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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor und ein Verfahren zur Herstellung eines Masseelements.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, an einem rotierbaren Körper einen Drehratensensor anzubringen, um eine Drehrate einer Rotationsbewegung des Körpers zu messen. Bekannte Drehratensensoren weisen üblicherweise ein Substrat auf, auf welchem eine oder mehrere Elektroden angeordnet sind. Weiterhin sind eine oder mehrere Detektionsmassen an dem Substrat derart aufgehangen, dass sich die Detektionsmassen über den Elektroden befinden. Die Detektionsmassen sind sozusagen trampolinartig aufgehangen. Üblicherweise bestehen die Detektionsmassen aus einem Vollmaterial. Wenn nun die Detektionsmasse oder die Detektionsmassen mittels eines Antriebs zu einer Schwingung parallel zu der Substratebene angeregt werden, so führt eine Drehung um eine Achse, welche sich in der Substratebene befindet und orthogonal zu der Schwingungsrichtung der Detektionsmassen liegt, aufgrund der Corioliskraft zu einer Auslenkung der Detektionsmassen senkrecht zu der Substratebene. Folglich ändert sich auch der Abstand zwischen den Elektroden und den Detektionsmassen. Insofern ändert sich auch die entsprechende Kapazität. Diese Änderung kann erfasst werden, und in eine entsprechende Drehrate der Rotationsbewegung des Körpers umgerechnet werden. Hierbei ist die Auslenkung einer Detektionsmasse proportional zu der auf die Detektionsmasse wirkende Corioliskraft. Drehratensensoren, bei welchen sich die Detektionsmassen bei Vorliegen einer Corioliskraft aus der Substratebene herausbewegen, können auch als out-of-plane-Drehratensensor bezeichnet werden.
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Die obigen Drehratensensoren werden im Allgemeinen über die Elektroden mit elektrischen Spannungen beaufschlagt, insbesondere zur elektrostatischen Mitkopplung, d. h. im vollresonanten Betrieb wird die Detektionsmode dabei zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands auf die Frequenz der Antriebsmode reduziert, und zur Kompensation der Quadratur, d. h. des mechanischen und/oder elektrischen Übersprechens der Antriebsbewegung in den Detektionspfad des Sensorelements.
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Für Anwendungen im Automobilbereich, beispielsweise in ESP-(elektronisches Stabilitätsprogramm)-Systemen, für Roll-over-Sensierung oder auch in Navigationssystemen, ist es erforderlich, die Arbeitsfrequenz fa des Drehratensensors auf 15 kHz oder sogar auf 20 kHz bis 40 kHz zu erhöhen, da bei diesen hohen Frequenzen kaum noch störende Vibrationen im Auto auftreten und der Drehratensensor somit eine sehr hohe Robustheit bezüglich Störanregungen aufweist. Mit der Erhöhung der Arbeitsfrequenz geht allerdings eine Erhöhung der mechanischen Federsteifigkeit k des Drehratensensors einher. Da andererseits bei einem out-of-plane detektierenden Drehratensensor Elektrodenflächen für die Mitkopplungs- und Quadraturkompensationseffekte nicht im gleichen Verhältnis wachsen wie die Federsteifigkeit, ergibt sich bei gleichen angelegten Spannungen eine reduzierte Mitkoppelfähigkeit, d. h. die Reduktion der Detektionsfrequenz geteilt durch das Quadrat der Mitkoppelspannung, bzw. eine Quadraturkompensationsfähigkeit, d. h. die kompensierte Quadratur geteilt durch das Quadrat der Kompensationsspannung. Als Folge davon kann es zu deutlichen Ausbeuteverlusten kommen, da nicht mehr alle Fertigungsschwankungen, die zu Variationen in den erforderlichen Mitkoppel- und Quadraturkompensationseffekten führen, über die in der Auswerteschaltung zur Verfügung stehenden Spannungspegel ausgeglichen werden können.
