DE102012219511A1

DE102012219511A1 - Mikromechanische Struktur

Info

Publication number: DE102012219511A1
Application number: DE201210219511
Authority: DE
Inventors: Rolf Scheben; Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30
Also published as: US20140116134A1; CN103776437B; CN103776437A

Abstract

Vorgeschlagen wird eine mikromechanische Struktur, insbesondere Drehratensensor, mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisenden Substrat zur Detektion einer ersten Drehrate um eine sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene erstreckenden ersten Richtung und zur Detektion einer zweiten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene erstreckenden zweiten Richtung und zur Detektion einer dritten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur zweiten Richtung sich erstreckenden dritten Richtung, wobei die mikromechanische Struktur ein zu einer Drehschwingung um eine Drehachse parallel zur ersten Richtung angetriebenes Drehschwingelement aufweist, wobei die mikromechanische Struktur ferner ein Drehratensensoranordnung zur Detektion der ersten Drehrate aufweist, wobei das Drehschwingelement die Drehratensensoranordnung in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene vollständig umgibt, wobei die mikromechanische Struktur wenigstens eine erste Anbindung der Drehratensensoranordnung an dem Drehschwingelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur wenigstens eine zweite Anbindung der Drehratensensoranordnung am Substrat aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Mikromechanische Strukturen bzw. Drehratensensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Anordnungen werden seit etlichen Jahren für zahlreiche Anwendungen, u. a. im Automobilbereich und im Konsumelektronik-Bereich in Massenfertigungen hergestellt. In jüngerer Zeit gewinnen mehrachsige Drehratensensoren deutlich an Stückzahlvolumen. Im Konsumelektronik-Bereich betrifft dies insbesondere dreiachsige oder dreikanalige Drehratensensoren bzw. mikromechanische Strukturen. Entscheidend ist hierbei neben Aspekten hinsichtlich der Genauigkeit und sonstiger Leistung der mikromechanischen Strukturen eine geringe Baugröße und damit einhergehend auch geringe Kosten solcher mikromechanischer Drehratensensoren. Hierbei ist es technisch möglich, einen dreikanaligen Drehratensensor (d. h. einen Drehratensensor, welcher drei sensitive Achsen bzw. sensitive Richtungen aufweist, die typischerweise jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind) bzw. drei einkanalige Drehratensensoren in einem Gehäuse bzw. in einer Anordnung anzuordnen, beispielsweise auf einem Chip zu platzieren. Daneben sind andere Lösungen bekannt, bei denen die Dreiachsigkeit (bzw. zumindest Drehratenempfindlichkeit gegenüber zwei Drehratenachsen, nämlich um eine parallel und um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats sich erstreckende Achse) über eine komplexe gekoppelte Struktur mit einer gemeinsamen Antriebsmode dargestellt wird. Diese letzteren Varianten ermöglichen eine reduzierte Baugröße der mikromechanischen Struktur bzw. des mikromechanischen bzw. mikroelektromechanischen Bauelements, so dass die Baugröße reduzierbar ist und eine einfachere Auswerteschaltung realisierbar ist, was insbesondere für Konsumelektronik-Anwendungen einen Vorteil darstellt. Die Druckschrift DE 10 2008 042 369 A1 offenbart beispielsweise drei nebeneinander angeordnete Sensorstrukturen, wobei jeweils eine Sensorstruktur eine Messachse bzw. eine sensitive Richtung des Drehratensensors abdeckt, wobei die nebeneinander angeordneten Sensorstrukturen über einen gemeinsamen Antriebsbalken miteinander verbunden sind. Durch diese Anordnung ist der Flächenbedarf der mikromechanischen Struktur bzw. des Drehratensensors relativ hoch. Im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Miniaturisierung erscheinen daher Konzepte vielversprechender, bei denen eine einzelne Masse zur Detektion von Drehraten um mehrere Achsen verwendet werden kann. Ein Beispiel hierfür ist eine mikromechanische Struktur mit einer rotierenden Scheibe bzw. eine Drehschwingungen ausführende Scheibe, deren Funktion allerdings zunächst auf zwei sensitive Drehachsen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats beschränkt ist, was üblicherweise dadurch bezeichnet wird, dass die sensitiven Drehachsen bzw. die Drehachsen, um die Drehraten detektierbar sind, mit der x-Richtung und mit der y-Richtung identifiziert werden, wobei die x-Richtung und die y-Richtung der Ebene des Sensorsubstrats entsprechen und die entsprechenden Drehraten um diese beiden senkrecht aufeinander stehenden Achsen üblicherweise mit Ω_x und Ω_y bezeichnet werden. Die zusätzliche Empfindlichkeit einer solchen mikromechanischen Struktur um die dritte Raumrichtung, üblicherweise als Ω_z Sensibilität bzw. Ω_z Funktionalität bezeichnet, d. h. die Empfindlichkeit bei der Drehung der mikromechanischen Struktur um