7. Drehrate

Question 1

Gierrate

Answer 1

Drehung um Hochachse (yaw)

Question 2

Nickrate

Answer 2

Drehung um Querachse (pitch)

Question 3

Wichtige Parameter des Drehratensensors

Answer 3

• Die maximale Drehrate, die noch gemessen werden kann bzw. der Messbereich, z. B. ±400°/s
• Das Rauschen, durch das auch bei stationärem Sensor eine Drehung angezeigt wird. Typische
  Werte sind 0,001 bis 0,1°/s 1/2 . Ist das Rauschen kleiner als 0,003°/s 1/2 kann die Rotation der Erde
  gemessen werden.
• Linearität, z. B. 0,1 bis 1 % FS
• Auflösung, z. B. 0,1° bei 100°/s
• Recovery time after Schock
• Temperaturbereich
• Querempfindlichkeit bei Beschleunigung

Question 4

Messprinzip der Drehrate

Answer 4

Drehrate wird anhand der Scheinkraft Coriolis-Kraft gemessen: a = -2wv

Question 5

Arten von Drehratesensoren

Answer 5

• Stimmgabeln aus Quarz
• MEMS-Mikrostrukturen mit linearer Anregung
• MEMS-Mikrostrukturen mit Drehschwingungen

Question 6

Erläutern Sie das Messprinzip von Stimmgabel- Drehratensensor

Answer 6

1. Primärschwingung durch inversen piezoelektrischen Effekts angeregt.
2. Über den piezoelektrischen Effekt wird die Beschleunigung bei Drehung (Sekundärschwingung) in ein elektrisches Signal umgewandelt

Question 7

Messprinzip MEMS-Drehratensensor mit linearer Anregung

Answer 7

1. Eine federnd aufgehängte Masse wird elektrostatisch in Schwingung versetzt.
2. Bei Drehung des Systems regt die Coriolis-Kraft eine Schwingung senkrecht zur Primärschwingung an.
3. Die Ausleseschaltung misst diese Sekundärschwingung kapazitiv.

Question 8

Probleme des MEMS-Drehratensensor mit linearer Anregung

Answer 8

Schwingt auch bei Beschleunigung

=> Ausgleich durch zwei im Gegentakt schwingenden Resonatoren

Question 9

Messprinzip MEMS-Drehratensensor mit drehender Anregung

Answer 9

• Ein flacher, scheibenförmiger Rotor wird elektrostatisch in rotierende Vibration versetzt.
• Eine äußere Rotation lässt den Rotor senkrecht kippen. Die Ursache dafür ist die Corioliskraft
  bzw. die Drehmomenterhaltung.
• Der Abstand des Rotors zur darunterliegenden Oberfläche wird kapazitiv detektiert. Dieses Signal ist proportional zur Drehrate.

Question 10

Anforderung an das Gehäuse der Drehratensensoren

Answer 10

• Hohlraum über der mikromechanischen Struktur
• Im Hohlraum muss ein gutes Vakuum dauerhaft erhalten bleiben, damit die Schwingung nicht
  gedämpft wird (10 -1 bis 10 -4 hPa). Das Gehäuse muss deshalb hermetisch sein.
• Die mikromechanischen Strukturen müssen elektrisch mit den äußeren Anschlüssen des
  Gehäuses verbunden sein.
• Mechanische Spannungen sind im Vergleich zu Drucksensoren relativ unkritisch.

Question 11

Wie können Sie mit MEMS Strukturen auf einem Chip die Drehrate in allen drei Raumrichtungen messen?

Answer 11

Durch die Kombination von einem Sensor mit linearer Anregung für die Drehachse senkrecht zur
Waferebene (z) mit einem Sensor mit rotierender Anregung, bei dem die Kippung des Rotors in zwei
Richtungen gemessen werden kann.

Question 12

Wie können Sie einen dreiachsigen Beschleunigungssensor auf einem Chip aufbauen?

Answer 12

Für die beiden Achsen in der Waferebene (x, y) können Masse-Feder Systeme verwendet werden. Für die Richtung senkrecht zur Waferebene (z) könnte
eine dünne Elektrode unter einer, in z-Richtung federnd aufgehängten Poly-Si Elektrode aufgebracht
werden um so Auslenkung in z-Richtung kapazitiv zu messen.

Question 13

Welche Prozessschritte sind notwendig um mit Oberflächenmikromechanik einen Drehratensensor mit drehender Anregung auf einem Silizium-wafer aufzubauen?

Answer 13

Im Vergleich mit Beschleunigungssensoren sind zusätzlich noch Elektrodenflächen unter den
rotierenden Strukturen notwendig. Der Prozessablauf sieht dann so aus:
- Auf Wafer eine dünne Metallschicht aufbringen und mit Photolithographie strukturieren
(also Belacken, Belichten, Entwickeln, Ätzen und Lack Entfernen).
- SiO 2 Opferschicht mit CVD aufbringen und photolithographisch Strukturieren.
- Dicke Poly-Si Schicht mit CVD aufbringen und photolithographisch Strukturieren. Ätzen dabei
mit DRIE.
- Ätzen der Opferschicht.
Das sind nur die Schritte für die Herstellung der mikromechanischen Struktur auf dem Wafer. Danach
muss noch ein Rahmen für die dichte Verbindung mit dem Kappen-Wafer aufgebracht und
strukturiert werden.

Question 14

Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Gehäusen für MEMS-Beschleunigungssensoren und MEMS-Drehratensensoren?

Answer 14

• Vakuum im Hohlraum von MEMS-Drehratensensoren
• Definierter Gasdruck bei Beschleunigungssensoren um Schwingung des Masse-Feder Systems zu dämpfen
• In beiden Fällen hermetisch dichtes Gehäuse

Question 15

Rollrate

Answer 15

Drehung um die Längsachse (roll)

Question 16

Warum können MEMS-Beschleunigungssensoren und MEMS-Drehratensensoren nicht gemeinsam in einer Kavität gehäust werden?

Answer 16

MEMS-Beschleunigungssensoren brauchen einen Gasdruck von einigen 100 hPa für die Squeese-Film Dämpfung. MEMS-Drehratensensoren brauchen ein gutes Vakuum damit die resonante Anregung nicht gedämpft wird.

Question 17

Wie setzen sich die Kosten eines Drehratensensors zusammen? Mit welchen technischen Entwicklungen können Kostensenkungen erreicht werden?

Answer 17

• Kosten des Sensorchips: Kostensenkung durch genaueren DRIE Prozess oder optimiertes Layout und dadurch kleiner Chipfläche
• Kosten des ASICS:Chipverkleinerung durch Weiterentwicklung der Halbleiterprozesse
• Kosten für Gehäuse
• Kosten für Messung einschließlich Kalibrierung:Reduzierung der dafür nötigen Zeit.

Question 18

In einem Zeitungsartikel wird eine Methode beschrieben wie Quadrocopter durch Ultraschall zum Absturz gebracht werden können. Wie könnte das funktionieren? Welche Frequenz müsste der Ultraschall haben?

Answer 18

Quadrocopter sind nur mit permanenter Regelung der Orientierung anhand von Drehratensensoren flugfähig. Es ist möglich durch Ultraschall die Schwingung des MEMS-Resonators zu stören. Entweder die Anregungsschwingung oder die Detektionsschwingung. Es muss also die Frequenz diese Schwingungen getroffen werden.