgt mittels Demodulationstechnik basierend auf dem 90°-Phasenunterschied.A challenge with MEMS rotation rate sensors is that a small asymmetry in the component leads to crosstalk of the drive vibration. This causes a parasitic signal, the so-called quadrature, in the detection signal. The quadrature force F Q is proportional to the drive amplitude F Q = k A D q A ,
Figure DE102018218249A1_0002
where k AD quantifies the strength of the coupling between the drive and detection modes. Typically, the quadrature signal is one to three orders of magnitude larger than the Coriolis signal. The quadrature signal is 90 ° out of phase with the Coriolis signal, as can be seen from equations (1) and (2). The quadrature and Coriolis signals are separated using demodulation technology based on the 90 ° phase difference.

Die Bewegungsgleichungen für die Antriebs- und Detektionsmode eines konventionellen Drehratensensors sind wie folgt: q ¨ A + ω A Q A q ˙ A + ω A 2 q A = F d r i v e / m c

Figure DE102018218249A1_0003
q ¨ D + ω D Q D q ˙ D + ω D 2 q D = F c / m c + F Q / m c
Figure DE102018218249A1_0004
The equations of motion for the drive and detection mode of a conventional rotation rate sensor are as follows: q ¨ A + ω A Q A q ˙ A + ω A 2nd q A = F d r i v e / m c
Figure DE102018218249A1_0003
q ¨ D + ω D Q D q ˙ D + ω D 2nd q D = F c / m c + F Q / m c
Figure DE102018218249A1_0004

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 k e f f = 2 C x 2 U D C 2

Figure DE102018218249A1_0005
mit Anlagen einer DC Spannung UDC an den dafür vorgesehen Elektroden beeinflussen, wobei C die Kapazität bezeichnet und x der Abstand zwischen den Elektroden. Durch Änderung der effektiven Steifigkeit kann die Detektionsfrequenz variiert werden ω D e f f = ω D ω e m ( U D C ) ,
Figure DE102018218249A1_0006
wobei ω e m ( U ) D C U D C 2
Figure DE102018218249A1_0007
Es lässt sich dann eine sogenannte Mitkoppelspannung UDC bestimmen, bei der die Frequenzen ωA und ωD im Wesentlichen zusammenfallen. An exact setting of the drive and detection frequencies based solely on design measures is not possible in practice due to the process uncertainties. The operating principle of electrostatic positive feedback is therefore often used. The effective stiffness can be k e f f = 2nd C. x 2nd U D C. 2nd
Figure DE102018218249A1_0005
influence with systems of a DC voltage U DC at the electrodes provided, where C denotes the capacitance and x the distance between the electrodes. The detection frequency can be varied by changing the effective stiffness ω D e f f = ω D - ω e m ( U D C. ) ,
Figure DE102018218249A1_0006
in which ω e m ( U ) D C. U D C. 2nd
Figure DE102018218249A1_0007
A so-called positive feedback voltage U DC can then be determined, at which the frequencies ω A and ω D essentially coincide.

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 1). Auf diese Weise lässt sich das Verhältnis von Antwortamplitude und Eingangsamplitude für die Pilotfrequenzen ω1 und ω2 bestimmen, was einer Auswertung der (komplexen) Übertragungsfunktion des Systems für diese beiden Frequenzen entspricht. Dabei bewirkt die Amplitudenübertragungsfunktion (als Realteil der Übertragungsfunktion) eine Veränderung der Amplitude des Eingangssignals, während die Phasenübertragungsfunktion (als Imaginärteil der Übertragungsfunktion) eine Phasenverschiebung des Signals bewirkt. Bei der phasengleichen Demodulation der Pilottäne führen die Phasenverschiebungen ϕ1 und ϕ2 des ersten und zweiten Pilottons zu einer Verminderung der entsprechenden Antwortamplituden um den Faktor cos(ϕ1) bzw. cos(ϕ2). Da die Differenz ϕ1 - ϕ2 jedoch in guter Näherung π beträgt, werden beide Pilottöne betragsmäßig in gleicher Weise vermindert, wobei die Faktoren cos(ϕ1) und cos(ϕ2) zusätzlich einen Wechsel des relativen Vorzeichens hervorrufen. Beim Pilottonverfahren wird die Übertragungsfunktion durch die Mitkoppelspannung so geregelt, dass die Resonanzspitze bei ωA liegt und ω1 und ω2 entsprechend symmetrisch links und rechts des Maximums der Amplitudenübertragungsfunktion angeordnet sind. Im Pilottonverfahren wird die Asymmetrie der Übertragungsfunktion dadurch berücksichtigt, dass die Eingangsamplituden unterschiedlich gewählt werden und die Mitkoppelspannung wird so geregelt, dass die Differenz der beiden Anwortamplituden verschwindet. Sind die Eingangsamplituden auf die Asymmetrie der Übertragungsfunktion abgestimmt, führt dieses Verfahren dazu, dass das Maximum der Amplitudenübertragungsfunktion exakt bei ωA liegt. Das dafür notwendige Amplitudenverhältnis der Pilottöne ist durch α 2 α 1 = 2 ω A ω c a l 2 ω A + ω c a l 1 r

