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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
DE 10 2007 054 505 A1 ein Drehratensensor bekannt, der eine erste und zweite Teilstruktur aufweist, die über einer Haupterstreckungsebene eines Substrats angeordnet sind. Der Drehratensensor weist Mittel auf, die die erste und zweite Teilstruktur über eine erste und zweite Antriebsstruktur zu einer Schwingung parallel zu einer ersten Achse parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats anregen. Weiterhin weist der Drehratensensor ein erstes und zweites Corioliselement auf, die durch eine Corioliskraft ausgelenkt werden. Das erste und zweite Corioliselement sind mit einem zentralen Federelement verbunden.
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Aus der Druckschrift
EP 1 365 211 B1 geht ein Drehratensensor hervor, dessen sensitive Masse in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen auslenkbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Verbindung des ersten Corioliselements mit dem zweiten Corioliselement über ein Koppelelement und der Auslenkbarkeit des ersten Corioliselements und des zweiten Corioliselements in zwei zueinander senkrechten Richtungen erreicht wird, dass eine erste Störeigenfrequenz eines ersten Störeigenmodes wesentlich von einer ersten Detektionseigenfrequenz eines ersten Detektionseigenmodes separiert ist und dass eine zweite Störeigenfrequenz eines zweiten Störeigenmodes wesentlich von einer zweiten Detektionseigenfrequenz eines zweiten Detektionseigenmodes separiert ist. Im ersten Störeigenmode sind die Auslenkungen des ersten und zweiten Corioliselements parallel zu einer zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse gleichsinnig und im ersten Detektionseigenmode sind die Auslenkungen des ersten und zweiten Corioliselements parallel zur zweiten Achse gegensinnig. Im zweiten Störeigenmode sind die Auslenkungen des ersten und zweiten Corioliselements parallel zu einer zur ersten und zur zweiten Achse senkrechten dritten Achse gleichsinnig und im zweiten Detektionseigenmode sind die Auslenkungen des ersten und zweiten Corioliselements parallel zur dritten Achse gegensinnig. Diese wesentliche Separation der Störeigenfrequenzen von den Detektionseigenfrequenzen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass äußere Störbeschleunigungen bzw. Linearbeschleunigungen vergleichsweise stark unterdrückt werden, sodass der Drehratensensor eine vergleichsweise geringe Vibrationsempfindlichkeit aufweist bzw. eine verbesserte Vibrationsfestigkeit aufweist. Weiterhin ist vorteilhaft, dass fertigungsbedingte Abweichungen der Massen oder der Federsteifigkeiten von Teilen des Drehratensensors von den Sollgrößen vergleichsweise wenig Auswirkungen auf die größtmöglich erreichbare Vibrationsfestigkeit des Drehratensensors haben.
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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 einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und zweite Corioliselement über Anbindungsfederelemente mit dem Substrat verbunden sind. Durch die Anbindung ans Substrat ist es möglich, die Auslenkung der Corioliselemente parallel zur zweiten und dritten Achse durch Störbescheinigungen zu verringern, sodass die erste und zweite Störeigenfrequenz wesentlich erhöht werden. Dadurch ist eine verbesserte Vibrationsfestigkeit erreichbar.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Teilstruktur parallel zur zweiten Achse neben der zweiten Teilstruktur angeordnet ist. Durch die parallel zur zweiten Achse angeordneten Teilstrukturen bei Anregung parallel zur ersten Achse (inverses Stimmgabelprinzip) wird eine vergleichsweise hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störbeschleunigung insbesondere Zentrifugalbeschleunigungen bei Drehung um die zweite oder dritte Achse erreicht.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste und zweite Corioliselement als Rahmen ausgebildet sind, wobei das erste Corioliselement über Federelemente mit einer ersten Antriebsstruktur verbunden ist, wobei das zweite Corioliselement über weitere Federelemente mit einer zweiten Antriebsstruktur verbunden ist, wobei das erste Corioliselement die erste Antriebsstruktur umgibt und das zweite Corioliselement die zweite Antriebsstruktur umgibt. Durch die Anordnung der Antriebstrukturen im inneren Bereich der als Rahmen ausgeführten Corioliselemente wird erreicht, dass der Drehratensensor eine vergleichsweise hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störbeschleunigung