die senkrecht auf die Ebene des Sensorsubstrats stehende Z-Achse, muss über Zusatzstrukturen sichergestellt werden. Hierfür schlagen die Druckschriften EP 183 2841 A1 und US 2010/0154541 A1 Linearschwinger vor, die in Aussparungen der Scheibe bzw. der Drehschwingungsanordnung angeordnet sind und über Federn an die Scheibe beweglich gekoppelt sind. Ein großer Nachteil solcher Strukturen ist, dass auf die Detektionsmassen für die Ω_z Detektion nicht nur die Corioliskraft, sondern auch starke Zentrifugalkräfte wirken, welche das Nutzsignal, d. h. das Coriolissignal, massiv überlagern. Der Betrag der Corioliskraft ist proportional zum Zweifachen des Produkts aus der Masse der seismischen Masse, der Geschwindigkeit senkrecht zur Drehachse und der Drehrate. Der Betrag der Zentrifugalkraft ist proportional zur Masse der seismischen Masse, dem Quadrat der Kreisfrequenz sowie dem Radius um die Drehachse. Wenn die Geschwindigkeit (senkrecht zur Drehachse) als Produkt der Kreisfrequenz und des Radius angesetzt wird, ergibt sich als Verhältnis der Zentrifugalkraft zur Corioliskraft als das Verhältnis der Drehrate Ω zum Doppelten der Kreisfrequenz, d. h. beispielsweise bei einer Antriebsfrequenz von 20 kHz und einer bereits relativ groß gewählten Drehrate von 1000 Grad pro Sekunde ergibt sich ein Verhältnis des Betrags der Zentrifugalkraft zum Betrag der Corioliskraft von 7200. Zwar tritt das Zentrifugalsignal bei doppelter Frequenz auf, jedoch muss zur Vermeidung einer Übersteuerung dennoch ein entsprechend großer Dynamikbereich der Eingangsstufe in der Auswerteschaltung vorgehalten werden, so dass die Auflösung des Sensors sich hierdurch verschlechtert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikromechanische Struktur bzw. einen Drehratensensor zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und – bei entweder einem dreiachsigen Drehratensensor oder einem zweiachsigen Drehratensensor mit einer sensiblen Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats und einer sensiblen Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats – insbesondere eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der Zentrifugalkraft bei einer Drehung um die auf die Haupterstreckungsebene senkrecht stehende Achse aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße mikromechanische Struktur bzw. der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine größere Unempfindlichkeit gegenüber der Zentrifugalkraft bei einer Drehung um die auf die Haupterstreckungsebene senkrecht stehende Drehachse realisierbar ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, eine größere Empfindlichkeit des Sensors bzw. der mikromechanischen Struktur gegenüber einer Drehung um die auf die Haupterstreckungsebene des Substrats der mikromechanischen Struktur senkrecht stehende Drehachse (nachfolgend auch als erste Drehachse bezeichnet) zu erhalten. Ferner ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, die genannten Vorteile zusammen mit einer sehr kompakten Realisierung eines dreikanaligen (bzw. zweikanaligen) Drehratensensors bzw. einer entsprechenden mikromechanischen Struktur zu realisieren, so dass der Platzbedarf zur Realisierung der mikromechanischen Struktur besonders klein ist und daher auch die Kosten in besonderem Maße minimierbar sind. Erfindungsgemäß wird die geringere Abhängigkeit von der Zentrifugalkraft dadurch erreicht, dass eine im Inneren eines Drehschwingelements angeordnete Drehratensensoranordnung nicht nur über wenigstens eine erste Anbindung mit dem Drehschwingelement verbunden ist, sondern auch über wenigstens eine zweite Anbindung mit dem Substrat verbunden ist. Hierdurch kann die Beeinflussung bzw. die Überlagerung des Sensornutzsignals (Coriolissignal) durch das Zentrifugalsignal bzw. durch den Effekt der Zentrifugalbeschleunigung maßgeblich reduziert bzw. sogar vermieden werden, so dass eine bessere und genauere Auswertung des Drehratensignals erfindungsgemäß ermöglicht wird und insgesamt die Sensoranordnung bzw. die mikromechanische Struktur eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehratensensoranordnung ein erstes Drehratensensorelement und ein zweites Drehratensensorelement aufweist, wobei die mikromechanische Struktur derart konfiguriert ist, das erste und zweite Drehratensensorelement parallel zu einer Antriebsrichtung zu einer gegensinnigen Antriebsbewegung anzutreiben, wobei zur Realisierung der Antriebsbewegung das Drehschwingelement mittels der ersten Anbindung mit dem ersten Drehratensensorelement und mittels einer weiteren ersten Anbindung mit dem zweiten Drehratensensorelement verbunden ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine besonders genaue Detektion der Drehbewegung um die auf die Sensorsubstratebene (Haupterstreckungsebene des Substrats) senkrecht stehende Achse ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die erste Anbindung eine erste Feder und die weitere erste Anbindung eine zweite