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Eine Möglichkeit, trotz höherer Arbeitsfrequenz fa die Federsteifigkeit k des Drehratensensors nicht zu erhöhen, besteht in der Reduktion der Masse m der Detektionsmassen, denn fa = (k/m)½/2π. Bei Sensoren gemäß dem Stand der Technik, deren Detektionsmassen aus einer einzigen mikromechanischen Schicht strukturiert werden bzw. bei Detektionsmassen, welche aus einem Vollmaterial bestehen, zieht eine Reduktion der Masse aber auch gleichzeitig eine Reduktion der zur Verfügung stehenden Elektrodenflächen nach sich. Das Verhältnis von Elektrodenfläche zu mechanischer Steifigkeit, und damit auch die Mitkopplungs- und Quadraturkompensationsfähigkeit, wird dadurch also nicht verbessert.
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Weiterhin weisen die bekannten Drehratensensoren den Nachteil auf, dass diese neben ihren beiden Nutzmoden, d. h. der Antriebsmode und der Detektionsmode, noch weitere Schwingungsmoden aufweisen, so genannte Störmoden. Werden im Betrieb des Drehratensensors derartige Störmoden über elektrische oder mechanische Störungen angeregt, können im Ausgangssignal des Sensors Fehlsignale auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drehratensensor anzugeben, welcher die bekannten Nachteile überwindet und insbesondere bei hohen Frequenzen Störmoden wirksam unterdrückt, so dass Fehlsignale vermieden werden.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Masseelements anzugeben, welches insbesondere in dem erfindungsgemäßen Drehratensensor verwendet werden kann.
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Diese Aufgaben werden gelöst mittels eines Drehratensensors nach Anspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Die Erfindung umfasst den Gedanken, einen Drehratensensor bereitzustellen, welcher eine Antriebseinrichtung umfasst. Erfindungsgemäß ist die Antriebseinrichtung mit zumindest einem Masseelement verbunden, d. h. es kann ein Masseelement oder es können auch mehrere Masseelemente vorgesehen sein. Vorzugsweise sind zwei Masseelemente vorgesehen. Erfindungsgemäß weist das Masseelement eine Basisschicht auf, auf welcher zumindest ein Steg angeordnet ist. Beispielsweise kann der Steg eine Quaderform aufweisen. Vorzugsweise ist der Steg in einem 90° Winkel relativ zu der Basisschicht auf dieser angeordnet.
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Weiterhin ist in dem Drehratensensor zumindest eine Detektionselektrode vorgesehen. Die Detektionselektrode detektiert hierbei eine Bewegung des Masseelements, indem eine Änderung des Abstands zwischen dem Masseelement und der Detektionselektrode kapazitiv erfasst wird. Vorzugsweise ist die Detektionselektrode unter der Basisschicht und getrennt von dem Masseelement angeordnet. Beispielsweise können auch mehrere Detektionselektroden vorgesehen sein, insbesondere sind zwei Detektionselektroden vorgesehen. In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung können weitere Elektroden vorgesehen sein, insbesondere sechs Elektroden. Die weiteren Elektroden können beispielsweise zur elektrostatischen Mitkopplung und/oder zur Lageregelung des Masseelements verwendet werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Drehratensensor ein mikromechanischer Drehratensensor.
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Die Antriebseinrichtung treibt das zumindest eine Masseelement für eine lineare Schwingung an. Im Fall von zwei Masseelementen kann die Antriebseinrichtung beispielsweise die beiden Masseelemente zu einer antiparallelen kollinearen Antriebsbewegung antreiben. D. h., dass das erste Masseelement und das zweite Masseelement um 180° phasenversetzt (antiparallel) zueinander schwingen. Solche Schwingbewegungen werden deshalb häufig auch als gegenphasige Schwingbewegungen oder auch als eine antiparallele Mode bezeichnet. Führt der Drehratensensor bei gleichzeitiger Anregung der beiden Masseelemente zu ihren antiparallelen Schwingbewegungen eine Rotationsbewegung um eine zu der Schwingrichtung der Masseelemente nicht parallele Rotationsachse aus, so wirken Corioliskräfte auf die beiden schwingenden Masseelemente. Durch die Corioliskräfte werden die beiden Masseelemente jeweils senkrecht zu ihrer Schwingrichtung ausgelenkt. Aufgrund der Antiparallelität der Schwingbewegungen der beiden Masseelemente werden die beiden Masseelemente in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt. Eine solche entgegengesetzte Schwingrichtung kann auch als eine antiparallele Detektionsschwingung bezeichnet werden. Durch diese Auslenkung senkrecht zu der Schwingbewegung ändert sich der Abstand zwischen der Detektionselektrode und den Masseelementen. Somit ändert sich auch die entsprechende Kapazität. Diese Änderung der Kapazität kann dann erfasst werden und in eine Drehrate umgerechnet werden.