Figure DE102018218249A1_0008
gegeben. In vielen praktischen Anwendungen wird ein Amplitudenverhältnis von r α 1 α 2 = 1
Figure DE102018218249A1_0009
gewählt. Dadurch wird jedoch bei MEMS-Sensoren hoher Güte nur ein vernachlässigbar kleiner Fehler verursacht.The pilot tone method is an efficient and inexpensive method for determining the positive feedback voltage for the lowest possible frequency detuning between the drive and detection modes (see C. Ezekwe, Readout Techniques for high-Q micromachined vibratory rate gyroscope, University of California, Berkeley: PhD thesis, 2007 ). The method is based on the following basis: The dynamics of the detection mode can be characterized by an amplitude transfer function, the position of the maximum of this function corresponding to the resonance frequency of the detection mode. The frequency tuning aims to set up the positive feedback voltage in such a way that ω A and ω D coincide, so that the maximum of the transfer function (the resonance peak) is at ω A. For this purpose, two frequency signals, so-called pilot tones, are fed into the control circuit containing the MEMS component. The pilot tones are referenced to the drive frequency and outside the desired signal bandwidth, the frequency ω 1 = ω A - ω cal of a pilot tone below and the other frequency ω 2 = ω A + ω cal above the drive frequency ω A. Let α 1 and α 2 be the input amplitudes of the pilot tones at frequencies ω 1 and ω 2 . The response signal of the MEMS component to the pilot tones is demodulated in phase with the pilot tones and evaluated with a low-pass filter (see 1 ). In this way, the ratio of response amplitude and input amplitude for the pilot frequencies ω 1 and ω 2 can be determined, which corresponds to an evaluation of the (complex) transfer function of the system for these two frequencies. The amplitude transfer function (as a real part of the transfer function) causes a change in the amplitude of the input signal, while the phase transfer function (as an imaginary part of the transfer function) causes a phase shift of the signal. In the phase-in-phase demodulation of the pilot tane, the phase shifts ϕ 1 and ϕ 2 of the first and second pilot tones lead to a reduction in the corresponding response amplitudes by the factor cos (ϕ 1 ) or cos (ϕ 2 ). However, since the difference ϕ 1 - beträgt 2 is close to π, both pilot tones are reduced in the same way, whereby the factors cos (wobei 1 ) and cos (ϕ 2 ) additionally cause a change in the relative sign. In the pilot tone method, the transfer function is regulated by the positive feedback voltage so that the resonance peak is at ω A and ω 1 and ω 2 are arranged symmetrically left and right of the maximum of the amplitude transfer function. In the pilot tone process, the asymmetry of the transfer function is taken into account in that the input amplitudes are selected differently and the positive feedback voltage is regulated in such a way that the difference between the two response amplitudes disappears. If the input amplitudes are matched to the asymmetry of the transfer function, this method leads to the maximum of the amplitude transfer function being exactly ω A. The required amplitude ratio of the pilot tones is through α 2nd α 1 = 2nd ω A - ω c a l 2nd ω A + ω c a l 1 r
Figure DE102018218249A1_0008
given. In many practical applications, an amplitude ratio of r α 1 α 2nd = 1
Figure DE102018218249A1_0009
chosen. However, this only causes a negligibly small error in high-quality MEMS sensors.

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 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 ). Intrinsisch erzeugte parametrische Verstärkung der Detektionsmode basiert auf der Ausnutzung einer intrinsischen mechanischen Nichtlinearität der Steifigkeit bzw. der mechanischen Spannung der schwingenden Struktur. In MEMS-Sensoren wird dabei die mechanische Nichtlinearität der Steifigkeit bzw. der mechanischen Spannung im Silizium-Chip bei hohen Auslenkungen ausgenutzt. Ein möglicher Mechanismus besteht darin, dass die mit der Anregung der Antriebsmode verbundene zeitlich oszillierende Verformung des Resonators durch eine nichtlineare Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode die Steifigkeit des Resonantors bezüglich der Detektionsmode verändert. Bei geeigneter Wahl der Resonatorform, bzw. der Symmetrie von Antriebs- und Detektionsmode lässt sich so eine Steifigkeit erreichen, die mit der doppelten Antriebsfrequenz oszilliert (siehe dazu 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 ). Auf diese Weise wird Energie von der mit großer Amplitude (einige Mikrometer) schwingenden Antriebsmode auf die bei sehr kleiner Amplitude (wenige Nanometer) schwingende Detektionsmode übertragen und so eine Verstärkung des Detektionssignals erreicht.When generating parametric gain, a distinction is made between externally induced and intrinsically induced parametric gain. Both types of parametric amplification are used to increase sensitivity in open loop yaw rate sensors. An externally induced parametric amplification can be achieved, for example, by applying an alternating voltage to the detection electrodes, the frequency of which corresponds to twice the resonance frequency of the detection mode (see also 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 ). Intrinsically generated parametric amplification of the detection mode is based on the exploitation of an intrinsic mechanical non-linearity of the rigidity or the mechanical tension of the vibrating structure. The mechanical non-linearity of the rigidity or the mechanical tension in the silicon chip is used in MEMS sensors at high deflections. One possible mechanism is that the temporally oscillating deformation of the resonator associated with the excitation of the drive mode changes the stiffness of the resonator with respect to the detection mode by means of a non-linear coupling between the drive and detection modes. With a suitable choice of the resonator shape or the symmetry of the drive and detection mode, a stiffness can be achieved which oscillates at twice the drive frequency (see also SH Nitzan, V. Zega, M. Li, CH 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 ). In this way, energy is transferred from the drive mode vibrating with a large amplitude (a few micrometers) to the detection mode vibrating with a very small amplitude (a few nanometers), and the detection signal is thus amplified.