Feder aufweist, wobei die erste und zweite Feder jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung eine geringere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass durch die Drehschwingbewegung des Drehschwingelements ein zuverlässiger Antrieb der Drehratensensoranordnung im Inneren des Drehschwingelements realisierbar ist und dennoch sowohl eine Einkoppelung von Bewegungskomponenten senkrecht zur Antriebsrichtung der Drehratensensoranordnung (d. h. sowohl parallel zur Haupterstreckungsebene senkrecht zur Antriebsrichtung als auch in Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats) vermeidbar ist und so ein möglichst reiner Linearantrieb der Drehratensensoranordnung (trotz des Antriebs durch das Drehschwingelement und die damit einhergehende Drehbewegung und trotz der Auslenkung des Drehschwingelements senkrecht zur Haupterstreckungsebene aufgrund von parallel zur Haupterstreckungsebene auftretenden Drehratenkomponenten) möglich ist. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, dass die erste und zweite Feder jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung eine wesentlich geringere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsrichtung der Drehratensensoranordnung, insbesondere eine, beispielsweise um den Faktor 10 oder um den Faktor 50 oder um den Faktor 100, geringere Federsteifigkeit als in Richtung parallel zur Antriebsrichtung der Drehratensensoranordnung aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das erste Drehratensensorelement mittels der zweiten Anbindung mit dem Substrat verbunden ist und dass das zweite Drehratensensorelement mittels einer weiteren zweiten Anbindung mit dem Substrat verbunden ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter Weise möglich, den Einfluss der Zentrifugalkraft auf die Auswertung des Drehratensensors bzw. der mikromechanischen Struktur, insbesondere zur Auswertung einer Drehrate um die senkrecht auf die Haupterstreckungsebene stehende Richtung (erste Richtung), zu verringern.
Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die zweite Anbindung eine dritte Feder und die weitere zweite Anbindung eine vierte Feder aufweist, wobei die dritte und vierte Feder jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung eine größere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass wiederum die Bewegung der Drehratensensoranordnung innerhalb des Drehschwingelements von der Bewegung des Drehschwingelements entkoppelt wird.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß ebenfalls bevorzugt vorgesehen, dass das erste Drehratensensorelement eine erste Detektionsanordnung und ein erstes Detektionselement aufweist und das zweite Drehratensensorelement eine zweite Detektionsanordnung und ein zweites Detektionselement aufweist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine besonders gute Entkoppelung des Detektionselements bzw. der Detektionsanordnung von der Bewegung des die Drehratensensoranordnung umgebenden Drehschwingelements möglich ist.
Erfindungsgemäß ist es ferner auch bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur erste Detektionsmittel einer Auslenkung des ersten Detektionselements und zweite Detektionsmittel zur Detektion einer Auslenkung des zweiten Detektionsmittels in einer Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung und in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsrichtung aufweist. Ferner ist es ebenfalls bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur neben der Detektion der ersten und zweiten Drehrate zur Detektion einer dritten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur zweiten Richtung erstreckenden dritten Richtung konfiguriert ist. Weiterhin ist es auch bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur dritte Detektionsmittel zur Detektion einer Auslenkung parallel zur ersten Richtung und zur Detektion der zweiten Drehrate aufweist und dass die mikromechanische Struktur vierte Detektionsmittel zur Detektion einer Auslenkung parallel zur ersten Richtung und zur Detektion der dritten Drehrate aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur und
2 bis 8 schematische Prinzipdarstellungen erfindungsgemäßer mikromechanischer Strukturen, insbesondere Drehratensensoren, gemäß alternativen Ausführungsformen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In der 1 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur, insbesondere eines Drehratensensors, dargestellt. Die mikromechanische Struktur wird insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die mikromechanische Struktur 1 weist ein Substrat auf, welches lediglich schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet ist. Das Substrat 110 weist eine Haupterstreckungsebene 100 auf, welche in der 1 unten rechts schematisch zusammen mit einer zweiten Richtung 102 und einer dritten Richtung 103 sowie den Achsenbezeichnungen x für die zweite Richtung 102 und y für die dritte Richtung 103 