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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009 / 062 786 A1 ein Drehratensensor bekannt, welcher ein Substrat und eine Mehrzahl von beweglichen Teilstrukturen, die über einer Oberfläche des Substrats angeordnet sind, bekannt, wobei die beweglichen Teilstrukturen an ein gemeinsames Federelement gekoppelt sind, wobei Mittel vorgesehen sind, um die beweglichen Teilstrukturen zu einer gekoppelten Schwingung in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen Ebene anzuregen, wobei die beweglichen Teilstrukturen Coriolis-Elemente aufweisen, wobei die Mittel vorgesehen sind, durch eine Coriolis-Kraft verursachte Auslenkungen der Coriolis-Elemente nachzuweisen, wobei ein erstes Coriolis-Element zum Nachweise einer Drehrate um eine erste Achse vorgesehen ist und wobei ein zweites Coriolis-Element zum Nachweise einer Drehrate um eine zweite Achse vorgesehen ist, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ausgerichtet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor, die erfindungsgemäße Drehratensensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Drehrate um eine parallel zur Haupterstreckungsebene ausgerichtete Drehachse über eine Coriolis-Auslenkung, welche im Wesentlichen ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsebene und senkrecht zur Drehachse ausgerichtet ist, detektierbar ist. In vorteilhafter Weise werden dabei sowohl die Coriolis-Elektrode, als auch die Gegenelektrode des Detektionsmittels senkrecht zur Haupterstreckungsebene zur Schwingung angeregt, so dass keine Störsignale durch eine Relativbewegung zwischen der Coriolis-Elektrode und der Gegenelektrode entlang der dritten Richtung erzeugt werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Gegenelektrode nicht starr am Substrat verankert ist, sondern sich entlang der dritten Richtung mit dem Coriolis-Element mitbewegt. Eine Kapazitätsänderung zwischen der Coriolis-Elektrode und der Gegenelektrode wird daher insbesondere nicht durch eine Bewegung des Coriolis-Elements senkrecht zur Haupterstreckungsebene induziert, sondern eine derartige Kapazitätsänderung wird hauptsächlich durch die Drehrate verursacht, so dass die Drehrate mit größerer Präzision über die Kapazitätsänderung detektierbar ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt ein Siliziumsubstrat.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor einen zu einer Schwingung entlang der dritten Richtung anregbaren Antriebsrahmen aufweist, welcher mit dem Coriolis-Element gekoppelt ist, wobei die Gegenelektrode mit dem Antriebsrahmen verbunden ist und wobei vorzugsweise die Gegenelektrode mittels eines Isolationselements von dem Coriolis-Element elektrisch isoliert ist. In vorteilhafter Weise werden dabei das Coriolis-Element und die Gegenelektrode gleichermaßen von dem Antriebsrahmen zur Schwingung entlang der dritten Richtung angeregt, so dass die Coriolis-Elektrode und die Gegenelektrode bezüglich der Schwingung entlang der dritten Richtung zueinander synchronisiert werden. Die Anregung des Antriebsrahmens erfolgt vorzugsweise mittels substratfester Flächenelektroden, welche insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen dem Antriebsrahmen und dem Substrat angeordnet sind. Alternativ sind die Flächenelektroden als Deckelelektroden ausgebildet, so dass der Antriebsrahmen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen den Deckelelektroden und dem Substrat angeordnet ist. Die Gegenelektrode (auch als Detektions-Gegenelektrode bezeichnet) ist von dem Coriolis-Element vorzugsweise elektrisch isoliert, so dass die elektrische Kapazität zwischen der Coriolis-Elektrode und der Gegenelektrode durch die Potentialdifferenz zwischen Coriolis-Elektrode und Gegenelektrode messbar ist. Das Isolationselement ist vorzugsweise im Bereich des Antriebsrahmens oder im Bereich des Coriolis-Elements positioniert und umfasst insbesondere ein isolierendes Material, wie beispielsweise Oxid, Nitrid oder dergleichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Antriebsrahmen einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweist, wobei die Gegenelektrode mit dem ersten Teilbereich verbunden ist und eine zu einer weiteren Coriolis-Elektrode des Detektionsmittels korrespondierenden weitere Gegenelektrode des Detektionsmittels mit dem zweiten Teilbereich verbunden ist, wobei der erste Teilbereich gegenüber dem zweiten Teilbereich und/oder die Gegenelektrode gegenüber der