WO2004020947A1 - Drehratensensor - Google Patents

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WO2004020947A1
WO2004020947A1 PCT/DE2003/000590 DE0300590W WO2004020947A1 WO 2004020947 A1 WO2004020947 A1 WO 2004020947A1 DE 0300590 W DE0300590 W DE 0300590W WO 2004020947 A1 WO2004020947 A1 WO 2004020947A1
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WO
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rate sensor
spiral spring
sensor according
spring
substrate
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/000590
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Maurer
Joerg Hauer
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 US10/513,907 priority Critical patent/US7260991B2/en
Priority to EP03709652.6A priority patent/EP1535027B1/de
Priority to JP2004531388A priority patent/JP4457010B2/ja
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure

Definitions

  • the invention is based on a rotation rate sensor according to the preamble of the main claim.
  • a rotation rate sensor is already known from DE 19945859, but the operating frequency of the rotation rate sensor is relatively low.
  • the reduction in the oscillation amplitude reduces the sensitivity of the sensor, which is disadvantageous. Increasing the strains on the material of the X-shaped spring can lead to the spring material breaking. It is also the case that the non-linearity of the spring stiffness increases over the deflection if the spring length is compressed while the oscillation amplitude remains the same. The non-linearity should be for one stable operation of the sensor must be kept as small as possible, otherwise there is a risk of a non-linear collapse (two stable operating points).
  • the yaw rate sensor according to the invention with the features of the main claim has the advantage over the prior art that the disadvantages of the prior art, which result from measures to increase the oscillation frequency, do not occur.
  • the spiral spring device of the rotation rate sensor according to the invention has considerably smaller maximum strains on the clamping with a predetermined deflection. Furthermore, the maximum strains can be selected by the size of the radius at the clamping. A large radius here means a small stretch at the clamping.
  • spiral spring device is connected to the flywheel in such a way that radial length compensation is possible.
  • Length compensation is provided in particular that the spiral spring device has a bent area at its connection to the flywheel. This makes it possible to absorb the longitudinal force in the spiral spring devices through the angled end pieces or through the bent area when the sensor is rotated in the plane. If this longitudinal force is not reduced in the spiral spring device, the stiffness increases again as a function of the deflection, which has the consequence that the non-linearity of the spring stiffness becomes large. This is to be avoided according to the invention, which is why the radial length compensation also results in a reduction in the non-linearity of the spring stiffness. Furthermore, it is advantageous that two spiral spring devices are provided next to one another in mirror symmetry along their greatest extent and together form a spiral spring.
  • Inertia are spread out at an opening angle.
  • the detection resonance frequency of the sensor that is to say the rotation of the flywheel out of the substrate plane around the X or Y axis.
  • the ratio of the natural frequencies to each other largely determines the sensor properties, such as sensitivity, immunity to interference and temperature stability.
  • Via the opening angle of the spiral springs it is thus possible to provide the natural frequencies in a simple and precise manner that can be tuned independently of one another.
  • a total of four spiral springs are arranged such that they essentially form an X-shape. This creates a symmetrical spiral spring shape.
  • the opening angle is selected such that the natural frequency around the axis of rotation lying perpendicular to the substrate surface is lower than each natural frequency around an axis of rotation lying parallel to the substrate surface.
  • the rotation rate sensor according to the invention is manufactured in surface mil mechanics or in another micromechanical technology.
  • the anchoring device is fixedly connected to the substrate, or that the anchoring device is arranged to be movable relative to the substrate.
  • This enables various applications of the rotation rate sensor according to the invention.
  • a further advantage is that in addition to the bending springs forming an X-shape, one or more support springs are also provided. This is advantageously provided according to the invention in a further embodiment of the sensor in order to influence other natural frequencies of the sensor in a targeted manner.
  • FIG. 1 a perspective illustration of a conventional rotation rate sensor according to the prior art
  • FIG. 2 shows a detail from a top view of the center of a sensor arrangement according to the invention
  • Figure 3 a representation of the different linearity behavior of different spring devices
  • Figure 4 a detailed representation of a spiral spring
  • Figure 5 another embodiment of the rotation rate sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of a conventional rotation rate sensor according to the prior art.
  • 100 denote a substrate in the form of a silicon wafer.
  • 10 denotes an annular flywheel; 25 'a bridge and 30-33 spiral spring legs of two V-shaped spiral springs.
  • 21, 21 ' is a base and with 150 an electrical supply line is designated.
  • the base 21, 21 ' has a wedge-shaped taper towards the bridge 25', which is designated by the reference numerals 22, 22-.
  • the conventional rotation rate sensor according to the state of the art shown in FIG.
  • a flywheel mass 10 which is manufactured in surface micromechanics and is also referred to below as a rotary oscillator 10, is provided, which is mechanically operated via an X-shaped spring, consisting of the torsion spring legs 30-33 in the center of the arrangement is connected to the substrate 100 at a point.
  • Rotational vibration of the sensor is 1.5 kHz, for example.