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: q ¨ A + ω A Q A q ˙ A + ω A 2 q A = F d r i v e / m c

Figure DE102018218249A1_0010
q ¨ D + ω D Q D q ˙ D + ω D 2 q D + λ ω D 2 q D + λ ω D 2 cos ( 2 ω A t ) q D = F c / m c + F Q / m c
Figure DE102018218249A1_0011
Another object of the present invention is a micromechanical component according to claim 6, with which the inventive method can be carried out.
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: q ¨ A + ω A Q A q ˙ A + ω A 2nd q A = F d r i v e / m c
Figure DE102018218249A1_0010
q ¨ D + ω D Q D q ˙ D + ω D 2nd q D + λ ω D 2nd q D + λ ω D 2nd cos ( 2nd ω A t ) q D = F c / m c + F Q / m c
Figure DE102018218249A1_0011

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 λ ω D 2 cos ( 2 ω A t ) q D

Figure DE102018218249A1_0012
in Gleichung (4) bestimmt die Überhöhung bzw. Unterdrückung der Detektionsamplitude aufgrund von parametrischer Verstärkung. Neben der Amplitudenänderung bewirkt der Term λ ω D 2 q D
Figure DE102018218249A1_0013
in Gleichung (4) eine Frequenzverschiebung aufgrund der parametrischen Verstärkung. Der nichtlineare Steifigkeitsparameter λ = V a A 2 2 ω D 2
Figure DE102018218249A1_0014
ist proportional zu dem von der Geometrie abhängigen nichtlinearen Kopplungskoeffizienten V, proportional zum Amplitudenquadrat a A 2
Figure DE102018218249A1_0015
der Antriebsmode und invers proportional zum Frequenzquadrat ω D 2
Figure DE102018218249A1_0016
der Detektionsmode. Der nichtlineare Steifigkeitsparameter λ definiert den Arbeitspunkt in Relation zum kritischen Schwellwert λcrit. Der kritische Schwellwert ist gegeben durch: λ c r i t = 2 Q D 4 Q D 2 δ 2 ω D 2 + 1
Figure DE102018218249A1_0017
Hierbei bezeichnet δ = ω p 1 + λ ω d r i v e
Figure DE102018218249A1_0018
die Frequenzverstimmung zwischen der Frequenz ωdrive der äußeren Kraftanregung und Frequenz der Detektionsmode ω p 1 + λ
Figure DE102018218249A1_0019
bei parametrischer Verstärkung. Für perfekte Frequenzabstimmung δ → 0 ist der kritische Schwellwert λcrit → 2/QD minimal (vgl. 2). Je größer die Frequenzverstimmung zwischen Antriebs- und Detektionsmode, desto größer ist der kritische Schwellwert λcrit (siehe 2). Die nichtlineare Steifigkeit λ in Bezug auf den kritischen Schwellwert λcrit bestimmt den Verstärkungsfaktor G (engl. Gain) des Detektionssignals. Der Verstärkungsfaktor G ist definiert als Verhältnis der Detektionsamplituden aD eines parametrische verstärkten Drehratensensors (λ/λcrit ≠ 0) im Vergleich zu einem konventionellen Drehratensensors ohne parametrische Verstärkung (λ/λcrit = 0): G = a D ( λ / λ c r i t 0 ) a D ( λ / λ c r i t = 0 )
Figure DE102018218249A1_0020
The driving force in fully resonant operation of the drive mode is defined as F drive = f 0 sin (ω A t). The non-linear stiffness parameter λ is a measure of the parametric amplification of the detection signal and determines the coupling between the drive and detection modes. For q A >> q D , the feedback of the detection mode to the drive mode can be neglected. In the case of a quadrature-compensated rotation rate sensor, the coupling k AD can be neglected. The term λ ω D 2nd cos ( 2nd ω A t ) q D
Figure DE102018218249A1_0012
Equation (4) determines the increase or suppression of the detection amplitude due to parametric amplification. In addition to the change in amplitude, the term causes λ ω D 2nd q D
Figure DE102018218249A1_0013
in equation (4) a frequency shift due to the parametric gain. The nonlinear stiffness parameter λ = V a A 2nd 2nd ω D 2nd
Figure DE102018218249A1_0014
is proportional to the geometry-dependent non-linear coupling coefficient V, proportional to the square of the amplitude a A 2nd
Figure DE102018218249A1_0015
the drive mode and inversely proportional to the frequency square ω D 2nd
Figure DE102018218249A1_0016
the detection mode. The nonlinear stiffness parameter λ defines the working point in relation to the critical threshold λ crit . The critical threshold is given by: λ c r i t = 2nd Q D 4th Q D 2nd δ 2nd ω D 2nd + 1
Figure DE102018218249A1_0017
Inscribed here δ = ω p 1 + λ - ω d r i v e
Figure DE102018218249A1_0018
the frequency detuning between the frequency ω drive of the external force excitation and the frequency of the detection mode ω p 1 + λ
Figure DE102018218249A1_0019
with parametric gain. For perfect frequency tuning δ → 0, the critical threshold λ crit → 2 / Q D is minimal (cf. 2nd ). The greater the frequency detuning between drive and detection mode , the greater the critical threshold λ crit (see 2nd ). The non-linear stiffness λ in relation to the critical threshold value λ crit determines the gain factor G (English Gain) of the detection signal. The gain factor G is defined as the ratio of the detection amplitudes a D of a parametric amplified rotation rate sensor (λ / λ crit ≠ 0) compared to a conventional rotation rate sensor without parametric amplification (λ / λ crit = 0): G = a D ( λ / λ c r i t 0 ) a D ( λ / λ c r i t = 0 )
Figure DE102018218249A1_0020