angegeben ist. Eine erste Richtung 101 ist als senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckt zu denken und ist auch mit der Bezeichnung z versehen. Die mikromechanische Struktur 1, die insbesondere als Drehratensensor, insbesondere als zwei- oder dreikanaliger Drehratensensor, ausgebildet ist, ist wenigstens zur Detektion einer ersten Drehrate um die sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende erste Richtung 101, zur Detektion einer zweiten Drehrate um die zweite Richtung 102 (die sich parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckt) und ggf. zur Detektion einer dritten Drehrate um die dritte Richtung 103, die sich ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsebene 100, jedoch senkrecht zur zweiten Richtung 102 erstreckt, vorgesehen. In der nachfolgenden Beschreibung wird vorrangig auf einen dreikanaligen Drehratensensor eingegangen; die Erfindung ist jedoch auch auf eine zweikanalige Anordnung zur Sensierung der Ω_x/y und der Ω_z Drehraten anwendbar. Die mikromechanische Struktur 1 weist hierzu ein Drehschwingelement 10 auf, welches mittels Anbindungspunkten 30 und Federelementen 40 drehbar relativ zum Substrat 110 mit dem Substrat 110 verbunden ist. Hierbei ist das Drehschwingelement 10 gemäß der Ausbildung der mikromechanischen Struktur 1 gemäß der 1 als im Wesentlichen quadratisches Element bzw. quadratisches Ringelement vorgesehen, welches in der Lage ist, eine Drehschwingung um die erste Richtung 101 auszuführen, wobei sich die Drehachse im Bereich des Mittelpunktes bzw. im Mittelpunkt der quadratischen Anordnung des Drehschwingelements 10 befindet. Das Drehschwingelement 10 weist eine Ausnehmung auf – typischerweise in der Mitte bzw. in einem zentralen Bereich des Drehschwingelements 10 –, so dass in dem Drehschwingelement 10 bzw. in der Ausnehmung des Drehschwingelements 10 eine Drehratensensoranordnung 12 angeordnet werden kann. Das Drehschwingelement 10, welches auch als Schwingrahmen 10 bezeichnet wird, ist über, insbesondere vier, Federelemente 40 an, insbesondere vier, Anbindungspunkten 30 mit dem Substrat 110 verbunden, wobei bei der Ausführungsform gemäß der 1 die Federelemente 40 im Wesentlichen radial relativ zur Drehschwingachse (erste Richtung 101) verlaufend vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß weist die mikromechanische Struktur ein Antriebsmittel 80, 81, 82 auf, wobei das Antriebsmittel in der Lage ist, das Drehschwingelement 10 zu der Drehschwingung um die erste Richtung bzw. um eine Drehachse parallel zur ersten Richtung 101 anzutreiben. Hierzu sind insbesondere Fingerelektroden aufweisende, feststehende Antriebskämme 80, 81 und ein beweglicher Antriebskamm 82 vorhanden. Die feststehenden Antriebskämme 80, 81 sind jeweils mit dem Substrat 110 verbunden, während der bewegliche Antriebskamm 82 mit dem Drehschwingelement 10 verbunden ist. Erfindungsgemäß kann das Antriebsmittel eine Mehrzahl solcher Antriebskämme aufweisen; dargestellt sind in der 2 drei solcher Antriebsstrukturen im unteren Teil der mikromechanischen Struktur und drei solcher Antriebsstrukturen im oberen Teil der mikromechanischen Struktur 1. Es könnte jedoch erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass entsprechende Antriebsstrukturen im linken bzw. rechten Balken des Schwingrahmens angeordnet sind. Über die Antriebsmittel kann der Schwingrahmen 10 bzw. das Drehschwingelement 10 zu einer rotatorischen Schwingung um die erste Achse (Z-Achse) angeregt werden. Gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schwingrahmen 10 eckig, jedoch nicht quadratisch, sondern rechteckig bzw. rund ausgebildet ist oder aber eine ringförmige oder elliptische Form aufweist.
Beim Auftreten von Drehraten um die zweite bzw. dritte Achse 102, 103 (x-Achse bzw. y-Achse) verkippt die Struktur des Schwingrahmens 10 bzw. des Drehschwingelementes 10 um die dritte Richtung 103 bzw. um die zweite Richtung 102, was zu Abstandsänderungen des Schwingrahmens 10 bzw. des Drehschwingelements 10 zum Substrat 110 führt. Diese Abstandsänderungen werden mittels, insbesondere unterhalb des Drehschwingelements 10 bzw. des Schwingrahmens 10 angeordneter, Detektionselektroden 21, 22, 23, 24 detektiert. Hierbei werden die mit dem Bezugszeichen 21 und 22 bezeichneten Elektroden auch als drittes Detektionsmittel zur Detektion einer lokalen Auslenkung des Drehschwingelements 10 parallel zur ersten Richtung zur Detektion der dritten Drehrate um die dritte Richtung 103 vorgesehen. Weiterhin sind die mit dem Bezugszeichen 23 und 24 bezeichneten Detektionselektroden nachfolgend auch als vierte Detektionsmittel zur Detektion einer lokalen Auslenkung des Drehschwingelements parallel zur ersten Richtung und zur Detektion der zweiten Drehrate um die zweite Richtung 102 vorgesehen. Dies entspricht der Funktionsweise der schwingenden Scheibe, beispielsweise gemäß der Patentveröffentlichungen DE 199 15 257 A1 bzw. DE 10 2006 052 522 A1 .