  • the structure of the flywheel 10 should remain largely unchanged.
  • the X-shaped bending spring legs 30-33 would either have to be shortened and / or widened in a sensor according to the prior art. There are many problems with this. On the one hand, these measures of reducing and / or widening the bending spring legs 30-33 would reduce the sensitivity of the sensor. This may not be desirable because sensors with high sensitivity are generally desired.
  • the strains on the clamping of the X-spring as shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a section of the sensor center of a rotation rate sensor according to the invention.
  • So 10 denotes the flywheel or the rotary oscillator.
  • 100 denotes the substrate, which is also provided according to the invention in particular as a silicon substrate.
  • anchoring devices 200 are shown in FIG. 2, which are connected to one end of a first spiral spring device 301. The other end of the first spiral spring device 301 is connected to the flywheel 10.
  • a second spiral spring device 301 is connected to the flywheel 10.
  • Bending spring device 302 is provided, which also connects the anchoring device 200 to the flywheel 10. Furthermore, third to eighth spiral spring devices 303-30S are provided, which are also provided between the anchoring device 200 and the flywheel 10.
  • the anchoring device 200 is therefore in particular provided such that it provides a different location for the anchoring for each spiral spring of the devices 301-308.
  • the spiral spring devices 301-308 as well as the anchoring device 200 and the flywheel 10 are produced according to the invention in particular from polysilicon via a silicon oxide layer, the silicon oxide layer being removed later in the process by under-etching in order to make the movable parts deflectable relative to the substrate 100.
  • the anchoring device 200 is according to the invention in a special way
  • the bending spring devices 301-308 are connected to a movably provided anchoring device 200, so that in this case the anchoring device 200 is not rigidly fixed to the substrate 100.
  • the invention is described below using an exemplary embodiment in which the anchoring device 200 is connected to the substrate 100.
  • the spiral spring devices 301-308 according to the invention are in particular arranged such that the first spiral spring device 301 and the second spiral spring device 202 are arranged symmetrically and mirror-symmetrically along an axis not shown in Figure 2 and together form a first spiral spring 360. Furthermore, the third and fourth spiral spring devices 303 and 304 correspondingly form a second spiral spring 361. Furthermore, the fifth and sixth spiral spring devices 305, 306 jointly form a third spiral spring 362 and the seventh and eighth spiral spring devices 307, 308 together form a fourth spiral spring 363
  • the flywheel mass 10 is provided according to the invention in particular in the form of a ring, specifically centered around a center 400.
  • the substrate 100 forms a main substrate plane, in which the flywheel 10 mainly extends.
  • the two directions X and Y, shown in the right part of FIG. 2 lie in the main substrate plane, the X direction being in the
  • Drawing plane points horizontally from left to right and the Y direction in the drawing plane points from bottom to top.
  • the Z direction is provided perpendicular to the drawing plane and to the main substrate plane and points out of the drawing plane to the viewer.
  • the center 400 is the center of the torsional vibration of the flywheel mass 10 about an axis which runs in the Z direction and intersects the substrate 100 in the center 400.
  • the first spiral spring 360 and the second spiral spring 361 together form essentially two legs, which are arranged in an N-shape such that the legs are spread toward the flywheel 10 at an opening angle designated by reference number 370.
  • the third and fourth spiral springs 362, 363 also form legs arranged in a V-shape and, according to the invention, are arranged in mirror symmetry with the first and second spiral springs 360, 361, in particular at the same opening angle 370, so that the four spiral springs 360-363 together essentially form an X-shaped one Have arrangement. '
  • FIG. 3 shows a representation of the linearity properties of an imaginary first spring device 354 and an imaginary second spring device 355.
  • FIG. 3 shows the graph of the stiffness 350 of the spring device 354, 355 over the amplitude 16.
  • the vibration amplitude or the deflection 16 in FIG. 3 corresponds, for example, to the deflection of a free end of a clamped spiral spring in comparison to its rest position.
  • the second spring device 355 would correspond to a smaller length of the spiral spring and the first spring device 354 would correspond to a larger length of the spiral spring if the same material was present.
  • the stiffness 350 is thus, with a deflection 16 different from zero, greater for the smaller spring length of the second spring device 355 than for the longer spring length of the first spring device 354. This has the consequence that the second spring device 355 is the same Vibration amplitude 16 a larger, non-linear portion is to be considered. This is to be avoided in order to produce a rotation rate sensor, so that the non-linear component should be kept as low as possible.
  • FIG. 4 shows a more detailed and enlarged illustration of the first spiral spring 360.
  • the anchoring device 200 to which a first end 330 of the first spiral spring device 301 is connected, can be seen on the left-hand side of FIG.
  • the second spiral spring device 301 is connected to the flywheel 10 by a second end 320.
  • torsional vibrations of the centrifugal mass 10 are carried out around the center 400, which is not shown in FIG. 4, however, there is a movement represented by a double arrow, the double arrow being provided with the reference symbol 15.
