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1. (WO2017012749) MEMS DREHRATENSENSOR MIT KOMBINIERTEM ANTRIEB UND DETEKTION
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

MEMS Drehratensensor mit kombiniertem Antrieb und Detektion

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Ein derartiger Drehratensensor ist beispielsweise aus der DE 10 2007 030 120 A1 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drehratensensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Drehratensensor auf einer relativ zum Stand der Technik geringen Substratfläche ermöglicht wird, da für die mikromechanische Struktur des Drehratensensors lediglich eine relativ zum Stand der Technik geringe Substratfläche zur Detektion von Drehraten benötigt wird.

Dies wird dadurch erreicht, dass bei dem erfindungsgemäßen Drehratensensor die mitbewegte Kammelektrode und die feststehende Kammelektrode derart ausgebildet sind, dass eine Kraftwirkung auf die Struktur mit einer Kraftkomponente entlang einer Detektionsrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors um eine im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zu der Detektionsrichtung verlaufenden Achse detektierbar ist.

Hierdurch wird ein Drehratensensor auf einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Weise mit einer gegenüber dem Stand der Technik geringen Substratfläche bereitgestellt. Insbesondere wird hierdurch eine deutliche Reduktion der Kernfläche des Drehratensensors ermöglicht. Ferner wird somit ermöglicht, dass der flächenmäßig relativ große Bereich der Antriebsstruktur so in die MEMS-Struktur integriert wird, dass keine separaten Strukturelemente dafür notwendig sind. Insbesondere werden die Vorteile gegenüber dem Stand der 5 Technik dadurch ermöglicht, dass die mehrfache Nutzung der mitbewegten Kammelektrode und der feststehenden Kammelektrode sowohl für Antrieb als auch für die Detektion einer Kraftwirkung aufgrund einer Corioliskraft als Maß für eine Drehrate vorgesehen ist. Dabei wird auf eine Unterteilung der Struktur in Coriolis- und Detektionsrahmen verzichtet und beide Rahmen bzw. Massen 10 bzw. Strukturen in eine Struktur integriert. Durch diese Integration wird bis zu 20-40% der Fläche eines Drehratensensors eingespart, was zu einer Senkung der Herstellungskosten führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Uni s teransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor mindestens ein substratfestes Aufhängmittel zum relativ zum Substrat

20 beweglichen Aufhängen der Struktur derart umfasst, dass die Struktur mit einer

Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung und/oder mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der De- tektionsrichtung auslenkbar ist. Hierdurch wird auf vorteilhafte Weise ermöglicht, dass die Struktur relativ zum Substrat derart beweglich aufgehängt ist, 25 dass das Schwingverhalten des erfindungsgemäßen Drehratensensors ermöglicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Aufhängmittel mindestens eine im Wesentlichen in Antriebsrichtung und/oder im Wesentli- 30 chen in Detektionsrichtung verformbare Feder umfasst. Hierdurch wird vorteilhaft ein einfaches, mechanisch robustes und kostengünstiges Aufhängmittel bereitgestellt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mitbewegte Kammelektrode mindestens eine erste Elektrode umfasst, wobei die feststehende Kammelektrode mindestens eine zweite Elektrode und mindestens eine dritte Elektrode umfasst. Hierdurch lassen sich auf vorteilhafte Weise ein kapa-zitiver Antrieb und/oder eine kapazitive Drehratendetektion ermöglichen. Ferner ist somit möglich, dass die Kammelektroden Elektrodenfinger umfassen. Des Weiteren ist somit eine mehrfache Nutzung von kapazitiven Elektrodenfingern sowohl für den Antrieb der Struktur als auch für die Detektion einer auf die Struktur wirkenden Corioliskraft, bzw. einer Coriolisauslenkung der Struktur, als Maß für eine an dem Drehratensensor anliegende Drehrate möglich.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mitbewegte Kammelektrode mit einem ersten Potential und/oder die feststehende Kammelektrode mit einem zweiten Potential derart beaufschlagbar sind, dass die Struktur mithilfe des ersten Potentials und/oder mithilfe des zweiten Potentials aus der Ruhelage zu der Schwingung anregbar ist. Hierdurch lässt sich der Effekt von Streufeldern zur Anregung der Schwingung vorteilhaft nutzen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste Ka-pazitätsänderung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und/oder eine zweite Kapazitätsänderung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode derart messbar sind, dass die Kraftwirkung auf die Struktur mithilfe der ersten Kapazitätsänderung und/oder mithilfe der zweiten Kapazitätsänderung detektierbar ist. Auf vorteilhafte Weise wird somit eine Mehrfach-nutzung der mitbewegten Kammelektrode und der feststehenden Kammelektrode sowohl für die Anregung der Struktur als auch für die Detektion einer auf die Struktur wirkenden Corioliskraft als Maß für eine an dem Drehratensensor anliegende Drehrate möglich.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Struktur mindestens eine gegenüber dem Substrat bewegliche erste Teilstruktur und mindestens eine gegenüber dem Substrat und gegenüber der ersten Teilstruktur bewegliche zweite Teilstruktur umfasst, wobei die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur aus einer jeweiligen Ruhelage zu einer im Wesentlichen ge-genphasigen Schwingung mit Bewegungskomponenten im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung anregbar sind, wobei der Drehratensensor zur Anregung der gegenphasigen Schwingung mindestens eine mit der ersten Teilstruk-tur mitbewegte Kammelektrode und mindestens eine mit der zweiten Teilstruktur mitbewegte Kammelektrode für eine jeweilige Wechselwirkung mit der feststehenden Kammelektrode umfasst, wobei durch Spannungsbeaufschlagung der mit der ersten Teilstruktur mitbewegten Kammelektrode und der mit der zweiten Teilstruktur mitbewegten Kammelektrode und/oder der feststehenden Kammelektrode die Anregung der gegenphasigen Schwingung bewirkbar ist, wobei die mit der ersten Teilstruktur mitbewegte Kammelektrode und die mit der zweiten Teilstruktur mitbewegte Kammelektrode und die feststehende Kammelektrode derart ausgebildet sind, dass eine erste weitere Kraftwirkung auf die erste Teilstruktur und eine zweite weitere Kraftwirkung auf die zweite Teilstruk-tur mit im Wesentlichen gegenphasigen Kraftkomponenten im Wesentlichen parallel zu der Detektionsrichtung aufgrund der Drehrate detektierbar sind. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein gegenüber parasitärer Linearbeschleunigungen robuster Drehratensensor auf einer relativ zum Stand der Technik geringen Substratfläche auf einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Weise ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor eine Koppelstruktur zum Koppeln der ersten Teilstruktur mit der zweiten Teilstruktur derart umfasst, dass die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruk-tur zu der gegenphasigen Schwingung anregbar sind und/oder dass die erste Kraftwirkung und die zweite Kraftwirkung detektierbar sind. Vorteilhaft wird somit die Robustheit gegenüber parasitärer Linearbeschleunigungen erhöht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Koppelstruktur ermöglicht, dass die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur zu der gegenphasigen Schwingung auslenk-bar sind und/oder dass die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur zu einer weiteren gegenphasigen Schwingung im Wesentlichen entlang der ersten Kraftwirkung bzw. entlang der zweiten Kraftwirkung auslenkbar sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppelstruktur mindestens eine im Wesentlichen in Detektionsrichtung verformbare weitere Feder umfasst. Auf einfache, mechanisch robuste und kostengünstige Weise wird somit sichergestellt, dass die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur zu der weiteren gegenphasigen Schwingung auslenkbar sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen vergrößerten Teilbereich eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungs-form der vorliegenden Erfindung.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Drehratensensor gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen 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 be-nannt bzw. erwähnt.

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Drehratensensors 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Substrat 3 mit einer Haupterstreckungs-ebene 100 und eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche Struktur 5 umfasst.