weiteren Gegenelektrode elektrisch isoliert ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine differenzielle Auswertung der Coriolis-Auslenkung möglich. Die Coriolis-Elektrode und die Gegenelektrode bzw. die weitere Coriolis-Elektrode und die weitere Gegenelektrode sind insbesondere als entlang der ersten Richtung ineinandergreifende Fingerelektroden oder als entlang der ersten Richtung gegenüberstehende Kondensatorplatten ausgebildet, so dass entweder die Überlappung oder der Abstand zwischen den entsprechenden Elektroden durch die Coriolis-Auslenkung variiert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Teilbereich einen ersten Teil und einen vom ersten Teil elektrisch isolierten zweiten Teil aufweist, wobei die Gegenelektrode eine mit dem ersten Teil verbundene erste Gegenelektrode und eine mit dem zweiten Teil verbundene zweite Gegenelektrode umfasst und wobei der zweite Teilbereich einen dritten Teil und einen vom dritten Teil elektrisch isolierten vierten Teil aufweist, wobei die weitere Gegenelektrode eine mit dem dritten Teil verbundene dritte Gegenelektrode und eine mit dem vierten Teil verbundene vierte Gegenelektrode umfasst. In vorteilhafter Weise werden somit Störsignale durch eine Verdrehung des Coriolis-Elements gegenüber dem Antriebsrahmen verhindert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste und der dritte Teil auf einem gemeinsamen elektrischen Potential und der zweite und der vierte Teil auf einem gemeinsamen elektrisch Potential liegen, wobei entlang des Antriebsrahmens zwischen dem ersten und dem dritten Teil das zweite oder das vierte Teil angeordnet sind, so dass in vergleichsweise einfacher Weise eine differenzielle Auswertung der Coriolis-Auslenkung mit niedrigem Kontaktierungsaufwand realisierbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine weitere Coriolis-Auslenkung des Coriolis-Elements entlang einer zur ersten und zur dritten Richtung senkrechten zweiten Richtung mittels eines zusätzlichen Detektionsmittels detektierbar ist, wobei das zusätzliche Detektionsmittel eine mit dem Coriolis-Element verbundene zusätzliche Coriolis-Elektrode und eine korrespondierende zusätzliche Gegenelektrode umfasst, wobei sowohl die zusätzliche Coriolis-Elektrode, als auch die zusätzliche Gegenelektrode zur Schwingung entlang der dritten Richtung anregbar sind. In vorteilhafter Weise umfasst der Drehratensensor somit einen zweikanaligen Sensor, welcher zur Detektion von Drehraten um eine zur ersten Richtung parallelen ersten Drehachse, als auch zur Detektion von Drehraten um eine zur zweiten Richtung parallelen zweiten Drehachse geeignet ist. In vorteilhafter Weise wird dabei lediglich ein einziges Coriolis-Element benötigt, wobei sowohl beim Detektionsmittel, als auch beim zusätzlichen Detektionsmittel, die Coriolis-Elektrode und die Gegenelektrode bzw. die zusätzliche Coriolis-Elektrode und die zusätzliche Gegenelektrode synchron zueinander entlang der dritten Richtung schwingen, so dass eine Beeinträchtigung durch Störsignale vermieden wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Drehratensensoranordnung mit einem ersten und einen zweiten Drehratensensor, wobei das Coriolis-Element des ersten Drehratensensors mit dem Coriolis-Element des zweiten Drehratensensors und/oder dass der Antriebsrahmen des ersten Drehratensensors mit dem Antriebsrahmen des zweiten Drehratensensors gekoppelt ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine differentielle Auswertung der Drehrate ermöglicht, wobei ungewünschte Störeinflüsse aufgrund von Linearbeschleunigungen der Drehratensensoranordnung minimiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kopplung starr und/oder federelastisch ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise schwingen das Coriolis-Element des ersten Drehratensensors und das Coriolis-Element des zweiten Drehratensensors entlang der dritten Richtung gegenphasig zueinander. Dies ist durch eine Wippenstruktur bei einer starren Kopplung oder durch eine elastische Kopplung der beiden Antriebsrahmen realisierbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Antriebsrahmen des ersten Drehratensensors und der Antriebsrahmen des zweiten Drehratensensors ein gemeinsames Rahmenelement aufweisen, wobei die Drehratensensoranordnung eine Torsionsachse aufweist, welche sich entlang des gemeinsamen Rahmenelements erstreckt. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise bauraumkompakte Realisierung der Drehratensensoranordnung realisiert.