  • the first spiral spring 360 also includes the second spiral spring device 302, the first and second spiral spring devices 301, 302 being arranged mirror-symmetrically to one another along the plane of symmetry designated by reference numeral 364 in FIG.
  • the second spiral spring device 302 also has a first and a second end, although these are not designated with their own reference numerals in FIG. 4.
  • the first spiral spring device 301 has a curvature, the radius of which is the example of the second
  • Bending spring device 302 is shown with reference number 331.
  • the maximum strains at the clamping point of the first spiral spring device 301 to the anchoring device 200 when the first spiral spring device 301 is deflected are considerably less than in the case of the conventional rotation rate sensor according to the prior art.
  • the maximum strains on the clamping can be
  • Anchoring device 200 vary by the size of radius 331.
  • a large radius 331 here means that under otherwise identical conditions and in particular the same vibration amplitudes, smaller strains occur on the clamping.
  • the same stiffness of the spiral spring 360 can thus be achieved as in the case of a much wider spring, which is made in one piece.
  • an angled or an angled area is provided in the area of the second end 320 of the first spiral spring device 301. Through this angled area or through these angled end pieces in the area of the second end 320 of the spiral spring device 301, it is possible that when the flywheel 10 rotates in the XY plane from the Bending spring device 301 a longitudinal force is absorbed.
  • the kinked area of the first spiral spring device 301 at the second end 320 of the first spiral spring device 301 and the curvature 331 at the first end 330 of the first spiral spring device 301 are according to the invention in particular in the XY plane, that is to say in the main substrate plane, in the same direction from the mirror axis 364 seen from provided. This results in a U-shape of the spiral spring devices 301-308.
  • the length of the first spiral spring device 301 designated by reference number 365 in FIG. 4, is considerably greater than the width 366 of a spiral spring 360.
  • the large clamping radius 331 in the region of the first end 330 of the first spiral spring device 301 allows the Reduce mechanical stress due to the vibration to the connection point to the anchoring device 200.
  • a suspension point of a spiral spring device 301-308 on the anchoring device 200 does not necessarily have to be connected to the substrate 100.
  • the spiral spring device 301-308 could also e.g. between two masses moving relative to each other.
  • FIG. 5 shows essentially the same arrangement with regard to the flywheel 10, the substrate 100, the spiral spring devices 301-308 and the anchoring device 200 as in FIG.
  • a further anchoring device 210 is provided, to which a first support spring 309 or a second support spring 310 are connected, the support springs 309, 310 in turn being connected to the flywheel 10.
  • the first support spring 309 is provided opposite the second support spring 310 with respect to the center 400 of the sensor arrangement.
  • the further anchoring device 210 is provided for anchoring the support springs 309, 310 in the immediate vicinity of the anchoring device 200 in the vicinity of the center 400.
  • the support springs 309, 310 are used in particular for the targeted influencing of specific natural frequencies of the sensor, which cannot be influenced or can only be influenced inadequately via the bending springs 360, 363.

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem Substrat (100) und einer Schwungmasse (10) vorgeschlagen, wobei eine Biegefedereinrichtung (301-308) eine Krümmung (331) an ihrem Verankerungsbereich aufweist.

Description

Drehratensensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE 19945859 ist bereits ein Drehratensensor bekannt, bei dem jedoch die Arbeitsfrequenz des Drehratensensors relativ gering ist.
Vorteile der Erfindung
Beim Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik, welcher einen in
Oberflächenmikromechanik gefertigten Rotationsschwinger aufweist, ist es so, dass der Rotationsschwinger bzw. auch die Schwungmasse mechanisch über eine X-förmig vorgesehene Feder in der Mitte an einem Punkt mit dem Substrat verbunden ist. Hierbei stellt sich, ausgehend von der X-förmig vorgesehenen Feder und der Masse des Rotationsschwingers, eine Arbeitsfrequenz ein. Um die Arbeitsfrequenz gegenüber dem Drehratensensor aus dem Stand der Technik zu vergrößern, müssten entweder die Federarme der X-förmig vorgesehenen Feder verbreitert werden, oder aber es müssten die X-förmig vorgesehenen Federarme verkürzt werden. Eine Kombination aus beiden Maßnahmen ist selbstverständlich ebenso denkbar. Bei . diesen Maßnahmen würde jedoch das Problem auftreten, dass zum einen die Schwingamplitude verkleinert werden würde und zum anderen die Dehnungen des Federmaterials vergrößert werden würden. Die Verkleinerung der Schwingamplitude verringert die Empfindlichkeit des Sensors, was nachteilig ist. Die Erhöhung der Dehnungen am Material der X-förmig vorgesehenen Feder kann dazu führen, dass das Federmaterial bricht. Weiterhin ist es so, dass bei die Nichtlinearität der Federsteifigkeit über der Auslenkung zunimmt, wenn die Federlänge bei gleichbleibender Schwingungsamplitude verldirzt wird. Die Nichtlinearität sollte für einen stabilen Betrieb des Sensors so klein wie möglich gehalten werden, da sonst die Gefahr eines nichtlinearen Kollapses besteht (zwei stabile Arbeitspunkte). Der erfmdungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, dass die Nachteile des Standes der Technik, die sich aus Maßnahmen zur Erhöhung der Schwingungsfrequenz ergeben, nicht auftreten. Im Vergleich zum Stand der Technik weist die Biegefedereinrichtung des erfindungsgemäßen Drehratensensors erheblich kleinere maximale Dehnungen an der Einspannung bei einer vorgegebenen Auslenkung auf. Weiterhin lassen sich die maximalen Dehnungen durch die Größe des Radius an der Einspannung wählen. Ein großer Radius bedeutet hier eine kleine Dehnung an der Einspannung.