insbesondere Zentrifugalbeschleunigungen bei Drehung um die zweite oder dritte Achse aufweist und die Antriebsstrukturen vergleichsweise geringe Ausdehnungen parallel zur ersten und zweiten Achse aufweisen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Teilstruktur eine erste Detektionsmasse und die zweite Teilstruktur eine zweite Detektionsmasse aufweist, wobei die erste und zweite Detektionsmasse gegenüber einer Bewegung parallel zur ersten Achse im Wesentlichen ortsfest an das Substrat angebunden sind und parallel zur zweiten und dritten Achse auslenkbar sind, wobei die erste Detektionsmasse über erste Detektionsfedern an das erste Corioliselement und die zweite Detektionsmasse über zweite Detektionsfedern an das zweite Corioliselement gekoppelt ist, wobei die ersten und zweiten Detektionsfedern parallel zur zweiten und dritten Achse steif ausgelegt sind. Durch die ortsfeste Anbindung der Detektionsmassen in Antriebsrichtung (erste Achse) ist es möglich, die Detektionsbewegungen von der Antriebsbewegung weitegehend zu entkoppeln, wodurch ein mechanisches Übersprechen zwischen Antriebsbewegung und Detektionsbewegungen wesentlich verringert (Verringerung der mechanischen Quadratur) wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Corioliselement als Wippen ausgebildet sind, wobei das erste Corioliselement über erste Torsionsfederelemente mit der ersten Teilstruktur und das zweite Corioliselement über zweite Torsionsfederelemente mit der zweiten Teilstruktur verbunden ist, wobei die ersten Torsionsfederelemente eine zur Haupterstreckungsebene parallele erste Drehachse und die zweiten Torsionsfederelemente eine zur Haupterstreckungsebene parallele zweite Drehachse bilden, wobei das erste Corioliselement eine bezüglich der ersten Drehachse asymmetrische Massenverteilung aufweist und das zweite Corioliselement eine bezüglich der zweiten Drehachse asymmetrische Massenverteilung aufweist, wobei das erste Corioliselement durch eine parallel zur dritten Achse wirkende Corioliskraft um die erste Drehachse drehbar ist und das zweite Corioliselement durch eine parallel zur dritten Achse wirkende Corioliskraft um die zweite Drehachse drehbar ist. Bei Auslegung der Corioliselemente als Wippen durch asymmetrische Massenverteilung ist es möglich, bereits in jeder einzelnen Teilstruktur eine differentielle Auswertung der Signale vorzunehmen. Bei vergleichsweise hoher Biegesteifigkeit der Torsionsfederelemente parallel zur dritten Achse ist außerdem die Auslenkung der Corioliselemente durch Störeffekte verursacht durch elektrische Spannungen an den unter den Corioliselementen angeordneten Elektroden vergleichsweise gering, sodass vergleichsweise geringe Störsignale auftreten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zur zweiten Achse parallele erste Drehachse bezüglich der Ausdehnung des ersten Corioliselements parallel zur ersten Achse mittig verläuft und dass die zur zweiten Achse parallele zweite Drehachse bezüglich der Ausdehnung des zweiten Corioliselement parallel zur ersten Achse mittig verläuft.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der beiden vorhergehenden Weiterbildungen ist vorgesehen, dass das erste Corioliselement eine erste schwere Seite und eine erste leichte Seite aufweist und das zweite Corioliselement eine zweite schwere Seite und eine zweite leichte Seite aufweist, wobei die erste und zweite schwere Seite ein größeres Massenträgheitsmoment bezüglich der ersten und zweiten Drehachse als die erste und zweite leichte Seite aufweisen, wobei die erste schwere Seite über das Koppelelement mit der zweiten schweren Seite verbunden ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste schwere Seite über das Koppelelement mit der zweiten leichten Seite verbunden ist. Bei dieser Anordnung der Corioliselemente erfolgt bei einer Drehrate um die zweite Achse eine gegenphasige Torsionsbewegung der Corioliselemente um die Drehachse. Bei Störbeschleunigungen parallel zu dritten Achse erfolgt eine gleichphasige Torsionsbewegung der Corioliselemente um die Drehachse. Durch die gleichphasige Torsionsbewegung wird das Koppelelement stärker belastet als bei gegenphasiger Torsionsbewegung. Die gleichphasige Torsionsbewegung wird durch das Koppelelement vergleichsweise stark behindert, sodass die Auslenkung der Corioliselemente parallel zur dritten Achse kleiner ist als bei gegenphasiger Torsionsbewegung. Dadurch wird die zweite Störeigenfrequenz des zweiten Störeigenmodes im Vergleich zur zweiten Detektionseigenfrequenz des zweiten Detektionseigenmodes erhöht.