Wie in 2 gezeigt, sinkt der parametrische Verstärkungsfaktor G mit größer werdendem kritischem Schwellwert λcrit und mit zunehmender Frequenzverstimmung δ. Daraus resultiert, dass ein nennenswerter parametrischen Verstärkungsfaktor G >> 1 nur erreicht werden kann, wenn die Frequenz des äußeren Antriebs auf die Frequenz der Detektionsmode mit parametrischer Verstärkung ω D 1 + λ

Figure DE102018218249A1_0021
abgestimmt ist, d.h. δ = ω D 1 + λ ω d r i v e = 0.
Figure DE102018218249A1_0022
Es lässt sich dann eine sogenannte Mitkoppelspannung UDC bestimmen bei der die Frequenzverstimmung δ = ω p 1 + λ ω d r i v e ω e m ( U D C ) = 0
Figure DE102018218249A1_0023
ergibt.As in 2nd shown, the parametric gain factor decreases G with increasing critical threshold value λ crit and with increasing frequency detuning δ . The result of this is that a noteworthy parametric gain factor G >> 1 can only be achieved if the frequency of the external drive matches the frequency of the detection mode with parametric gain ω D 1 + λ
Figure DE102018218249A1_0021
is coordinated, ie δ = ω D 1 + λ - ω d r i v e = 0.
Figure DE102018218249A1_0022
A so-called positive feedback voltage U DC can then be determined at which the frequency detuning δ = ω p 1 + λ - ω d r i v e - ω e m ( U D C. ) = 0
Figure DE102018218249A1_0023
results.

Für die Anwendung des Pilottonverfahrens auf einen Drehratensensor mit parametrischer Verstärkung muss das Pilottonverfahren angepasst werden. Das in 1 dargestellte Schema ist weiterhin anzuwenden, allerdings muss bei der Wahl des Verhältnisses von erster und zweiter Eingangsamplitude die Form der Übertragungsfunktion berücksichtig werden. Insbesondere gilt hier im Gegensatz zum rein harmonischen Fall nicht mehr die Näherung ϕ1 ≈ ϕ2 + π für die durch die Phasenübertragungsfunktion bewirkten Phasenverschiebungen ϕ1 und ϕ2 des ersten und zweiten Pilottons. Um sowohl den Einfluss der Amplitudenübertragungsfunktion als auch der Phasenübertragungsfunktion zu berücksichtigen, wird bei der durch die Gleichungen (3) und (4) gegebenen Dynamik das Amplitudenverhältnis durch r α 1 α 2 = 1 + 2 λ ( Q D 2 ( 16 p 2 + λ 2 ) 4 ) 64 Q D 2 p 3 + 4 λ 16 Q D 2 p 2 λ Q D 2 λ 3 + 4 p ( 4 + Q D 2 λ 2 )