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors, wobei das Coriolis-Element zu einer Schwingung entlang der dritten Richtung angeregt wird und wobei die Coriolis-Auslenkung des Coriolis-Elements entlang der ersten Richtung mittels der Detektionsmittel detektiert wird, wobei sowohl die Coriolis-Elektrode des Detektionsmittels, als auch die Gegenelektrode des Detektionsmittels zur Schwingung entlang der dritten Richtung angeregt werden. In vorteilhafter Weise werden somit Störeinflüsse aufgrund einer Relativbewegung der Coriolis-Elektrode und der Gegenelektrode entlang der dritten Richtung vermieden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
- 1 einen Drehratensensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 einen Drehratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 einen Drehratensensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4 einen Drehratensensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5 eine Drehratensensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 6 eine Drehratensensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 7 einen Drehratensensor gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 8a bis 8h einen Teilbereich eines Drehratensensors gemäß sechster Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Drehratensensor 1 ein Substrat 2 und ein mit dem Substrat 2 über Substratfedern 20 gekoppelten Antriebsrahmen 5 aufweist. Die Substratfedern 20 sind entlang einer zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 senkrechten dritten Richtung Z weich ausgebildet, während sie gegenüber einer jeweils zur dritten Richtung Z senkrechten ersten und zweiten Richtung X, Y hart ausgebildet sind. Die erste und zweite Richtung X, Y sind zueinander senkrecht ausgerichtet. Der Antriebsrahmen 5 wird dabei durch die Substratfedern 20 gegenüber einer Bewegung parallel zur Haupterstreckungsebene 100 fixiert, wobei die Substratfedern 20 eine Bewegung des Antriebsrahmens 5 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 zulassen. Der Antriebsrahmen 5 ist mittels Rahmenfedern 57 mit einem Coriolis-Element 3 verbunden, wobei die Rahmenfedern 57 gegenüber der dritten Richtung Z steif und gegenüber der ersten Richtung X elastisch ausgebildet sind und wobei zwischen den Rahmenfedern 57 und dem Antriebsrahmen 5 Isolationselemente 6 angeordnet sind, welche zur elektrischen Isolation des Coriolis-Elements 3 vom Antriebsrahmen 5 vorgesehen sind. Der Antriebsrahmen 5 wird mittels nicht abgebildeter Antriebselemente zu einer Schwingung entlang der dritten Richtung Z angeregt, wodurch über die Rahmenfedern 57 das Coriolis-Element 3 ebenfalls zu einer Schwingung entlang der dritten Richtung angeregt wird. Der Antriebsrahmen 5 ist in einem ersten Teilbereich 50 und einen zum ersten Teilbereich 50 spiegelsymmetrischen zweiten Teilbereich 51 unterteilt, wobei der erste und der zweite Teilbereich 50, 51 mittels weiterer Isolationselemente 6' voneinander elektrisch isoliert sind. Der erste Teilbereich 50 weist dabei als Fingerstrukturen ausgebildete Gegenelektroden 41 auf, welche zum Eingriff mit entsprechenden Coriolis-Elektroden 40 des Coriolis-Elements 3 vorgesehen sind, während der zweite Teilbereich 51 als Fingerstrukturen ausgebildete weitere Gegenelektroden 43 aufweist, welche zum Eingriff mit entsprechenden weiteren Coriolis-Elektroden 42 des Coriolis-Elements 3 vorgesehen ist. Eine Drehrate um eine zur zweiten Richtung Y parallele Drehachse verursacht eine Corioliskraft, welche eine Coriolis-Auslenkung 80 des Coriolis-Elements 3 entlang der ersten Richtung X erzeugt. Diese Coriolis-Auslenkung 80 verändert die Überlappung zwischen den Coriolis-Elektrode 40 und den Gegenelektroden 41 und die Überlappung zwischen den weiteren Coriolis-Elektroden 42 und den weiteren Gegenelektroden 43, welche jeweils als Änderung der elektrischen Kapazität messbar sind. Das Coriolis-Element 3 ist optional mit weiteren Substratfedern 30 am Substrat 2 verankert, wobei die weiteren Substratfedern 30 weich entlang der ersten und dritten Richtung X, Z ausgebildet sind und hart entlang der zweiten Richtung Y ausgebildet sind. Bei dem abgebildeten Drehratensensor 1 schwingen vorteilhafterweise sowohl die Coriolis-Elektroden 40 und die weiteren Coriolis-Elektroden 42, als auch die Gegenelektroden 41 und die weiteren Gegenelektroden 43 entlang der dritten Richtung Z. Die Rahmenfedern 57 und/oder die Substratfedern 20 sind alternativ als U-Federn ausgebildet.