Innerhalb des Schwingrahmens 10 bzw. des Drehschwingelements 10 befindet sich die Drehratensensoranordnung 12, umfassend im in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein erstes Drehratensensorelement 12' und ein zweites Drehratensensorelement 12'', die über eine Koppelfeder 43, welche sowohl Bewegungen in x- als auch in y-Richtung erlaubt (d. h. in der zweiten und der dritten Richtung 102, 103), miteinander verbunden sind. Über wenigstens eine Anbindung 31, 31' ist das Drehschwingelement 10 mit der Drehratensensoranordnung 12 verbunden, insbesondere mittels der ersten Anbindung 31 mit dem ersten Drehratensensorelement 12' und mittels einer weiteren ersten Anbindung 31' mit dem zweiten Drehratensensorelement 12'', wobei die erste Anbindung 31 und die weitere erste Anbindung 31' bezüglich des Drehschwingelements auf unterschiedlichen Seiten bzw. bezüglich der Drehratensensoranordnung 12 auf unterschiedlichen Seiten angeordnet sind. Die erste Anbindung 31 weist eine erste Feder 41 und die weitere erste Anbindung 31' eine zweite Feder 41' auf, wobei die erste und zweite Feder 41, 41' jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung 12 eine geringere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung 12. Die Drehratensensoranordnung 12 ist erfindungsgemäß ferner auch über eine zweite Anbindung 32, 32' mit dem Substrat 110 verbunden. Hierzu ist die zweite Anbindung 32 als Substratverankerung des ersten Drehratensensorelements 12' vorgesehen und es ist eine weitere zweite Anbindung 32' als eine Anbindung des zweiten Drehratensensorelements 12'' mit dem Substrat 110 vorgesehen. Die zweite Anbindung 32 umfasst eine dritte Feder 42 und die weitere Anbindung 32' umfasst eine vierte Feder 42', wobei die dritte und vierte Feder 42, 42' jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung 101 und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung 12 eine größere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung 12. Durch die sehr lokale erste Anbindung 31 bzw. weitere erste Anbindungen 31' wird sichergestellt, dass bei der Rotationsbewegung des Drehschwingelements 10 bzw. des Schwingrahmens 10 nur eine sehr geringe Querkraft senkrecht zur Antriebsrichtung (in der dargestellten Ausführungsform der 1 fällt die Antriebsrichtung der Drehratensensoranordnung 12 mit der dritten Richtung 103 (auch y-Richtung genannt) zusammen) auftritt. Dieses Zusammenfallen muss jedoch erfindungsgemäß nicht zwingend der Fall sein. Die Antriebsrichtung könnte auch gemäß der zweiten Richtung 102 vorgesehen sein oder auch in einem Winkel ungleich 90° zur zweiten bzw. dritten Richtung 102, 103. Die noch verbleibende Querkraft wird über die in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung weichen ersten und zweiten Federn 41 und 41' im Wesentlichen aufgefangen, da die Rahmenstruktur 14 bzw. das Antriebselement 14 über die senkrecht zur Antriebsrichtung extrem steifen dritten und vierten Federn 42, 42' mit dem Substrat 110 verbunden ist, so dass der Rahmen 14 bzw. das Antriebselement 14 in Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung praktisch nicht auslenken kann. Die erste und zweite Feder 41, 41' ist dagegen sehr steif parallel zur Antriebsrichtung (in der 1 die dritte Richtung 103) und führt den Rahmen 14 bzw. das Antriebselement 14 in der Antriebsrichtung mit. Damit bildet sich eine gemeinsame Antriebsmode des Schwenkrahmens 10 bzw. des Drehschwingelements für die Ω_x-Detektion und die Ω_y-Detektion (d. h. die zweite und dritte Drehrate) und des Linearschwingers 12 bzw. der Drehratensensoranordnung 12 für die Ω_z-Detektion (d. h. für die erste Drehrate) heraus. Hierbei bewegen sich die ersten und zweiten Antriebselemente 14, 14' der Drehratensensoranordnung gegenphasig parallel zur Antriebsrichtung, welche im dargestellten Beispiel mit der dritten Richtung 103 zusammenfällt. Gleichzeitig wird jedoch das Auftreten von Zentrifugalbeschleunigungen in der Drehratensensoranordnung 12 wirksam unterdrückt. Die erste und zweite Detektionsanordnung 16, 16' der Drehratensensoranordnung 12 werden bei der Antriebsbewegung über