Durch den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drehratensensors möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Biegefedereinrichtung derart mit der Schwungmasse verbunden ist, dass ein radialer Längenausgleich möglich ist. Zur Erzielung des radialen
Längenausgleiches ist es insbesondere vorgesehen, dass die Biegefedereinrichtung an ihrer Verbindung zur Schwungmasse an einen abgeknickten Bereich aufweist. Hierdurch ist es möglich, bei der Drehung des Sensor in der Ebene die Längskraft in den Biegefedereinrichtungen durch die abgewinkelten Endstücke bzw. durch den abgeknickten Bereich aufzunehmen. Wird diese Längskraft in der Biegefedereinrichtung nicht abgebaut, so nimmt die Steifϊgkeit als Funktion der Auslenkung wiederum zu, was zur Folge hat, dass die Nichtlinearität der Federsteifigkeit groß wird. Dies ist erfindungsgemäß zu vermeiden, weshalb der radiale Längenausgleich auch eine Verringerung der Nichtlinearität der Federsteifigkeit zur Folge hat. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zwei Biegefedereinrichtungen spiegelsymmetrisch entlang ihrer größten Ausdehnung nebeneinander vorgesehen ist und zusammen eine Biegefeder bilden. Hierdurch ist gewährleistet, dass eine Biegefeder für Auslenkungen in verschiedene Richtungen, ausgehend von ihrer Ruhelage, eine symmetrische Charakteristik aufweist. Beispielsweise ist die Auslenkung und Rückstellkraft bei einer Drehung der Schwungmasse um einen Winkel um die Z-Achse in positiver und negativer Richtung jeweils gleich. Weiterhin ist von Vorteil, dass zwei Biegefedern V-förmig derart angeordnet sind, dass die Schenkel zur
Schwungmasse hin unter einem Öffnungswinkel aufgespreizt sind. Durch das Ändern des Öffnungswinkels zwischen den Biegefedern kann die Detektionsreεonanzfrequenz des Sensors, das heißt die Drehung der Schwungmasse aus der Substratebene heraus um die X- bzw. Y- Achse herum, eingestellt werden. Das Verhältnis der Eigenfrequenzen zueinander bestimmt in erheblichem Maße die Sensoreigenschaften, wie zum Beispiel Empfindlichkeit, Störsicherheit und Temperaturstabilität. Über den Öffnungswinkel der Biegefedern ist es damit möglich, die Eigenfrequenzen einfach und genau und unabhängig voneinander abstimmbar vorzusehen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass insgesamt vier Biegefedern derart angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen eine X-Fom bilden. Dies schafft eine symmetrische Biegefederform. Weiterhin ist von Vorteil, dass der Öffnungswinkel derart gewählt ist, dass die Eigenfrequenz um die senkrecht zur Substratoberfläche liegende Drehachse geringer ist, als jede Eigenfrequenz um eine parallel zur Substratoberfläche liegende Drehachse. Dadurch lässt sich ein außerordentlich positives Erfassungsverhalten erreichen. Weiterhin ist von Vorteil, dass der erfindungsgemäße Drehratensensor in Oberflächenmil Omechanik oder in einer anderen Mikromechaniktechnologie hergestellt ist. Die Anwendung der Oberflächenmikromechanik zur Herstellung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Drehratensensors, speziell ein Serienherstellimgsprozess mit einer dicken EP-Poly-Schicht von typischer Weise 10 μm Dicke, erlaubt die Bildung einer steifen Sensorstrulctur, die eine geringe Querempfindlichkeit erreichen lässt. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Verankerungseinrichtung fest mit dem Substrat verbunden ist, oder dass die Verankerungseinrichtung beweglich relativ zum Substrat angeordnet ist. Hierdurch lassen sich verschiedene Anwendungen des erfindungsgemäßen Drehratensensors ermöglichen. Weiterhin ist von Vorteil, dass zusätzlich zu den eine X-Form bildenden, Biegefedern noch eine oder mehrere Stützfedern vorgesehen sind. Dies ist zur gezielten Beeinflussung anderer Eigenfrequenzen des Sensors erfindungsgemäß in einer weiteren Ausfülirungsfomi des Sensors vorteilhaft vorgesehen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden B eschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : Eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Drehratensensors gemäß des Standes der Technik,
Figur 2: einen Ausschnitt aus einer Draufsicht des Zentrums einer erfϊndungsgemäßen Sensoranordnung, Figur 3: eine Darstellung des unterschiedlichen Linearitätsverhaltens verschiedener Federeinrichtungen
Figur 4: eine Detaildarstellung einer Biegefeder und