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In 2 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei im Unterschied zu der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Antriebsrahmen 5 innerhalb des Coriolis-Elements 3 angeordnet ist, während das Coriolis-Element 3 als rahmenartige Struktur ausgebildet ist. Das Coriolis-Element 3 ist wiederum mittels der weiteren Substratfedern 30 am Substrat 2 befestigt und mittels der Rahmenfedern 57 mit dem Antriebsrahmen 5 gekoppelt. Der Antriebsrahmen 5 ist ferner wiederum mittels der Substratfedern 20 am Substrat 2 befestigt. Der Antriebsrahmen 5 ist in diesem Fall nicht in den ersten und zweiten Teilbereich 50, 51 unterteilt, stattdessen ist das Coriolis-Element 3 in zwei mittels weiterer Isolationselemente 6' voneinander elektrisch isolierte Teilelemente 31, 32 unterteilt, so dass die Coriolis-Elektrode 40 von der weiteren Coriolis-Elektrode 42 elektrisch isoliert ist.
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In 3 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen die Struktur der ersten Ausführungsform aufweist, wobei ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform nicht der Antriebsrahmen in den ersten und zweiten Teilbereich 50, 51 unterteilt ist, sondern vielmehr das Coriolis-Element in die zwei Teilelemente 31, 32 unterteilt ist.
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In 4 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der in 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei die Detektionsmittel 4 nicht als ineinandergreifende Fingerstrukturen ausgebildet sind, sondern jeweils als Platten eines Plattenkondensators. Die Änderung der elektrischen Kapazität zur Detektion der Coriolis-Auslenkung 80 wird daher nicht mehr durch eine Veränderung der Überlappungsgröße der Fingerstrukturen, sondern durch eine Abstandsänderung zwischen den Platten hervorgerufen. Ferner ist der erste Teilbereich 50 in einen ersten und einen davon isolierten zweiten Teil 52, 53 und der zweite Teilbereich 51 in einen dritten und einen davon isolierten vierten Teil 54, 55 getrennt. Die Gegenelektroden 41 umfassen daher eine mit dem ersten Teil 52 verbundene erste Gegenelektrode 44 und eine mit dem zweiten Teil 53 verbundene zweite Gegenelektrode 45, wobei die weitere Gegenelektrode 43 eine mit dem dritten Teil 54 verbundene dritte Gegenelektrode 46 und eine mit dem vierten Teil 55 verbundene vierte Gegenelektrode 47 umfasst. Die Isolationselemente 6 sind derart ausgebildet, dass sie den ersten und zweiten Teil 52, 53 bzw. den dritten und vierten Teil 54, 55 voneinander elektrisch isolieren. Optional liegen der erste und der vierte Teil 52, 55, sowie der zweite und der dritte Teil 53, 54 auf dem gleichen elektrischen Potential.