die in Antriebsrichtung steifen Federn 44 bzw. 44' mitgeführt (d. h. bewegen sich ebenfalls relativ zueinander gegenphasig). Beim Auftreten von Drehraten um die erste Achse 101 (d. h. bei Auftreten einer Drehratenkomponente entsprechend der ersten Drehrate) treten Corioliskräfte parallel zur zweiten Richtung 102 auf und die Detektionsanordnungen 16, 16' lenken entsprechend gegenphasig parallel zur zweiten Richtung 102 aus. Die Auslenkungen werden erfindungsgemäß insbesondere kapazitiv von lediglich beispielhaft angegebenen beweglichen Elektroden 25 bzw. Festelektroden 26, 27, welche zusammen zwei Detektionsmittel zur Detektion der Außenlenkung der zweiten Detektionsanordnung 16' bilden, erfasst. Entsprechende Elektroden für erste Detektionsmittel (nicht dargestellt) sind zur Detektion einer Auslenkung der ersten Detektionsanordnung 16 erfindungsgemäß vorgesehen, jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die erste und zweite Detektionsanordnung 16, 16‘ sind gemäß der Ausführungsform nach 1 als Coriolismassen ausgeführt, d. h. die Detektionsanordnungen 16, 16‘ vollziehen sowohl die Antriebsbewegung (weshalb eine Corioliskraft auf sie wirkt) als auch die Detektionsbewegung. Die ersten und zweiten Federn 41, 41' müssen steif in Antriebsrichtung und weich senkrecht zur Antriebsrichtung sein, wobei sie darüber hinaus auch weich in Richtung der ersten Richtung 101 (z-Richtung) sein müssen, damit der Schwingrahmen bzw. das Drehschwingelement 10 bei Auftreten von Ω_x-Drehraten (d. h. die zweite Drehrate um die zweite Richtung 102, x-Richtung) um die dritte Richtung 103 verkippen kann. Als Varianten der beispielhaft in Form von Mäanderfedern (etwa als U-Federn oder S-Federn) realisierten ersten und zweiten Federn 41, 41‘ sind erfindungsgemäß auch Federn realisierbar, die wie Blattfedern ausgebildet sind, also eine deutlich geringere Schichtdicke als die übrige Sensorstruktur aufweisen. In den 2 bis 8 sind schematische Prinzipdarstellungen erfindungsgemäßer mikromechanischer Strukturen, insbesondere Drehratensensoren, gemäß alternativer Ausführungsformen dargestellt.
Die 2 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist der Antriebsrahmen 14 bzw. das erste Antriebselement 14 (und entsprechend das zweite Antriebselement (14‘) gemäß einer Variante der Ausbildung nach 1 ausgebildet und mit dem Bezugszeichen 14b bezeichnet. In dieser Alternative ist das erste (bzw. zweite) Antriebselements 14 an den jeweils innen liegenden Rahmenschenkeln geöffnet, so dass über Anbindungselemente 33 die Koppelfeder 43 direkt die beiden Detektionsrahmen 16, 16‘ (bzw. die erste und zweite Detektionsanordnung 16, 16‘) miteinander verbindet. Dadurch wird gewährleistet, dass die beiden Teilschwinger der Linearschwingerstruktur 12 (bzw. der Drehratensensoranordnung 12) nicht nur in der Antriebsbewegung, sondern auch in der Detektionsbewegung stark gekoppelt sind und somit eine gemeinsame antiparallele Detektionsmode ausbilden. Die erste und zweite Detektionsanordnung 16, 16‘ sind gemäß der Ausführungsform nach 2 ebenfalls als Coriolismassen ausgeführt, d. h. die Detektionsanordnungen 16, 16‘ vollziehen sowohl die Antriebsbewegung (weshalb eine Corioliskraft auf sie wirkt) als auch die Detektionsbewegung. Bei nur schwach gekoppelten Detektionsstrukturen wie in der Ausführungsform gemäß 1 könnten sich dagegen zwei beinahe unabhängige Detektionsschwingungsformen im linken und rechten Teilschwinger ausbilden, die bei prozessbedingten leichten Strukturierungsunterschieden in Federn und Massen auch zu leicht unterschiedlichen Resonanzfrequenzen führen könnten. Dies kann negative Auswirkungen auf die Signalqualität des Drehratensensors, insbesondere die Vibrationsfestigkeit haben. Derartige Nachteile werden durch die Kopplung der Detektionsrahmen 16 gemäß der Ausführungsform nach 2 vermieden.
In den 3 bis 8 sind alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors dargestellt, die einen äußeren Schwingrahmen bzw. ein äußeres Drehschwingelement 10 in Form einer Kreisscheibe (mit innerer Aussparung) statt der rechteckigen Geometrie gemäß der 1 und 2 aufweisen.