Figur 5: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Drehratensensors gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In Figur 1 bezeichnen 100 ein Substrat in Form eines • Siliciumwafers. 10 bezeichnet eine ringförmige Schwungmasse; 25 'eine Brücke und 30-33 Biegefederschenkel zweier V-förmiger Biegefedern. Mit 21, 21' ist ein Sockel und mit 150 ist eine elektrische Zuleitung bezeichnet. Der Sockel 21, 21' weist zu der Brücke 25' hin jeweils eine keilförmige Verjüngung auf, welche mit den Bezugszeichen 22, 22- bezeichnet ist. Bei dem in Figur 1 dargestellten herkömmlichen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik ist eine in Oberflächenmikromechanik gefertigte Schwungmasse 10, welche im Folgenden auch als Rotationsschwinger 10 bezeichnet wird, vorgesehen, die mechanisch über eine X-förmige Feder, bestehend aus den Biegefederschenkeln 30-33 in der Mitte der Anordnung an einem Punlct mit dem Substrat 100 verbunden ist, vorgesehen. Die A'beitsfrequenz der angetriebenen
Rotationsschwingung des Sensors beträgt beispielhaft 1,5 kHz. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es erfindungsgemäß vorgesehen, einen Sensor mit einer höheren Arbeitsfrequenz, beispielsweise größer als 5 kHz, vorzusehen. Hierbei soll die Struktur der Schwungmasse 10 weitgehend unverändert bleiben. Hierzu müssten bei einem Sensor gemäß dem Stand der Technik die X-förmig verlaufenden Biegefederschenkel 30-33 entweder verkürzt und/oder verbreitert werden. Hierbei treten vielerlei Probleme auf. Zum einen würde durch diese Maßnahmen der Verkleinerung und/oder Verbreiterung der Biegefederschenkel 30-33 die Empfindlichkeit des Sensors herabgesetzt werden. Dies kann nicht erwünscht sein, weil generell Sensoren mit einer hohen Empfindlichkeit erwünscht sind. Weiterhin ist es so, dass bei einer breiteren Feder die Dehnungen an der Einspannung der X-Feder, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, derart groß werden, dass bei maximaler Auslenkung der Drehschwingung der Schwungmasse 10 die Dauerfestigkeitsgrenze des Federmaterials erreicht werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall für die Verwendung von Polysilicmm als Federmaterial. Außerdem würde sich bei dem angegebenen Szenario die Nichtlinearität der Federsteifigkeit über der Auslenkung der X-Feder vergrößern, wenn die Federlänge bei gleichbleibender Schwingungsamplitude verkürzt wird. Es ist jedoch so, dass die Nichtlinearität für einen stabilen Betrieb des Sensors so klein wie möglich gehalten werden muss, da sonst die Möglichkeit bzw. die Gefahl- eines nichtlinearen Kollapses besteht. Erfindungsgemäß war es daher notwendig, eine Feder zu finden, welche die oben genannten Nachteile des Standes der Technik nicht oder in erheblich kleinerem Maße aufweist. Weiterhin sollten aber die Vorteile der X-Feder, wie beispielsweise die gezielte Einstellbarkeit der Resonanzfrequenzen um die unterschiedlichen Schwingungsachsen herum, nicht verloren gehen.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt der Sensormitte eines erfindungsgemäßen Drehratensensors dargestellt. Gleiche Bezugszeichen aus der Figur 2 bezeichnen gleiche Teile bzw. Komponenten der Struktur. So bezeichnet 10 die Schwungmasse bzw. den Rotationsschwinger. 100 bezeichnet das Substrat, welches auch erfindungsgemäß insbesondere als Siliciumsubstrat vorgesehen ist. Weiterhin sind in Figur 2 Verankerungseinrichtungen 200 dargestellt, die mit dem einen Ende einer ersten Biegefedereinrichtung 301 verbunden ist. Die erste Biegefedereinrichtung 301 ist mit ihrem anderen Ende mit der Schwungmasse 10 verbunden. Ebenso ist eine zweite
Biegefedereinrichtung 302 vorgesehen, die ebenfalls die Verankerungseinrichtung 200 mit der Schwungmasse 10 verbindet. Weiterhin sind dritte bis achte Biegefedereinrichtungen 303-30S vorgesehen, die ebenso zwischen der Verankerungseinrichtung 200 und der Schwungmasse 10 vorgesehen sind. Die Verankerungseinrichtung 200 ist daher insbesondere derart vorgesehen, dass sie eine andere Stelle der Verankemng für jede Biegefeder der Einrichtungen 301-308 vorsieht. Die Biegefedereinrichtungen 301-308 sowie die Verankerungseinrichtung 200 und die Schwungmasse 10 sind erfindungsgemäß insbesondere aus Polysilicium über eine Siliciumoxidschicht hergestellt, wobei die Siliciumoxidschicht später im Verfahren durch Unterätzen entfernt wird, um die beweglichen Teile gegenüber dem Substrat 100 auslenkbar zu gestalten. Die Verankerungseinrichtung 200 ist er findungs gemäß in einem speziellen
Ausführungsbeispiel über die. Siliciumoxidschicht mit dem Substrat 100 verbunden bzw. auf diesem verankert und bildet Fixpunkte der Sensorstruktur. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Biegefedereinrichtungen 301-308 mit einer beweglich vorgesehenen Verankerungseinrichtung 200 verbunden sind, so dass die Veranlcerungseinrichtung 200 in diesem Fall nicht starr mit dem Substrat 100 fixiert vorgesehen ist. Die Erfindung wird jedoch nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Veranlcerungseinrichtung 200 stan mit dem Substrat 100 verbunden ist.