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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
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1 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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6 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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8 eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform 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 Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Der erfindungsgemäße Drehratensensor weist ein eine Haupterstreckungsebene 100 aufweisendes Substrat 50 (das Substrat 50 ist hier zur vereinfachten Darstellung nicht abgebildet) sowie eine erste und zweite Teilstruktur 511, 512 auf. Die erste und zweite Teilstruktur 511, 512 sind parallel zur Haupterstreckungsebene 100 angeordnet und weisen eine erste und zweite Antriebsstruktur 531, 532 auf. Die erste und zweite Teilstruktur 511, 512 werden über die erste und zweite Antriebsstruktur 531, 532 durch Antriebsmittel 60 zu einer Schwingung parallel zu einer ersten Achse X parallel zur Haupterstreckungsebene 100 angeregt. Die Antriebsmittel 60 sind als kapazitiv wirkende Antriebskammstrukturen ausgebildet. Diese Antriebskammstrukturen weisen sowohl an den Antriebstruktur 531, 532 als auch an der Substratbefestigung der Antriebskammstrukturen Fingerelektroden auf, die ineinandergreifen. Die substratseitig festen Elektroden greifen in die beweglichen Elektroden an der Antriebstruktur 531, 532 ein. Liegt an den Elektroden ein zeitlich wechselndes elektrisches Potential an, so wird die Antriebstruktur 531, 532 zu Schwingungen parallel zur ersten Achse X angeregt. Jede Antriebsstruktur 531, 532 ist über vier Verbindungsfedern 40 mit dem Substrat 50 verbunden. Die Verbindungsfedern 40 sind als mäanderförmig gefaltete Balkenfeder ausgebildet und derart orientiert, dass die Teilstrukturen 511, 512 parallel zur ersten Achse X beweglich sind und parallel zu einer zur ersten Achse X senkrechten zweiten Achse Y und parallel zu einer zur ersten Achse X und zur zweiten Achse Y senkrechten dritten Achse Z ortsfest sind. Die zweite Achse Y erstreckt sich parallel zur Haupterstreckungsebene 100. Es ist möglich, dass die Verbindungsfedern 40 eine andere Geometrie aufweisen, durch die eine richtungsabhängige Federsteifigkeit gewährleistet ist. Die erste und zweite Teilstruktur 511, 512 weisen ein erstes und zweites Corioliselement 581, 582 auf. Das erste und zweite Corioliselement 581, 582 sind parallel zur zweiten Achse Y auslenkbar und parallel zur dritten Achse Z auslenkbar. Die Corioliselement 581, 582 sind derart auf den Teilstrukturen 511, 512 angeordnet, dass der Drehratensensor spiegelsymmetrisch bezüglich einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 orientierten, zwischen den Teilstrukturen 511, 512 angeordneten Ebene ist. Weiterhin ist das erste Corioliselement 581 mit dem zweiten Corioliselement 582 über ein Koppelelement 101 verbunden. Die erste und zweite Antriebstruktur 531, 532 weisen an der dem Koppelelement 101 zugewandten Seite jeweils eine Aussparung auf. Durch die Aussparungen ist jeweils ein Corioliselement 581, 582 mit dem Koppelelement 101 verbunden. Das Koppelelement 101 ist parallel zur ersten, zweiten und dritten Achse X, Y, Z biegeweich ausgebildet. Das Koppelelement 101 weist zwei mäanderförmig gefaltete Balken auf. Es sind auch andere Geometrien des Koppelelementes möglich, durch die biegeweiche Bewegungen parallel zu den drei Achsen X, Y, Z ermöglicht werden. Das erste und zweite Corioliselement 581, 582 sind jeweils über Federelemente bzw. weitere Federelemente 721, 722 mit der ersten bzw. zweiten Antriebstruktur 531, 532 verbunden. Die mäanderförmig gefalteten Federelemente 721, 722 sind parallel zur zweiten und dritten Achse Y, Z biegeweich ausgelegt und parallel zur ersten Achse X steif ausgelegt. Es sind für die Federelemente 721, 722 auch andere Geometrien möglich, die die Anforderungen an die Biegesteifigkeiten erfüllen.