Hierbei ist die Struktur 5 aus einer in Figur 1 dargestellten Ruhelage der Struktur 5 zu einer Schwingung mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu einer Antriebsrichtung 7 anregbar. Zur Anregung der Schwingung

umfasst der Drehratensensor 1 beispielhaft zwei mit der Struktur 5 mitbewegte Kammelektroden 9 und beispielhaft zwei relativ zum Substrat 3 feststehende Kammelektroden 11 . Hierbei ist durch Spannungsbeaufschlagung der mitbewegten Kammelektroden 9 und/oder der feststehenden Kammelektroden 1 1 die Anregung bewirkbar. Des Weiteren sind die mitbewegten Kammelektroden 9 und die feststehenden Kammelektroden 1 1 derart ausgebildet, dass eine Kraftwirkung auf die Struktur 5 mit einer Kraftkomponente entlang einer Detektionsrichtung 13 aufgrund einer Drehrate des Drehratensensors 1 um eine im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung 7 und im Wesentlichen senk-recht zu der Detektionsrichtung 13 verlaufenden Achse detektierbar ist. Bevorzugt umfassen die mitbewegten Kammelektroden 9 Kammfinger und die feststehenden Kammelektroden 1 1 Kammfinger, die elektrisch mit einem Potential paarweise ansteuerbar sind. Bevorzugt werden die mitbewegten Kammelektroden 9 und die feststehenden Kammelektroden 1 1 sowohl für Antrieb als auch für die Detektion genutzt.

Somit wird eine mögliche Ausführungsform für einen kombinierten Coriolis- und Detektionsrahmen und der Mehrfachnutzung der Elektroden bereitgestellt. An dem kombinierten Coriolis- und Detektionsrahmen sind Kammfinger ange-bracht, die ihren Gegenpart in feststehenden Fingern haben, die am Substrat befestigt sind und elektrisch mit einem Potential paarweise ansteuerbar sind. Diese Elektroden werden sowohl für Antrieb als auch für die Detektion genutzt.

Des Weiteren ist in Figur 1 dargestellt, dass der Drehratensensor 1 beispielhaft sechs substratfeste Aufhängmittel 15 zum relativ zum Substrat 3 beweglichen

Aufhängen der Struktur 5 umfasst. Hierdurch ist die Struktur 5 mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung 7 und/oder mit einer Bewegungskomponente im Wesentlichen parallel zu der Detektionsrichtung 13 auslenkbar. Jedes der sechs Aufhängmittel 15 umfasst eine im We-sentlichen in Antriebsrichtung 7 und/oder im Wesentlichen in Detektionsrichtung

13 verformbare Feder 27.

Beispielsweise sind die unterschiedlichen Bereiche, insbesondere die Coriolis-und Detektionsrahmen, eines Drehratensensors durch Federn, die je nach Federtyp in eine Richtung weich, in die andere relativ steif sind, mechanisch gekoppelt. Beispielsweise sind Federtyp A und B in Antriebsrichtung weich, in Detektionsrichtung sehr steif. Ein beispielhafter Federtyp C ist in Antriebsrichtung sehr steif und in Detektionsrichtung weich. Diese Unterteilung hat zwar den Vorteil, Antrieb und Detektion bereits in der Mechanik zu trennen, benötigt allerdings die entsprechende Fläche. Typischerweise nimmt der reine Antriebsstrang mit den typischen Kammfingern ca. % der Kernfläche eines Drehraten-sensors in Anspruch.

Beispielhaft sind die Fendern 27 von einem Federtyp D, welcher sich von den Federtypen A-C dadurch unterscheidet, dass die Feder des Federtyps D in 2 Richtungen verformbar ist, also in Antriebsrichtung und Detektionsrichtung.