Die Biegefedereinrichtungen 301-308 sind erfindungsgemäß insbesondere derart angeordnet, dass die erste Biegefedereinrichtung 301 und die zweite Biegefedereinrichtung 202 symmetrisch und zwar spiegelsymmetrisch entlang einer in Figur 2 nicht dargestellten Achse angeordnet sind und zusammen eine erste Biegefeder 360 bilden. Weiterhin bilden die dritte und die vierte Biegefedereinrichtung 303 und 304 in entsprechender Weise eine zweite Biegefeder 361. Weiterhin bilden die fünfte und die sechste Biegefedereinrichtung 305, 306 gemeinsam eine dritte Biegefeder 362 und die siebte und achte Biegefedereinrichtung 307, 308 bilden zusammen eine vierte Biegefeder 363. Wie bereits beschrieben, ist die Schwungmasse 10 erfindungsgemäß insbesondere ringföπnig vorgesehen und zwar zentriert um ein Zentrum 400 herum. Hierbei bildet das Substrat 100 eine Hauptsubstratebene, in welcher sich die Schwungmasse 10 hauptsächlich erstreckt. In der Hauptsubstratebene liegen die beiden, im rechten Teil der Figur 2 dargestellten Richtungen X und Y, wobei die X-Richtung in der
Zeichenebene horizontal von links nach rechts weist und die Y-Richtung in der Zeichenebene von unten nach oben weist. Die Z-Richtung ist senkrecht zur Zeichenebene und zur Hauptsubstratebene vorgesehen und weist aus der Zeichenebene heraus zum Betrachter. Das Zentrum 400 ist das Zentrum der Drehschwingung der Schwungmasse 10 um eine Achse, die in Z-Richtung verläuft und das Substrat 100 im Zentrum 400 schneidet. Die erste Biegefeder 360 und die zweite Biegefeder 361 bilden zusammen im Wesentlichen zwei Schenkel, welche N- förmig derart angeordnet sind, dass die 'Schenkel zur Schwungmasse 10 hin unter einem mit dem Bezugszeichen 370 bezeichneten Öffnungswinkel aufgespreizt sind. Die dritte und vierte Biegefeder 362, 363 bilden ebenfalls V-förmig angeordnete Schenkel und sind erfindungsgemäß insbesondere im gleichen Öffnungswinkel 370 spiegelsymmetrisch zu der ersten und zweiten Biegefeder 360, 361 angeordnet, so dass die vier Biegefedern 360-363 zusammen im Wesentlichen eine X-förrnige Anordnung aufweisen. '
In Figur 3 ist eine Darstellung der Linearitätseigenschaften einer gedachten ersten Federeinrichtung 354 und einer gedachten zweiten Federeinrichtung 355 dargestellt. In Figur 3 ist das Schaubild der Steifigkeit 350 der Federeinrichtung 354, 355 über der Amplitude 16 dargestellt. Für das Beispiel einer Biegefeder als Federeinrichtung 354, 355 entspricht die Schwingungsamplitude bzw. die Auslenkung 16 in Figur 3 beispielsweise der Auslenlcung eines freien Endes einer eingespannten Biegefeder im Vergleich zu ihrer Ruhelage. Bei ansonsten gleichen Abmessungen würde im dargestellten Beispiel der zweiten Federeinrichtung 355 eine kleinere Länge der Biegefeder und der ersten Federeinrichtung 354 eine größere Länge der Biegefeder entsprechen, wenn das gleiche Material vorliegt. Die Steifigkeit 350 ist damit, bei einer von Null verschiedenen Auslenkung 16, für die kleinere Federlänge der zweiten Federeinrichtung 355 größer als für die größere Federlänge der ersten Federeinrichtung 354. Dies hat zur Folge, dass bei der zweiten Federeinrichtung 355 bei gleicher Schwingungsamplitude 16 ein größerer, nichtlinearer Anteil zu berücksichtigen ist. Dies ist zur Herstellung eines Drehratensensors zu vermeiden, so dass der nichtlineare Anteil hierbei möglichst gering gehalten werden soll.