Figure DE102018218249A1_0024
festgelegt, wobei hier p = ω c a l ω D
Figure DE102018218249A1_0025
ist. Mit diesem Amplitudenverhältnis ist das Ausgangssignal des Pilottonverfahrens genau dann bei Null, wenn die Mitkoppelspannung so gesetzt ist, dass δ = 0 gilt. Dies gilt für jeden nichtlinearen Steifigkeitsparameter λ. Dadurch wird die parametrische Verstärkung in Drehratensensoren, bei denen die Mitkoppelspannung mithilfe des Pilottonverfahrens bestimmt wird, möglich gemacht.To use the pilot tone method on a rotation rate sensor with parametric gain, the pilot tone method must be adapted. This in 1 The diagram shown is still to be used, but the form of the transfer function must be taken into account when choosing the ratio of the first and second input amplitudes. In particular, in contrast to the purely harmonic case, the approximation ϕ 1 ≈ ϕ 2 + π no longer applies to the phase shifts ϕ 1 and ϕ 2 of the first and second pilot tone caused by the phase transfer function. In order to take into account both the influence of the amplitude transfer function and the phase transfer function, the amplitude ratio is determined by the dynamics given by equations (3) and (4) r α 1 α 2nd = 1 + 2nd λ ( Q D 2nd ( 16 p 2nd + λ 2nd ) - 4th ) 64 Q D 2nd p 3rd + 4th λ - 16 Q D 2nd p 2nd λ - Q D 2nd λ 3rd + 4th p ( 4th + Q D 2nd λ 2nd )
Figure DE102018218249A1_0024
fixed, being here p = ω c a l ω D
Figure DE102018218249A1_0025
is. With this amplitude ratio, the output signal of the pilot tone process is at zero if and only if the positive feedback voltage is set such that δ = 0. This applies to every nonlinear stiffness parameter λ . This enables parametric amplification in yaw rate sensors, in which the positive feedback voltage is determined using the pilot tone method.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt schematisch die Signalkette des Pilottonverfahrens. 1 shows schematically the signal chain of the pilot tone process.
  • 2 zeigt in den Verlauf des Verstärkungsfaktors G in Abhängigkeit von dem nichtlinearen Steifigkeitsparameter λ für drei verschiedene Werte der Frequenzverstimmung δ. 2nd shows in the course of the gain factor G depending on the non-linear stiffness parameter λ for three different values of the frequency detuning δ .
  • 3a und 3b zeigen den Verlauf der Amplitude und Phase der Detektionsmode in Abhängigkeit von der Frequenzverstimmung δ für vier verschiedene Werte des Steifigkeitsparameters λ. 3a and 3b show the course of the amplitude and phase of the detection mode depending on the frequency detuning δ for four different values of the stiffness parameter λ .

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In 1 ist die Signalkette des Pilottonverfahrens schematisch dargestellt. Das aus zwei Pilottönen α1cos(ω1t) + α2cos(ω2t) bestehende Signal 10 mit Eingangsamplituden α1 und α2 wird in den Regelkreis der Detektionsmode (charakterisiert durch die Übertragungsfunktion 11) eingespeist, wobei die Frequenz ω1 = ωA - ωcal des ersten Pilottons unterhalb und die zweite Frequenz ω2 = ωA + ωcal oberhalb der Antriebsfrequenz ωA gewählt ist. Aus dem resultierenden Antwortsignal wird durch eine Demodulation 12 mit cos(ω1t) + cos(ω2t) und einem Tiefpassfilter 13 die Antwort des Systems bezüglich der Pilotfrequenzen ω1 und ω2 isoliert. Die zu ω1 und ω2 gehörige erste und zweite Amplitude des Antwortsignals gehen in das Ausgangssignal 14 ein, anhand dessen das Kontrollsystem die Mitkoppelstruktur regelt. Das Ausgangssignal ist dabei so beschaffen, dass es genau dann verschwindet, wenn die beiden Antwortamplituden gleich groß sind. Bei dem Pilottonverfahren nach dem Stand der Technik wird das Verhältnis der Eingangsamplituden α1 und α2 auf Eins gesetzt und die damit durchgeführte Regelung führt (in sehr guter Näherung) zu einer verschwindenden Frequenzverstimmung. Bei einem parametrisch verstärkten Drehratensensor, bei dem die Verstärkung durch eine nichtlineare Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode induziert wird, führt dieses Verfahren jedoch zu einer signifikanten Frequenzverstimmung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Amplitudenverhältnis in Abhängigkeit von der Stärke der Kopplung eingestellt, so dass durch das modifizierte Verfahren eine präzise Frequenzabstimmung zwischen Antriebs- und Detektionsmode erreicht wird.In 1 the signal chain of the pilot tone process is shown schematically. The signal consisting of two pilot tones α 1 cos (ω 1 t) + α 2 cos (ω 2 t) 10th With input amplitudes α 1 and α 2 , the detection mode (characterized by the transfer function 11 ), where the frequency ω 1 = ω A - ω cal of the first pilot tone below and the second frequency ω 2 = ω A + ω cal above the drive frequency ω A is selected. The resulting response signal is demodulated 12th with cos (ω 1 t) + cos (ω 2 t) and a low pass filter 13 isolating the system's response to pilot frequencies ω 1 and ω 2 . The first and second amplitudes of the response signal belonging to ω 1 and ω 2 go into the output signal 14 on the basis of which the control system regulates the feedforward structure. The output signal is such that it disappears if and only if the two response amplitudes are the same. In the pilot tone method according to the prior art, the ratio of the input amplitudes α 1 and α 2 is set to one and the control carried out with it leads (to a very good approximation) to a disappearing frequency detuning. In the case of a parametrically amplified rotation rate sensor, in which the amplification is induced by a non-linear coupling between the drive and detection modes, this method leads to a significant frequency detuning. In the method according to the invention, the amplitude ratio is set as a function of the strength of the coupling, so that the modified method achieves precise frequency coordination between the drive and detection modes.