In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines vergrößerten Teilbereichs eines Drehratensensors 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Figur 2 zeigt beispielhaft, dass die mitbewegte Kammelektrode 9 drei erste Elektroden 17 umfasst und dass die feststehende Kammelektrode 1 1 drei zweite Elektroden 19 und drei dritte Elektroden 21 umfasst. Hierbei sind die mitbewegte Kammelektrode 9, bzw. die drei ersten Elektroden 17, mit einem ersten Potential und/oder die feststehende Kammelektrode 1 1 , bzw. die drei zweiten Elektroden 19 und die drei dritten Elektroden 21 , mit einem zweiten Potential derart beaufschlagbar, dass die Struktur 5 mithilfe des ersten Potentials und/oder mithilfe des zweiten Potentials aus der Ruhelage zu der Schwingung anregbar ist. Beim Antrieb in eine Richtung wird eine konstante DC-Spannung zwischen den zweiten Elektroden 19 und den dritten Elektroden 21 , also beispielsweise den Fest-Elektroden C1 und C2, und den drei ersten Elektroden 7, also beispielsweise den eintauchenden Elektroden CM an der beweglichen Struktur, angelegt. Dabei wird das zweite

Potential an der zweiten Elektrode 19, also beispielsweise C1 , und das zweite Potential an der dritten Elektrode 21 , also beispielsweise C2, auf das gleiche DC-Potential gelegt, welches sich von dem ersten Potential, also beispielsweise CM, unterscheidet. Aufgrund der Streufelder vor der eintauchenden Elektrode wird der Sensor, bzw. die Struktur 5, parallel zu der Elektrodenrichtung ausgelenkt. Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass die mitbewegte Kammelektrode 9 zweite Elektroden 19 und dritte Elektroden 21 und dass die feststehende Kammelektrode 1 1 erste Elektroden 17 umfassen.

Des Weiteren sind eine erste Kapazitätsänderung zwischen benachbarten ersten Elektroden 17 und zweiten Elektroden 19 und/oder eine zweite Kapazitätsänderung zwischen benachbarten ersten Elektroden 7 und dritten Elektroden 21 derart messbar, dass die Kraftwirkung auf die Struktur 5 mithilfe der ersten Kapazitätsänderung und/oder mithilfe der zweiten Kapazitätsänderung detektierbar ist. Somit wird während des Antriebs neben der anliegenden DC-Spannung eine Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden CM <-> C1 und CM<-> C2 gemessen. Hierdurch ist es möglich die ersten Elektroden 17, die zweiten Elektroden 19 und die dritten Elektroden 21 auch für die Detektion, also beispielsweise für eine Auslenkung senkrecht zu der Elektrodenrichtung, während des Antriebs zu nutzen. Das Messen der ersten Kapazitätsänderung und der zweiten Kapazitätsänderung während des Antriebs neben der anliegenden DC-Spannung wird beispielsweise durch eine zeitlich sehr kurze Überlagerung zu dem anliegenden DC-Signal oder einem Multiplexen ermöglicht. Beim Multi-plexen wird die Spannung für den Antrieb kurzzeitig weggenommen um die Kapazitätsänderungen in Detektionsrichtung 13 zwischen den Elektroden zu messen.

In Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Drehratensensors 1 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Struktur 5 eine gegenüber dem Substrat 3 bewegliche erste Teilstruktur 23 und eine gegenüber dem Substrat 3 und gegenüber der ersten Teilstruktur 23 bewegliche zweite Teilstruktur 25. Hierbei sind die erste Teilstruktur 23 und die zweite Teilstruktur 25 aus einer jeweiligen Ruhelage zu einer im Wesentlichen gegenpha-sigen Schwingung mit Bewegungskomponenten im Wesentlichen parallel zu der Antriebsrichtung 7 anregbar. Ferner umfasst das in Figur 3 dargestellte

