Kapitel 6 I

Question 1

Anwendungen und Aufbau von Drehratensensoren

a) Benennen Sie typische Anwendungen von Drehratensensoren in der Automobiltechnik?

Answer 1

• Rollrate für Gurtstraffer, Überrollbügel und Airbags

- Rotation für ESP/VSC

Question 2

Anwendungen und Aufbau von Drehratensensoren

b) Was versteht man unter Mikro-Inertialmodulen?

Answer 2

IMU: Inertial Measuring Units

-> Sie messen Beschleunigung und Drehrate in allen drei Raumrichtungen

(IMUs sind Voraussetzung für innovative Fahrsicherheitssysteme)

Question 3

3) Anwendungen und Aufbau von Drehratensensoren

c) Wodurch unterscheiden sich Mikro-Inertialmodule von Kreisel-basierten Systemen?

Answer 3

Sie (Drehratensensoren) nutzen die Trägheitskräfte in rotierenden Koordinatensystemen zur Signalgenerierung
(Corioliskraft-gekoppelte Doppel-Oszillator-Systeme mit piezoresistive oder kapazitiver Signalwandlung)

Feder-Masse-Systeme
Anregungsoszillation
Ausleseoszillation
(~ comb drives)

Question 4

4) Funktionsprinzip von Drehratensensoren

a) Welche Trägheitskräfte wirken in rotierenden Bezugssystemen?
b) Wie hängen diese vom Abstand zur Drehachse und von der Winkelgeschwindigkeit ab?

Answer 4

a) Trägheitskräfte in rotierenden Systemen:
- Corioliskraft
- Fliehkraft = m w^2 r = m v^2 / r

Abhängigkeit vom Abstand zur Drehachse

• > Fliehkraft ~ 1/Radius
• > Corioliskraft ~ 1/Radius

Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit

• > Fliehkraft ~ w^2
• > Corioliskraft ~ w

Question 5

4) Funktionsprinzip von Drehratensensoren

c) Beschreiben Sie die Wirkung der Corioliskraft auf einen rotierenden Kreisel.
d) Beschreiben Sie die Wirkung der Corioliskraft auf ein gekreuztes Feder-Masse-System.

Answer 5

c) Wegen der Drehimpulserhaltung versucht ein schnell rotierender Kreisel seine Drehachse im Raum stabil zu halten. Wird der Kreisel durch eine äußere Kraft gestört, so korrigiert die Corioliskraft diese Auslenkung wieder.

d)
Im gekreuzten Federmassesystem wirkt die Corioliskraft der viel größeren oszillierenden Antriebskraft entgegen.

Question 6

5) Technologie von MEMS-Drehratensensoren

a) Wie lässt sich ein gekreuztes Feder-Massesystem mit Hilfe des Bosch-Prozesses realisieren?
b) Wie beeinflusst die Asymmetrie der beiden Feder-Massesystem das Sensorverhalten?

Answer 6

Sog. Comb Drives

• höhere Kapazität durch Faltung
• größerer Weg
• bessere Linearität

Durch hohe Aspektverhältnisse und enge Spaltsbstände

b) Maximale Empfindlichkeit mit Hilfe symmetrisch ausgelegter Oszillatoren

Question 7

5) Technologie von MEMS-Drehratensensoren

c) Welche Rolle spielt die Bedämpfung bei Drehratensensoren?

Answer 7

Ideale Parameter für Drehratensensoren sind

• kleine Dämpfung !
• kleine Federkonstante
• große seismische Masse
• große Anregungsamplitude

Minimale Luft-Dämpfung erhöht Empfindlichkeit!!

Question 8

5) Technologie von MEMS-Drehratensensoren

d) Wodurch ist das Auflösevermögen (minimal detektierbare Drehrate) eines MEMS-Drehratensensors limitiert?

Answer 8

Die Empfindlichkeit ist letztendlich durch das thermische Rauschen limitiert.

Entscheidend bleiben auch die Parameter 
Seismische Masse (hoch)
Anregungsamplitude (hoch)
Dämpfung (niedrig)
(Federkonstante (niedrig))

Question 9

5) Technologie von MEMS-Drehratensensorene

e) In welchem Bereich liegen die minimal und maximal detektierbaren Drehraten eines typischen MEMS-Drehratensensors?

Answer 9

Noise <0,05 Grad/s

Dynamic Range > +-189 Grad/s