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Das erste und zweite Corioliselement 581, 582 weisen mittig bezüglich ihrer Erstreckung parallel zur zweiten Achse eine einzige vergleichsweise große Gitterstruktur 70 mit beweglichen Elektroden auf. In den Leerräumen der Gitterstrukturen 70 sind mit einer darunterliegenden Leiterbahnebene verbundene feststehende Elektroden angeordnet. Die beweglichen Elektroden und die feststehenden Elektroden ermöglichen eine Detektion einer Auslenkung des ersten und zweiten Corioliselement 581, 582 parallel zur zweiten Achse Y. Unterhalb des ersten und zweiten Corioliselements 581, 582 sind auf dem Substrat zwei Bereiche mit weiteren Elektroden 80 angeordnet (Trampolinstruktur). Diese Bereiche mit weiteren Elektroden 80 sind durch gestrichelte bzw. gepunktete Linien angedeutet. Eine Auslenkung der Corioliselemente 581, 582 parallel zur dritten Achse Z bewirkt eine Kapazitätsänderung an den weiteren Elektroden 80, sodass eine Detektion einer Auslenkung des ersten und zweiten Corioliselement 581, 582 parallel zur dritten Achse Z ermöglicht wird. Alternativ ist es möglich, dass jeweils ein einziger vergleichsweise großer Bereich einer Trampolinstruktur zentral in den Corioliselementen 581, 582 angeordnet wird und dass zwei Gitterstrukturen 70 in den Bereichen oberhalb und unterhalb der Trampolinstruktur angeordnet werden.
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Die erste und zweite Teilstruktur 511, 512 werden zu einer anti-parallelen Schwingung parallel zur ersten Achse mit gegenphasiger Auslenkung der beiden Teilstrukturen 511, 512 angeregt (Stimmgabelprinzip). Da die beiden Teilstrukturen 511, 512 symmetrisch zueinander ausgebildet sind und im Wesentlichen gleiche Massen besitzen, bleibt der Massenschwerpunkt des Drehratensensors während einer Periode der anti-parallelen Primärschwingung ortsfest. Dadurch koppelt der Drehratensensor weder einen Linearimpuls noch ein Drehmoment aus, wodurch der Energieaustausch mit der Umgebung minimiert wird.
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Beim Auftreten einer Drehrate um die dritte Achse Z wirkt auf die Corioliselemente 581, 582 eine Corioliskraft parallel zur zweiten Achse Y. Diese Corioliskraft bewirkt eine Auslenkung der Corioliselements 581, 582 parallel zur zweiten Achse Y, die mittels der beweglichen Elektroden der Gitterstruktur 70 und der feststehenden Elektroden detektiert wird. Wegen der gegenphasigen Schwingung der beiden Teilstrukturen 511, 512 wirkt die Corioliskraft auf die beiden Corioliselemente in gegengesetzte Richtungen. Während einer ersten Hälfte einer Schwingungsperiode der Teilstrukturen 511, 512 wirkt beispielsweise auf das erste Corioliselement 581 eine Corioliskraft in positiver Richtung der zweiten Achse Y, während auf das zweite Corioliselement 582 eine Corioliskraft in negativer Richtung der zweiten Achse Y wirkt. Während der nächsten Hälfte der Schwingungsperiode wirkt auf das erste Corioliselement 581 eine Corioliskraft in negativer Richtung der zweiten Achse Y, während auf das zweite Corioliselement 582 eine Corioliskraft in positiver Richtung der zweiten Achse Y wirkt. Dadurch wird eine differenzielle Auswertung der durch die beweglichen Elektroden der Gitterstruktur 70 und der feststehenden Elektroden detektierten Auslenkung der Corioliselemente 581, 582 möglich. Dadurch wird eine Störung der Drehratendetektion durch Linearbeschleunigungen unterdrückt.