Ausführungsbeispiel zur Anregung der gegenphasigen Schwingung zwei mit der ersten Teilstruktur 23 mitbewegte Kammelektroden 9 und zwei mit der zweiten Teilstruktur 25 mitbewegte Kammelektroden 9 für eine jeweilige Wechselwirkung mit den in Figur 3 beispielhaft dargestellten vier feststehenden Kamm-elektroden 1 1 . Des Weiteren ist durch Spannungsbeaufschlagung der zwei mit der ersten Teilstruktur 23 mitbewegten Kammelektroden 9 und der zwei mit der zweiten Teilstruktur 25 mitbewegten Kammelektroden 9 und/oder der vier feststehenden Kammelektroden 1 1 die Anregung der gegenphasigen Schwingung bewirkbar. Hierbei sind die zwei mit der ersten Teilstruktur 23 mitbewegten Kammelektroden 9 und die zwei mit der zweiten Teilstruktur 25 mitbewegten Kammelektroden 9 und die vier feststehenden Kammelektroden 1 1 derart ausgebildet, dass eine erste weitere Kraftwirkung auf die erste Teilstruktur 23 und eine zweite weitere Kraftwirkung auf die zweite Teilstruktur 25 mit im Wesentlichen gegenphasigen Kraftkomponenten im Wesentlichen parallel zu der Detek-tionsrichtung 13 aufgrund der Drehrate detektierbar sind.

Figur 3 zeigt weiter beispielhaft dass der in Figur 3 dargestellte Drehratensensor 1 eine Koppelstruktur 29 zum mechanischen Koppeln der ersten Teilstruktur 23 mit der zweiten Teilstruktur 25 derart umfasst, dass die erste Teilstruktur 23 und die zweite Teilstruktur 25 zu der gegenphasigen Schwingung anregbar sind und/oder dass die erste Kraftwirkung und die zweite Kraftwirkung detektierbar sind. Hierbei umfasst die Koppelstruktur 29 beispielhaft vier im Wesentlichen in Detektionsrichtung 13 verformbare weitere Federn 31. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei anliegender Drehrate die erste Teilstruktur 23 und die zweite Teil-struktur 25 zu einer weiteren im Wesentlichen gegenphasigen Schwingung im

Wesentlichen entlang der Detektionsrichtung 13 ausgelenkbar sind. Hierbei stellt die Koppelstruktur 29 sicher, dass beide gegenphasigen Bewegungen sowohl bei Antrieb als auch Detektion möglich sind.

Durch die in Figur 3 beispielhaft dargestellten mechanisch gekoppelten und im

Wesentlichen spiegelsymmetrischen Teilstrukturen 23, 25, bzw. gekoppelten Teilschwingern, mit antisymmetrischem Antrieb wird ermöglicht, die Bewegung der Detektionsstruktur aufgrund einer Corioliskraft als Reaktion auf eine

Drehrate von einer parasitären Linearbeschleunigung bei der Antriebsfrequenz zu unterscheiden (z.B. Vibrationen im Fahrzeug). Hierbei sind die Teilschwinger beispielsweise spielgelsymmetrisch ausgebildet und durch ein Koppel-Federkreuz mechanisch gekoppelt. Beispielsweise werden bei anliegender Drehrate in Z-Richtung die beiden Teilbereiche ebenfalls antisymmetrisch ausgelenkt. Das Koppelfederkreuz stellt dabei sicher, dass beide antisymmetrischen Bewegungen Antrieb und Detektion möglich sind. Beispielsweise sind die Aufhängungen mit Federtyp D realisiert. Die Kammfinger für Antrieb und Corio-lis-Detektion sind vergleichbar ausgeführt wie in dem Ausführungsbeispiel in Figur 2.

Die in Figur 2 dargestellte mitbewegte Kammelektrode 9 und feststehende Kammelektrode 1 1 sind bevorzugt sowohl für das Ausführungsbeispiel in Figur 1 sowie für das Ausführungsbeispiel in Figur 3 vorgesehen.

Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschreiben beispielhaft Omega-Z Drehratensensoren, die eine deutliche Reduktion der Kernfläche ermöglichen. Die Verwendung der hier dargestellten Merkmale sich jedoch auch für andere Drehratensensoren vorgesehen.