Gemäß der Ausführungsform nach 3 ist im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 der Antriebsrahmen 14 bzw. das erste Antriebselement 14 (und entsprechend das zweite Antriebselement 14‘) – gemäß 3 mit dem Bezugszeichen 14c bezeichnet – nicht mit dem Substrat 110 verbunden. Dadurch erfüllt der Antriebsrahmen 14c die Funktionalität eines Coriolisrahmens, also eines Rahmens, der sowohl in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung beweglich ist. Eine anliegende Corioliskraft führt zu einer Auslenkung der Struktur 14c in x-Richtung. Durch in x-Richtung steife Federn 47 wird eine Detektionsstruktur 16c (welches mit der ersten Detektionsanordnung 16 bzw. der zweiten Detektionsanordnung 16‘ in 1 korrespondiert, jedoch unterschiedlich angebunden ist) in x-Richtung mitbewegt und führt somit zu einem Detektionssignal. Die Detektionsstruktur 16c befindet sich in dieser Konfiguration bei der Antriebsbewegung in Ruhe, d. h. sie führt keine Bewegung in Antriebsrichtung y aus. Dies wird durch in y-Richtung steife Federn 48 ermöglicht, die mit dem Substrat 110 verbunden sind. Dadurch kommt es zu einer weiteren vorteilhaften Entkopplung der Antriebsbewegung und der Detektionsbewegung. Zusätzlich führen lokale Prozessschwankungen, nämlich die bereits oben genannten leichten Strukturierungsunterschiede in Federn und Massen, zu einer geringeren Quadratur. Die Federn 48 gemäß der Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 entspricht der zweiten Anbindung 32, 32‘ der Drehratensensoranordnung 12 am Substrat 110. Ein weiterer topologischer Unterschied zu den Strukturen gemäß der 1 und 2 sind die beiden Federn 40b anstelle der vier Verankerungsfedern 40, die den Sensor an den Verankerungspunkten 34 mit dem Substrat 110 verbinden und die den Federn 41 zwischen Schwingrahmen und Rahmenelementen 14c stark ähneln. Damit wird die Symmetrie der Detektionsauslenkungen für Drehraten um die x- und y-Achse, also des Verkippens des Schwingrahmens um die y- bzw. x-Achse, verbessert.
4 zeigt eine alternative und bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors. Im Unterschied zu 1 und 2 wurde bei der Ausführungsform gemäß 4 die Drehratensensoranordnung 12 derart modifiziert, dass das erste bzw. zweite Antriebselement 14, 14‘ jeweils als Antriebsrahmen 14d auf eine kompakte Struktur reduziert ist. Diese Realisierung des ersten und zweiten Antriebselements 14, 14‘ ist auch bei den Ausführungsformen gemäß der 5 bis 8 vorgesehen. Durch die Substratanbindung von Federn 45 außerhalb, insbesondere oberhalb bzw. unterhalb, des Angriffspunkts der Feder 31d (welche mit der ersten bzw. zweiten Feder 41, 41‘ gemäß 1 korrespondiert), wird ein Überkoppeln der x-Komponente der Antriebsbewegung auf die gemäß der 4 ebenfalls modifizierten Detektionsstruktur 16d weiter unterdrückt, so dass sich diese in x-Richtung praktisch nicht auslenkt und somit zu keinem Fehlsignal führt. Weiterhin ist es gemäß der Ausführungsform nach 4 vorgesehen, dass die Detektionsstruktur 16d Quadraturkompensationsstrukturen 17 enthält, die ein mechanisches Quadratursignal mit Hilfe einer elektrostatischen Kraft kompensieren.
Die Ausführungsform gemäß 5 entspricht hinsichtlich des Antriebsrahmens 14d der Ausführungsform nach 4, wobei jedoch die Detektionsstruktur 16d durch in x- und y-Richtung flexible Federn 49 mit dem Substrat 110 verbunden werden. Dadurch resultieren zusätzliche Möglichkeiten hinsichtlich der Einstellung der Detektionsfrequenz des z-Kanals (d. h. zur Sensierung der ersten Drehrate um die z-Achse, Ω_z).
6 zeigt eine weitere alternative und bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors. Dabei ist eine alternative Realisierung der Koppelstruktur 43 gemäß der Ausführungsform nach 1 als Koppelstruktur 43e zwischen den beiden Detektionsrahmen 16e an einem Verankerungspunkt 35 mit dem Substrat 110 verbunden. Auf diese Weise werden Störmoden, die das Messsignal verfälschen können, zu höheren Frequenzen verschoben.
zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors. Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den 3, 4 und 5 ist bei der Ausführungsform gemäß 6 ein Coriolisrahmen 18 vorgesehen, der zusammen mit dem Antriebsrahmen 14d das erste bzw. zweite Antriebselement 14, 14‘ bildet. Der Coriolisrahmen 18 ist nicht mit dem Substrat 110 verbunden und ist sowohl in Antriebs- als auch in Detektionsrichtung beweglich. Eine anliegende Corioliskraft führt zu einer Auslenkung des Coriolisrahmens 18 in x-Richtung. Durch in x-Richtung steife Federn 47 wird die Detektionsstruktur 16f (welche zusammen mit der spiegelbildlich angeordneten Detektionsstruktur die Rolle der ersten und zweiten Detektionsanordnungen 16, 16‘ gemäß der 1 ausübt) in x-Richtung mitbewegt und führt somit zu einem Detektionssignal. Die Detektionsstruktur 16f befindet sich in dieser Konfiguration bei der Antriebsbewegung in Ruhe, d. h. sie führt keine Bewegung in Antriebsrichtung y aus. Dies wird durch die in y-Richtung steifen Federn 48 ermöglicht, die mit dem Substrat 110 an Verankerungspunkten verbunden sind. Dadurch kommt es zu einer weiteren vorteilhaften Entkopplung der Antriebsbewegung und der Detektionsbewegung. Zusätzlich führen lokale Prozessschwankungen nur zu einer geringen Quadratur.