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Bei Auftreten einer Drehrate um die zweite Achse Y wirkt eine Corioliskraft parallel zur dritten Achse Z auf die Corioliselemente 581, 582 und bewirkt eine Auslenkung der Corioliselemente 581, 582 parallel zur dritten Achse Z. Wegen der gegenphasigen Bewegung der Teilstrukturen 511, 512 wirkt die Corioliskraft auf die Corioliselemente 581, 582 in entgegengesetzte Richtungen und bewirkt eine entgegengesetzte Auslenkung der Corioliselemente 581, 582. Daher ist es möglich, dass die Auswertung durch die weiteren Elektroden 80 differenziell erfolgt. Dadurch ist der Drehratensensor vergleichsweise unempfindlich gegenüber störenden Linearbeschleunigungen parallel zur dritten Achse Z.
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In 2 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weisen die erste und zweite Antriebstruktur 531, 532 jeweils an der dem Koppelelement abgewandten Seite eine Aussparung auf. Durch diese Aussparung sind die Corioliselemente 581, 582 über Anbindungsfederelemente 73 mit dem Substrat 50 verbunden. Durch diese zusätzliche Anbindung ans Substrat 50 ist es möglich, die Eigenfrequenzen des ersten und zweiten Detektionseigenmodes zu verringern. Alternativ ist es möglich, dass jeweils ein einziger vergleichsweise großer Bereich einer Trampolinstruktur zentral in den Corioliselementen 581, 582 angeordnet wird und dass zwei Gitterstrukturen 70 in den Bereichen oberhalb und unterhalb der Trampolinstruktur angeordnet werden.
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In 3 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist die erste Teilstruktur 511 parallel zur zweiten Achse Y neben der zweiten Teilstruktur 512 angeordnet (inverses Stimmgabelprinzip). Durch diese Anordnung wird eine vergleichsweise hohe Unempfindlichkeit gegenüber Störbeschleunigung insbesondere Zentrifugalbeschleunigungen bei Drehung um die zweite oder dritte Achse Y, Z erreicht. Alternativ ist es möglich, dass jeweils ein einziger vergleichsweise großer Bereich einer Trampolinstruktur zentral in den Corioliselementen 581, 582 angeordnet wird und dass zwei Gitterstrukturen 70 in den Bereichen oberhalb und unterhalb der Trampolinstruktur angeordnet werden.
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In 4 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Im Unterschied zur dritten Ausführungsform erfolgt die Detektion einer Drehrate um die zweite Achse Y nach dem Wippenprinzip. Dazu sind die Corioliselemente 581, 582 über erste und zweite Torsionsfederelemente mit den Teilstrukturen 511, 512 verbunden. Die Torsionsfederelemente bilden eine erste und eine zweite zur Haupterstreckungsebene 100 parallele Drehachse. Die Corioliselemente 581, 582 weisen bezüglich der Drehachse asymmetrische Massenverteilungen auf, sodass die Corioliselemente 581, 582 durch eine parallel zur dritten Achse Z parallele Corioliskraft um die Drehachse drehbar sind. Durch die asymmetrische Massenverteilung weisen die Corioliselemente 581, 582 schwere Seiten 611, 612 und leichte Seiten 621, 622 auf. Die Massenträgheitsmomente der schweren Seiten 611, 612 bezüglich der Drehachsen sind größer als die Massenträgheitsmomente der leichten Seiten 621, 622 bezüglich der Drehachsen. Die schweren Seiten 611, 612 sind über das Koppelelement miteinander verbunden. Unterhalb der Corioliselemente 581, 582 sind auf dem Substrat Detektionselektroden 83 angeordnet. Diese Bereiche sind durch gestrichelte bzw. gepunktete Linien gekennzeichnet. Eine Drehung der Corioliselemente 581, 582 um die Drehachse bewirkt eine Änderung der Kapazität zwischen den Detektionselektroden 83 und den Corioliselementen 581, 582. Diese Kapazitätsänderung ist differentiell nachweisbar. Außerdem werden störende Linearbeschleunigungen parallel zur dritten Achse Z unterdrückt. Alternativ ist es möglich, die Teilstrukturen 511, 512 nach dem Stimmgabelprinzip anzutreiben.
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In 5 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Im Unterschied zur vierten Ausführungsform sind die Drehachse der Corioliselemente 581, 582 mittig bezüglich der Ausdehnung der Corioliselemente 581, 582 parallel zur zweiten Achse Y angeordnet. Auch hier ist alternativ der Antrieb nach dem Stimmgabelprinzip möglich.