In 2 ist der Verlauf des Verstärkungsfaktors G in Abhängigkeit von dem nichtlinearen Steifigkeitsparameter λ für drei verschiedene Werte der Frequenzverstimmung δ = ω D 1 + λ ω d r i v e

Figure DE102018218249A1_0026
abgebildet. Als mathematisches Modell liegen dabei die Gleichungen (3) und (4) zugrunde. Der Gütefaktor wurde auf den Wert QD = 800 festgelegt. Auf der horizontalen Achse 1 ist der Wert des nichtlinearen Steifigkeitsparameters λ in der Kombination λQD/2 aufgetragen, d.h. die Position 1.0 entspricht dem Wert λ = 2/QD. Auf der vertikalen Achse 2 ist der Verstärkungsfaktor G aufgetragen und die Kurven 3a, 3b und 3c zeigen den Verlauf von G als Funktion von λQD/2 für die Werte δ 2 π = 0  Hz ,
Figure DE102018218249A1_0027
-10 Hz und -30 Hz. In allen drei Kurven 3a, 3b, 3c wächst der Verstärkungsfaktor mit steigendem λ monoton an und divergiert bei einem kritischen Schwellwert λcrit . Für λ < λcrit ist G > 1, wobei die Verstärkung erst mit Annährung an den kritischen Wert λcrit erheblich größer als Eins wird. Der kritische Wert λcrit verschiebt sich mit zunehmender Frequenzverstimmung δ nach rechts, d.h. für ein festes λ nimmt die Verstärkung mit zunehmender Frequenzverstimmung ab. Um eine möglichst hohe Verstärkung zu erreichen ist es deshalb erstrebenswert, die Frequenzverstimmung möglichst gering zu halten. Optimale Bedingungen, d.h. ein minimaler Wert λcrit = 2/QD wird für eine verschwindende Frequenzverstimmung δ = 0 erreicht (Kurve 3a).In 2nd is the course of the gain factor G depending on the non-linear stiffness parameter λ for three different values of the frequency detuning δ = ω D 1 + λ - ω d r i v e
Figure DE102018218249A1_0026
pictured. Equations (3) and (4) are used as the mathematical model. The quality factor was set at Q D = 800. On the horizontal axis 1 is the value of the nonlinear stiffness parameter λ in the combination λQ D / 2 plotted, ie the position 1.0 corresponds to the value λ = 2 / Q D. On the vertical axis 2nd is the gain factor G plotted and the curves 3a , 3b and 3c show the course of G as a function of λQ D / 2 for the values δ 2nd π = 0 Hz ,
Figure DE102018218249A1_0027
-10 Hz and -30 Hz. In all three curves 3a , 3b , 3c the gain factor increases monotonically with increasing λ and diverges at a critical threshold λ crit . For λ <λ crit is G > 1, whereby the reinforcement only with approximation to the critical value λ crit becomes significantly larger than one. The critical value λ crit shifts to the right with increasing frequency detuning δ, ie for a fixed λ the gain decreases with increasing frequency detuning. In order to achieve the highest possible amplification, it is therefore desirable to keep the frequency detuning as low as possible. Optimal conditions, ie a minimum value λ crit = 2 / Q D is achieved for a vanishing frequency detuning δ = 0 (curve 3a ).

In 3a ist der Verlauf der Amplitude der Detektionsmode in Abhängigkeit von der Frequenzverstimmung δ für vier verschiedene Werte des Steifigkeitsparameters λ abgebildet. Als mathematisches Modell liegen dabei die Gleichungen (3) und (4) zugrunde, wobei die Detektionsmode mit einer äußeren Kraft der Form F(t) = Fc sin(ωdrive t) angetrieben wird. Der Gütefaktor wurde auf den Wert QD = 800 festgelegt. Auf der horizontalen Achse 4 ist die Frequenzverstimmung δ in der Kombination δ/2π aufgetragen, auf der vertikalen Achse 5 ist die Detektionsamplitude aD in der Kombination a D ω D 2 / F c ,