In 8 ist eine weitere alternative und bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreikanaligen Drehratensensors dargestellt. Dabei ist gegenüber der Ausführungsform nach 7 die Koppelstruktur 43g (entsprechend der Koppelstruktur 43e der Ausführungsform nach 6) zwischen den beiden Coriolisrahmen 18 (die gemäß der Ausführungsform nach 7 realisiert sind) im Zentrum an einem Verankerungspunkt 35 mit dem Substrat 110 verbunden. Auf diese Weise werden Störmoden, die das Messsignal verfälschen können, zu höheren Frequenzen verschoben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042369 A1 [0002]
EP 1832841 A1 [0002]
US 2010/0154541 A1 [0002]
DE 19915257 A1 [0019]
DE 102006052522 A1 [0019]

Claims

Mikromechanische Struktur (1), insbesondere Drehratensensor, mit einem eine Haupterstreckungsebene (100) aufweisenden Substrat (110) zur Detektion einer ersten Drehrate um eine sich senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) erstreckenden ersten Richtung (101) und zur Detektion einer zweiten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (100) erstreckenden zweiten Richtung (102), wobei die mikromechanische Struktur (1) ein zu einer Drehschwingung um eine Drehachse parallel zur ersten Richtung (101) angetriebenes Drehschwingelement (10) aufweist, wobei die mikromechanische Struktur (1) ferner eine Drehratensensoranordnung (12) zur Detektion der ersten Drehrate aufweist, wobei das Drehschwingelement (10) die Drehratensensoranordnung (12) in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene (100) vollständig umgibt, wobei die mikromechanische Struktur (1) wenigstens eine erste Anbindung (31, 31‘) der Drehratensensoranordnung (12) an dem Drehschwingelement (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) wenigstens eine zweite Anbindung (32, 32‘) der Drehratensensoranordnung (12) am Substrat (110) aufweist.
Mikromechanische Struktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehratensensoranordnung (12) ein erstes Drehratensensorelement (12‘) und ein zweites Drehratensensorelement (12‘‘) aufweist, wobei die mikromechanische Struktur (1) derart konfiguriert ist, das erste und zweite Drehratensensorelement (12‘, 12‘‘) parallel zu einer Antriebsrichtung zu einer gegensinnigen Antriebsbewegung anzutreiben, wobei zur Realisierung der Antriebsbewegung das Drehschwingelement (10) mittels der ersten Anbindung (31) mit dem ersten Drehratensensorelement (12‘) und mittels einer weiteren ersten Anbindung (31‘) mit dem zweiten Drehratensensorelement (12‘‘) verbunden ist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anbindung (31) eine erste Feder (41) und die weitere erste Anbindung (31‘) eine zweite Feder (41‘) aufweist, wobei die erste und zweite Feder (41, 41‘) jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung (12) eine geringere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung (12).
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehratensensorelement (12‘) mittels der zweiten Anbindung (32) mit dem Substrat (110) verbunden ist und dass das zweite Drehratensensorelement (12‘‘) mittels einer weiteren zweiten Anbindung (32‘) mit dem Substrat (110) verbunden ist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Anbindung (32) eine dritte Feder (42) und die weitere zweite Anbindung (32‘) eine vierte Feder (42‘) aufweist, wobei die dritte und vierte Feder (42, 42‘) jeweils in Richtung parallel zur ersten Richtung und in Richtung senkrecht zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung (12) eine größere Federsteifigkeit aufweisen als in Richtung parallel zur Antriebsbewegung der Drehratensensoranordnung (12).
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehratensensorelement (12‘) ein erstes Antriebselement (14) und eine erste Detektionsanordnung (16) aufweist und das zweite Drehratensensorelement (12‘‘) ein zweites Antriebselement (14‘) und eine zweite Detektionsanordnung (16‘) aufweist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) erste Detektionsmittel (25, 26, 27) zur Detektion einer Auslenkung der ersten Detektionsanordnung (16) und zweite Detektionsmittel zur Detektion einer Auslenkung der zweiten Detektionsanordnung (16‘) in einer Richtung senkrecht zur Antriebsrichtung und in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsrichtung (100) aufweist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) neben der Detektion der ersten und zweiten Drehrate zur Detektion einer dritten Drehrate um eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene (100) und senkrecht zur zweiten Richtung (102) erstreckenden dritten Richtung (103) konfiguriert ist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) dritte Detektionsmittel (21, 22) zur Detektion einer Auslenkung parallel zur ersten Richtung (101) und zur Detektion der zweiten Drehrate aufweist und dass die mikromechanische Struktur (1) vierte Detektionsmittel (23, 24) zur Detektion einer Auslenkung parallel zur ersten Richtung (101) und zur Detektion der dritten Drehrate aufweist.
Mikromechanische Struktur (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Struktur (1) ein Antriebsmittel (80, 81, 82) aufweist, wobei das Antriebsmittel (80, 81, 82) das Drehschwingelement (10) zu der Drehschwingung um eine Drehachse parallel zur ersten Richtung (101) antreibt.