In Figur 4 ist eine detailiertere und vergrößerte Darstellung der ersten Biegefeder 360 dargestellt. Erkennbar ist auf der linken Seite der Figur 4 die Verankerungseinrichtung 200, mit der ein erstes Ende 330 der ersten Biegefedereinrichtung 301 verbunden ist. Mit einem zweiten Ende 320 der ersten Biegefedereinrichtung 301 ist diese mit der Schwungmasse 10 verbunden. Bei der Ausführung von Drehschwingungen der Schwungmasse 10 um das Zentrum 400, welches in Figur 4 jedoch nicht dargestellt ist, kommt es zu einer durch einen Doppelpfeil dargestellten Bewegung, wobei der Doppelpfeil mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist. Je größer die Wegstrecke ist, welche die Schwungmasse 10 bei der Bewegung 15 zurücklegt, desto größer ist die Schwingamplitude, welche in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt wurde. Außer der ersten Biegefedereinrichtung 301 umfasst die erste Biegefeder 360 noch die zweite Biegefedereinrichtung 302, wobei die erste und zweite Biegefedereinrichtung 301, 302 entlang der in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 364 bezeichneten Symmetrieebene spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Auch die zweite Biegefedereinrichtung 302 weist selbstverständlich ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei diese jedoch in Figur 4 nicht mit einem eigenen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Bereich des ersten Endes 330 weist die erste Biegefedereinrichtung 301 eine Krümmung auf, deren Radius am Beispiel der zweiten
Biegefedereinrichtung 302 mit dem Bezugszeichen 331 dargestellt ist. Dies führt dazu, dass die maximalen Dehnungen an der Einspannungsstelle der ersten Biegefedereinrichtung 301 zur Verankerungseinrichtung 200 bei einer Auslenkung der ersten Biegefedereiιτrichtung 301 erheblich ldeiner sind als bei dem herkömmlichen Drehratensensor gemäß dem Stand der Technik. Darüber hinaus lassen sich die maximalen Dehnungen an der Einspannung zur
Verankerungseinrichtung 200 durch die Größe des Radius 331 variieren. Ein großer Radius 331 bedeutet hierbei, dass bei ansonsten gleichen Bedingungen und insbesondere gleichen Schwingungsamplituden kleinere Dehnungen an der Einspannung auftreten. Durch die Vorsehung jeweils zweier Biegefedereinrichtungen zur Bildung einer Biegefeder kann damit die gleiche Steifigkeit der Biegefeder 360 erreicht werden, wie bei einer wesentlich breiter ausgelegten Feder, die einstückig ausgeführt ist. Im Bereich des zweiten Endes 320 der ersten Biegefedereinrichtung 301 ist, wie in Figur 4 dargestellt, ein abgewinkelter bzw. ein abgeknickter Bereich vorgesehen. Durch diesen abgewinkelten Bereich bzw. durch diese abgewinkelten Endstücke im Bereich des zweiten Endes 320 der Biegefedereinrichtung 301 ist es möglich, dass bei einer Drehung der Schwungmasse 10 in der XY-Ebene von der Biegefedereinrichtung 301 eine Längskraft aufgenommen wird. Würde diese Längskraft in der ersten Biegefedereinrichtung 301 nicht durch den abgeknickten Bereich aufgenommen werden, so λvürde die Steifigkeit über der Auslenkung stark zunehmen und somit die Nichtlinearität der Federsteifigkeit vergrößert werden. Dies wird durch die Abkniclcung am zweiten Ende 320 der ersten Biegefedereinrichtung 301 vermieden. Dadurch ist es möglich, eine Biegefeder 360 zu bilden, welche für größere Arbeitsfrequenzen des Sensors vorgesehen ist, welche also dieselben Eigenschaften wie eine Feder mit einer größeren Federbreite bzw. mit einer kleineren Federlänge als bei der in der Figur 1 gemäß dem herkömmlichen Sensor dargestellten X-Feder hat. Durch die insgesamt aufgrund der doppelten Anordnung jeder Biegefedereinrichtungen 301-308 simulierte größere Federbreite und dadurch höhere Steifigkeit der Feder eneicht man darüber hinaus den weiteren Vorteil, dass bei der Fertigung einer solchen erfindungsgemäßen Struktur, bei welcher Fertigungsschwankungen in der Federbreite auftreten, die relative Streuung der Federbreite von Sensor zu Sensor und damit auch die Streuung der Resonanzfrequenz der Schwungmasse 10 relativ geringer wird, weil bei gleicher Breitenschwankung in der Fertigung eine größere absolute Federbreite vorliegt und so die relative Schwankung der Resonanzfrequenz geringer ist.