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In 6 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Im Unterschied zur fünften Ausführungsform ist die erste schwere Seite 611 des ersten Corioliselements 581 über das Koppelelement 101 mit der zweiten leichten Seite 622 des zweiten Corioliselements 582 verbunden. Bei dieser Anordnung der Corioliselemente 581, 582 erfolgt bei einer Drehrate um die zweite Achse Y eine gegenphasige Torsionsbewegung der Corioliselemente um die Drehachse. Bei Störbeschleunigungen parallel zu dritten Achse Z erfolgt eine gleichphasige Torsionsbewegung der Corioliselemente 581, 582 um die Drehachse. Durch die gleichphasige Torsionsbewegung wird das Koppelelement 101 stärker belastet als bei gegenphasiger Torsionsbewegung. Die gleichphasige Torsionsbewegung wird durch das Koppelelement 101 vergleichsweise stark behindert, sodass die Auslenkung der Corioliselemente 581, 582 parallel zur dritten Achse Z kleiner ist als bei gegenphasiger Torsionsbewegung. Dadurch wird die zweite Störeigenfrequenz des zweiten Störeigenmodes im Vergleich zur zweiten Detektionseigenfrequenz des zweiten Detektionseigenmodes erhöht. Durch diese Erhöhung wird die Vibrationsfestigkeit des Drehratensensors wesentlich verbessert. Auch hier ist alternativ der Antrieb nach dem Stimmgabelprinzip möglich.
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In 7 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Die Corioliselemente 581, 582 sind als Rahmen ausgebildet und umgeben die jeweiligen Antriebsstrukturen 531, 532. Die Corioliselemente 581, 582 sind über Federelemente 721 und weitere Federelemente 722 mit den jeweiligen Antriebsstrukturen 531, 532 verbunden. Die Corioliselemente 581, 582 weisen jeweils zwei Bereiche mit einer Trampolinstruktur mit weiteren Elektroden 80 (gekennzeichnet durch gestrichelte Linien) zur Detektion von Drehraten um die zweite Achse Y auf und jeweils zwei Bereiche mit Gitterstrukturen 70 zur Detektion von Drehraten um die dritte Achse Z auf. Alternativ ist es möglich, die Anordnung nach dem Stimmgabelprinzip anzuregen. Weiterhin alternativ ist es möglich, die Corioliselemente 581, 582 über die Anbindungsfederelemente 73 mit dem Substrat 50 zu verbinden.
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In 8 ist eine schematische Darstellung in Aufsicht eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Die Teilstrukturen 511, 512 weisen Detektionsmassen 521, 522 auf, die parallel zur ersten Achse X ortsfest an das Substrat 50 angebunden sind und parallel zur zweiten und dritten Achse Y, Z auslenkbar sind. Die Detektionsmassen 521, 522 sind über Detektionsfedern 541, 542 mit den Corioliselementen 581, 582 verbunden, wobei die Detektionsfedern 541, 542 parallel zur zweiten und zur dritten Achse Y, Z steif ausgelegt sind. Die Detektionsmassen 521, 522 weisen jeweils zwei Bereiche mit Gitterstrukturen 70 zur Detektion von Drehraten um die dritte Achse Z und einen Bereich mit einer Trampolinstruktur mit weiteren Elektroden 80 zur Detektion von Drehraten um die zweite Achse Y (gekennzeichnet durch gestrichelte Linien). Bei Corioliskräften parallel zur zweiten und dritten Achse Y, Z werden die Corioliselemente 581, 582 parallel zur zweiten bzw. dritten Achse Y, Z ausgelenkt. Durch die steifen Detektionsfedern 541, 542 parallel zur zweiten und zur dritten Achse Y, Z werden die Detektionsmassen 521, 522 mitgeführt. Durch die ortsfeste Anbindung der Detektionsmassen 521, 522 in Antriebsrichtung ist es möglich, die Detektionsbewegungen von der Antriebsbewegung weitegehend zu entkoppeln, dadurch wird ein mechanisches Übersprechen zwischen Antriebsbewegung und Detektionsbewegungen wesentlich verringert (Verringerung der mechanischen Quadratur).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054505 A1 [0002]
- EP 1365211 B1 [0003]
