Zuverlässige und robuste Drehratensensoren sind eine Schlüsselkomponente für viele neuartige Kfz-Elektroniksysteme. Grundvoraussetzung für sicherheitsrelevante Anwendungen ist ein Sensordesign, das keine mechanischen Resonanzfrequenzen unterhalb von 10 kHz aufweist und somit unempfindlich ist gegenüber Erschütterungen im Fahrzeug. Desweiteren ist ein Selbsttest unablässig, der während des Betriebs permanent die Funktionalität des Sensors überwacht, ohne dabei das Meßsignal zu beeinflussen. Für die Funktionsweise von mikromechanischen Drehratensensoren sind zwei Schwingungsmoden notwendig. Ein Schwingungsmode wird auf eine konstante Anregungsamplitude geregelt. Bei Drehung des Sensors resultiert aus dieser Anregungsschwingung eine periodische Coriolis-Kraft, die als treibende Kraft für die Ausleseschwingung dient. Auf diesem Prinzip basieren alle Ausführungsformen der mikromechanischen Drehratensensoren aus Silizium oder Quarz, z.B. Sensoren mit Stimmgabelstruktur, mit oszillierenden Scheiben, mit kardanisch aufgehängter Inertialmasse, mit schwingender Balkenstruktur, oszillierende Beschleunigungssensoren und Ringstrukturen. Dabei kommen unterschiedliche Aktorikverfahren (elektrostatisch, elektrodynamisch oder piezoelektrisch) zur Anregung der Primärschwingung zum Einsatz. Zur Umwandlung der mechanischen Meßgröße in ein elektrisches Signal stehen kapazitive, piezoelektrische, piezoresistive oder elektrodynamische Verfahren zur Verfügung. Beispielhaft wird die Funktionsweise eine Stimmgabel-Drehratensensors aus Silizium gezeigt. Die Simulation der Eigenschaften eines solchen Sensors wird beschrieben. Weiter wird die Fertigung der Sensoren in einem CMOS-kompatiblen Herstellungsverfahren dargestellt. Die Elektronik für den Drehratensensor besteht im wesentlichen aus drei Komponenten: 1. Anregungsschaltkreis für die resonante Aktorik der Zinkenschwingung und die entsprechende Regelung auf konstante Zinkenamplitude. 2. Verstärkerschaltkreis für die piezoresistive Signalauslesung. 3. Schaltkreis für die Selbsttestfunktion des Sensors. Das Schwingungsverhalten des Sensors wurde mit einem Laservibrometer aufgenommen. Mit dieser Messung konnte die berechnete Modenform bestätigt werden.
Silizium-Drehratensensor mit piezoelektrischer Anregung und piezorestiver Auslesung für Automobil-Applikationen
Yaw rate sensor for automotive applications
Tagung der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, Sensoren und Meßsysteme, 2000 ; 697-706
VDI-Berichte ; 1530
2000
10 Seiten, 9 Bilder, 28 Quellen
Conference paper
German
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