Der abgeknickte Bereich der ersten Biegefedereinrichtung 301 am zweiten Ende 320 der ersten Biegefedereinrichtung 301 und die Krümmung 331 am ersten Ende 330 der ersten Biegefedereinrichtung 301 sind erfindungsgemäß insbesondere in der XY-Ebene, das heißt in der Hauptsubstratebene, in der gleichen Richtung von der Spiegelungsachse 364 aus gesehen vorgesehen. Hierdurch ergibt sich eine U-Form der Biegefedereinrichtungen 301-308. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 365 bezeichnete Länge der ersten Biegefedereinrichtung 301 erheblich größer ist, als die Breite 366 einer Biegefeder 360. Durch einen großen Einspannradius 331 im Bereich des ersten Endes 330 der ersten Biegefedereinrichtung 301 lässt sich die mechanische Belastung durch die Schwingung auf die Verbindungsstelle zur Verankerungseinrichtung 200 reduzieren.
Ein Aufhängepunkt einer Biegefedereinrichtung 301-308 an der Verankerungseinrichtung 200 muss nicht unbedingt mit dem Substrat 100 verbunden sein. Die Biegefedereinrichtung 301-308 könnte auch z.B. zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Massen befinden.
Zusätzlich zu der in Figur 2 beschriebenen X-fönnigen Anordnung der Biegefedern 360-363 können auch noch andere Federelemente integriert sein. Dies ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 stellt im Wesentlichen die gleiche Anordnung hinsichtlich der Schwungmasse 10, des Substrats 100, der Biegefedereinrichtungen 301-308 und der Verankerungseinrichtung 200 wie in Figur 2 auf. Darüber hinaus ist jedoch eine weitere Verankerungseinrichtung 210 vorgesehen, mit der eine erste Stützfeder 309 oder eine zweite Stützfeder 310 verbunden sind, wobei die Stützfedem 309, 310 ihrerseits mit der Schwungmasse 10 verbunden sind. Die erste Stützfeder 309 ist bezüglich des Zentrums 400 der Sensoranordnung gegenüberliegend der zweiten Stützfeder 310 vorgesehen. Weiterhin ist die weitere Veranlcerungseinrichtung 210 zur Verankerung der Stützfedem 309, 310 in unmittelbarer Nähe der Verankerungseinrichtung 200 in der Nähe des Zentrums 400 vorgesehen. Die Stützfedem 309, 310 dienen erfindungsgemäß insbesondere zur gezielten Beeinflussung von bestimmten Eigenfrequenzen des Sensors, die über die Biegefedern 360, 363 nicht oder nur unzureichend beeinflussbar sind.

Claims

Arsprüche
1. Milcromechanischer Drehratensensor mit einem Substrat (100) welches eine auf dem Substrat (100) vorgesehene Veranlcerungseinrichtung (200) aufweist und einer Schwungmasse (10), die über eine mit der Schwungmasse (10) verbundene Biegefedereinrichtung (301-308) derart mit der Verankerungseinrichtung (200) verbunden ist, dass die Schwungmasse (10) um eine senkrecht zur Substratoberfläche liegende Drehachse (Z) elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar und zu einer Drehschwingung befähigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung 301-308 eine Krümmung (331) an ihrem Verankerungsbereich mit der Veranlcerungseinrichtung (200) aufweist.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (301-308) derart mit der Schwungmasse (10) verbunden ist, dass ein radialer Längenausgleich möglich ist.
3. Drehratensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (301-308) an ihrer Verbindung zur Schwungmasse (10) einen abgeknickten Bereich aufweist.
4. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verankerungsbereich der Biegefedereinrichtung (301-308) außerhalb des Zentrums (400) der Drehschwingung vorgesehen ist.
5. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Aisprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Biegefedereini-ichtungen (301-308) spiegelsymmetrisch entlang ihrer größten Ausdehnung nebeneinander vorgesehen sind und zusammen eine Biegefeder (360-363) bilden.
6. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Biegefedern (360-363) V-förmig derart angeordnet sind, dass die Schenkel zur Schwungmasse (10) hin unter einem Öffnungswinlcel (370) aufgespreizt sind.
7. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekemizeichnet, dass insgesamt vier Biegefedern (360-363) derart angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen eine X-Form bilden.
8. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinlcel (370) derart gewählt ist, dass die Eigenfrequenz um die senkrecht zur Substratoberfläche liegende Drehachse (Z) geringer ist als jede Eigenfrequenz um eine parallel zur Substratoberfläche liegende Drehachse (X, Y).
9. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er durch Silicium-Oberflächenmikromechanik oder eine andere
Mikromechanik-Technologie hergestellt ist.
10. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekemizeichnet, dass die Verankerungseinrichtung (200) fest mit dem Substrat (100) verbunden ist oder dass die Verankerungseinrichtung (200) relativ zum Substrat
(100) beweglich angeordnet ist.
11. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den eine X-Form bildenden Biegefedern (360, 363) noch eine oder mehrere Stützfedem (309, 310) vorgesehen sind.
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