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In 5 ist eine schamtische Aufsicht einer Drehratensensoranordnung 11 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Drehratensensoranordnung 11 zwei Drehratensensoren 1, 1', d.h. einen ersten und einen zweiten Drehratensensor 1, 1' gemäß der in 4 illustrierten vierten Ausführungsform aufweist, welche mittels eines Kopplungselements 90 elastisch miteinander gekoppelt sind. Die Schwingung 91 des Antriebsrahmens 5 bzw. des Coriolis-Elements 3 des ersten Drehratensensors 1 entlang der dritten Richtung Z ist dabei antiparallel und gegenphasig zur Schwingung 91 des Antriebsrahmens 5' bzw. des Coriolis-Elements 3' des zweiten Drehratensensors 1' entlang der dritten Richtung Z, so dass auch die Coriolis-Auslenkung 80' des zweiten Drehratensensors 1' antiparallel und gegenphasig zur Coriolis-Auslenkung 80 des ersten Drehratensensors 1 ist und somit eine differentielle Messung der Drehrate ohne Störeinflüsse einer Linearbeschleunigung der Drehratensensoranordnung 11 ermöglicht wird.
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In 6 ist eine schematische Aufsicht einer Drehratensensoranordnung 11 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweiten Ausführungsform im Wesentlichen der in 5 illustrierten ersten Ausführungsform entspricht, wobei der erste und der zweite Drehratensensor 1, 1' starr miteinander gekoppelt sind und ein gemeinsames Rahmenelement 56 aufweisen. In diesem Fall führen der erste und der zweite Drehratensensor 1, 1' eine gemeinsame Drehschwingung 92 um eine Torsionsachse 93 durch, welche sich entlang des gemeinsamen Rahmenelements 56 erstreckt.
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In 7 ist eine schematische Aufsicht eines Drehratensensors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die fünfte Ausführungsform im Wesentlichen der in 4 illustrierten vierten Ausführungsform gleicht, wobei der Drehratensensor 1 ein zusätzliches Detektionsmittel 7 aufweist, welches zur Detektion einer zusätzlichen Coriolis-Auslenkung 81 entlang der zweiten Richtung Y hervorgerufen durch eine Drehrate mit einer Drehachse parallel zur ersten Richtung X. Das zusätzliche Detektionsmittel 7 umfasst zwei mit dem Coriolis-Element 3 verbundene zusätzliche Coriolis-Elektroden 70, welche mit zusätzlichen Gegenelektroden 71 des Antriebsrahmens 5 zusammenwirken.
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In den 8a bis 8h sind schematische Ansichten von Teilbereichen von Drehratensensoren 1 gemäß sechster Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Teilbereiche die Isolationsmittel 6, welche beispielsweise zur elektrischen Isolation des ersten Teilbereichs 50 des Antriebsrahmens 5 vom zweiten Teilbereich 51 des Antriebsrahmens 5 fungieren. Das Isolationsmittel 6 bzw. die laterale Schicht umfasst vorzugsweise ein isolierendes Material 62, beispielsweise mit Oxid oder mit amorphem SiGe ausgefüllte Trenchgräben, wobei das isolierende Material 62 vorzugsweise unterhalb, oberhalb oder beidseitig der Funktionsschicht angeordnet ist. In den 8e bis 8h umfasst das Isolationsmittel 6 ferner eine leitende Schicht 61, welche beispielsweise unterhalb, oberhalb oder beidseitig der Funktionsebene angeordnet ist, wobei das isolierende Material 62 die leitende Schicht 61 vorzugsweise von der Funktionsebene elektrisch isoliert. Die Funktionsschicht umfasst beispielsweise einen ersten und einen zweiten Teilbereich 51, 50 des Antriebsrahmens 5. In 8h ist die leitende Schicht 61 in das isolierende Material 62 teilweise eingebettet. Vorzugsweise ist die leitende Schicht hierbei in ein Oxid eingebettet und eine darunter liegende Leiterbahnebene wird als Abschirmung gegen das Oxidätzen an dieser mechanischen Verbindung verwendet. Das Opferschichtätzen erfolgt dabei zeitgesteuert derart, dass das Oxid an dem mechanischen Verbindungselement in ausreichendem Maße erhalten bleibt.