Figure DE102018218249A1_0028
d.h. im Verhältnis zur Amplitude der treibenden Kraft F(t) aufgetragen. Die Kurve 6a entspricht dem Wert λ = 0, d.h. einem linearen Oszillator ohne parametrische Verstärkung. Die Kurven 6b, 6c, 6d entsprechen den Werten λQD/2 = 0.8, 0.9 und 0.98. Mit Annäherung an den kritischen Wert λcrit = 2/QD (d.h. λQD/2 = 1) steigt die Höhe des Maximums immer stärker an, wobei bei jeder Kurve (d.h. bei einem festem Wert von λ) das Maximum und damit die größte Erhöhung der Amplitude für eine verschwindende Frequenzverstimmung δ = 0 erreicht wird. In 3b ist die zugehörige Phase der Detektionsmode dargestellt. Auf der horizontalen Achse 4 ist, wie in 3a die Frequenzverstimmung δ in der Kombination δ/2π aufgetragen, während auf der vertikalen Achse 7 die Phasenverschiebung ΦD/2π zwischen der Schwingung der Detektionsmode und der treibenden Kraft aufgetragen ist. Die Kurve 8a entspricht dem Fall λ = 0 ohne parametrische Verstärkung und die Kurven 8b, 8c und 8d entsprechen den Werten λQD/2 = 0.8, 0.9 und 0.98. Es lässt sich zeigen, dass das konventionelle Pilottonverfahren zu einer signifikanten Frequenzverstimmung von δ = ω D λ 4
Figure DE102018218249A1_0029
führt. In der 3b ist der entsprechende Bereich 9 der Breite ω D λ 2
Figure DE102018218249A1_0030
um den Wert δ = 0 herum eingezeichnet.In 3a the course of the amplitude of the detection mode is depicted as a function of the frequency detuning δ for four different values of the stiffness parameter λ. The mathematical model is based on equations (3) and (4), the detection mode being driven with an external force of the form F (t) = F c sin (ω drive t). The quality factor was set at Q D = 800. On the horizontal axis 4th is the frequency detuning δ in the combination δ / 2π plotted on the vertical axis 5 is the detection amplitude a D in the combination a D ω D 2nd / F c ,
Figure DE102018218249A1_0028
ie plotted in relation to the amplitude of the driving force F (t). The curve 6a corresponds to the value λ = 0, ie a linear oscillator without parametric amplification. The curves 6b , 6c , 6d correspond to the values λQ D / 2 = 0.8, 0.9 and 0.98. As the critical value λ crit = 2 / Q D (ie λQ D / 2 = 1) approaches, the height of the maximum increases more and more, with the maximum and thus the largest for each curve (ie with a fixed value of λ) Increasing the amplitude for a vanishing frequency detuning δ = 0 is achieved. In 3b the associated phase of the detection mode is shown. On the horizontal axis 4th is like in 3a the frequency detuning δ in combination δ / 2π plotted while on the vertical axis 7 the phase shift Φ D / 2π is plotted between the vibration of the detection mode and the driving force. The curve 8a corresponds to the case λ = 0 without parametric amplification and the curves 8b , 8c and 8d correspond to the values λQ D / 2 = 0.8, 0.9 and 0.98. It can be shown that the conventional pilot tone method leads to a significant frequency detuning of δ = ω D λ 4th
Figure DE102018218249A1_0029
leads. In the 3b is the corresponding area 9 the width ω D λ 2nd
Figure DE102018218249A1_0030
for value δ = 0 drawn in.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

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]

Claims (6)

Verfahren zur Frequenzabstimmung eines mikromechanischen Bauelements, 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: -- Anregung der Antriebsmode mit einer Antriebsfrequenz durch die Antriebsstruktur, -- Anregung der Detektionsmode mit einem ersten und zweiten Pilotton durch das Kontrollsystem, wobei der erste Pilotton eine erste Eingangsamplitude und eine erste Pilotfrequenz und der zweite Pilotton eine zweite Eingangsamplitude und eine zweite Pilotfrequenz aufweist, wobei die erste Pilotfrequenz kleiner ist als die Antriebsfrequenz und die zweite Pilotfrequenz größer ist als die Antriebsfrequenz und das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von der Stärke der Kopplung zwischen Antriebsmode und Detektionsmode eingestellt wird, -- Messung einer zeitabhängigen Auslenkung der angeregten Detektionsmode durch das Detektionssystem, -- Bestimmung einer ersten Antwortamplitude bei der ersten Pilotfrequenz und einer zweiten Antwortamplitude bei der zweiten Pilotfrequenz durch das Kontrollsystem, wobei die Bestimmung der ersten und zweiten Antwortamplitude auf Grundlage der zeitabhängigen Auslenkung der angeregten Detektionsmode erfolgt, -- Regelung der Eigenfrequenz der Detektionsmode über die Mittkoppelstruktur durch das Kontrollsystem, wobei die Regelung derart erfolgt, dass die erste Antwortamplitude gleich der zweiten Antwortamplitude ist.Method for frequency tuning of a micromechanical component, the micromechanical component having an oscillatory structure, a drive structure, a detection structure, a coupling structure and a control system, wherein the drive structure is configured to excite a drive mode of the oscillatable structure, the detection structure being used to detect a detection mode of the oscillatory structure Structure is configured, wherein the vibratable structure with respect to the detection mode has 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, characterized in that that the method comprises the following steps: excitation of the drive mode with a drive frequency by the drive structure, excitation of the detectors Onsmode with a first and second pilot tone by the control system, wherein the first pilot tone has a first input amplitude and a first pilot frequency and the second pilot tone has a second input amplitude and a second pilot frequency, the first pilot frequency being less than the drive frequency and the second pilot frequency being greater when the drive frequency and the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the strength of the coupling between the drive mode and the detection mode, - measurement of a time-dependent deflection of the excited detection mode by the detection system, - determination of a first response amplitude at the first pilot frequency and one second response amplitude at the second pilot frequency by the control system, the first and second response amplitudes being determined on the basis of the time-dependent deflection of the excited detection mode, - regulation of the natural frequency of the detector Ionsmode over the coupling structure by the control system, the control being carried out such that the first response amplitude is equal to the second response amplitude. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Quadraturkompensation der Detektionsmode durch das Kontrollsystem erfolgt.Procedure according to Claim 1 , with a quadrature compensation of the detection mode by the control system. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von der Differenz zwischen erster Pilotfrequenz und zweiter Pilotfrequenz eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein 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. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von der Antriebsfrequenz eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the drive frequency. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis aus erster und zweiter Eingangsamplitude in Abhängigkeit von dem Gütefaktor der Detektionsmode eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the ratio of the first and second input amplitude is set as a function of the quality factor of the detection mode. Mikromechanisches Bauelement, aufweisend eine schwingungsfähige Struktur, eine Antriebsstruktur, eine Detektionsstruktur, eine Mitkoppelstruktur und ein Kontrollsystem, 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 Federkonstante der Detektionsmode konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstruktur, die Detektionsstruktur und das Kontrollsystem zur Durchführung eines Verfahrens zur Frequenzabstimmung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 konfiguriert sind.Micromechanical component, comprising a vibratable 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 vibratable structure, the detection structure being configured to detect a detection mode of the vibratable structure, the vibratable structure has a spring constant with respect to the detection mode, which 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 spring constant of the detection mode, characterized in that the drive structure, the detection structure and the Control system for carrying out a method for frequency tuning according to one of the Claims 1 to 5 are configured.
DE102018218249.3A 2018-10-25 2018-10-25 Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component Pending DE102018218249A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018218249.3A DE102018218249A1 (en) 2018-10-25 2018-10-25 Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018218249.3A DE102018218249A1 (en) 2018-10-25 2018-10-25 Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018218249A1 true DE102018218249A1 (en) 2020-04-30

Family

ID=70416777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018218249.3A Pending DE102018218249A1 (en) 2018-10-25 2018-10-25 Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018218249A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020202812A1 (en) 2020-03-05 2021-09-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method and device for improved operation of an oscillator and rotation rate sensor

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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
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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020202812A1 (en) 2020-03-05 2021-09-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method and device for improved operation of an oscillator and rotation rate sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2087315B1 (en) Arrangement for measuring a rate of rotation using a vibration sensor
EP1123485B1 (en) Sensor having a resonance structure, especially an acceleration or rotation rate sensor, and a device for carrying out a self-test
DE69525405T2 (en) Comb-shaped drive device for a micromechanical rotational speed sensor and associated measuring method
DE102012207937A1 (en) Yaw rate sensor
DE69307587T2 (en) Gyro compass
DE19801981C2 (en) Vibration type angular velocity sensor
DE102009000606A1 (en) Micromechanical structures
WO2009003541A1 (en) Coriolis gyro
WO1995029383A1 (en) Micro-mechanical oscillator of an oscillation gyrometer
DE112013006495B4 (en) Inertial sensor
DE102012210374A1 (en) Yaw rate sensor
DE102012219660A1 (en) Mechanical component and manufacturing method for a mechanical component
DE102018218249A1 (en) Micromechanical component and method for frequency tuning of a parametrically amplified micromechanical component
DE102011006453A1 (en) Yaw rate sensor operating method, involves driving coriolis element by coriolis force in detection oscillation with detection frequency, and adjusting detection frequency by quadrature compensation structures
DE102018219333B3 (en) METHOD FOR AUTOMATIC FREQUENCY ADJUSTMENT OF A FILTER IN A CLOSED CONTROL LOOP
DE102009045432B4 (en) Angular rate sensor and method for operating a angular rate sensor
DE4424635B4 (en) Micromechanical acceleration sensor
DE102008044664B4 (en) Method for frequency control of an oscillator arrangement
DE102015003196B4 (en) Device and method for residual value processing when activating a sensor
DE102017217009B3 (en) MEMS device and corresponding operating method
DE102022200335A1 (en) Sensor system and method for determining a change in capacitance per unit length
DE102019008491A1 (en) Capteur inertiel amélioré
EP1759216B1 (en) Acceleration sensor and method for detecting acceleration
WO2007012518A1 (en) Rotational speed sensor
DE19811025A1 (en) Mechanical oscillator e.g. for mechanical or micromechanical rotation rate sensor