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Für die nachfolgenden Ausführungen wird der erfindungsgemäße Drehratensensor mit zwei Masseelementen beschrieben. Die Erfindung soll hierauf aber nicht beschränkt sein. Im einfachsten Fall reicht ein Masseelement.
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Des Weiteren werden für die folgenden Ausführungen die drei Raumachsen, d. h. die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse wie folgt definiert. Die y-Achse ist parallel zu der Schwingung der Masseelemente, d. h. dass die Antriebseinrichtung die Masseelemente zu einer Antriebsschwingung, insbesondere zu einer antiparallelen kollinearen Antriebsschwingung entlang der y-Achse anregt. Die x-Achse ist orthogonal zu der y-Achse und in der Ebene der Antriebsschwingung. Die z-Achse ist orthogonal zu der x- und der y-Achse und orthogonal zu der Ebene der Antriebsschwingung.
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Erfindungsgemäß ist auf der Basisschicht des Masseelements zumindest ein Steg angeordnet. Vorzugsweise sind auf der Basisschicht mehrere Stege angeordnet. Insbesondere sind die Stege parallel zueinander angeordnet. Weiterhin kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Stege eine Rasterform bilden, d. h. dass die Stege in einer Rasterform angeordnet sind. Beispielsweise können mehrere Stege parallel zueinander angeordnet sein, wobei dann weitere Stege im 90°-Winkel dazu wiederum parallel zueinander angeordnet sind. Hierbei kann vorgesehen sein, dass sich die Stege untereinander kreuzen bzw. schneiden. Sie durchdringen sich sozusagen. Auf diese Weise wird eine Rasterform oder auch eine Gitterform gebildet. Vorzugsweise weisen die Stege eine Höhe zwischen 10 μm und 60 μm, insbesondere zwischen 10 μm und 40 μm auf. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Stege alle die gleiche Höhe aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Stege jeweils eine unterschiedliche Höhe aufweisen. In noch einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Breite oder Dicke der Stege zwischen 1 μm und 8 μm, insbesondere beträgt die Breite 2 μm. In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein jeweiliger Abstand zwischen den Stegen zwischen 10 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 20 μm und 100 μm betragen. Auch hier kann ein jeweiliger Abstand zwischen den Stegen gleich oder auch unterschiedlich sein. In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform beträgt die Höhe der Basisschicht zwischen 1 μm und 8 μm, vorzugsweise 2 μm. Eine Breite der Basisschicht kann beispielsweise zwischen 10 μm und 1000 μm, insbesondere 20 μm betragen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Substrat gebildet, auf welchem das zumindest eine Masseelement schwingbar angeordnet ist. Vorzugsweise ist das zumindest eine Masseelement mittels Aufhängungsmittel an dem Substrat aufgehangen. Insbesondere umfassen die Aufhängungsmittel Federn und/oder Verankerungen. Hierbei sind beispielsweise die Verankerungen auf dem Substrat angeordnet, und die Federn verbinden die Verankerungen mit dem zumindest einen Masseelement.
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Die Erfindung umfasst weiterhin den Gedanken, ein Verfahren zur Herstellung eines Masseelements anzugeben, wobei das Masseelement insbesondere in dem erfindungsgemäßen Drehratensensor verwendet werden kann. Hierbei wird zunächst auf einem Substrat eine Basisschicht abgeschieden. Es wird dann auf die Basisschicht eine Oxidschicht abgeschieden. Die Oxidschicht wird dann in vorbestimmten Bereichen geöffnet. Anschließend wird eine Stegschicht auf die Oxidschicht abgeschieden. Hierbei verbindet sich die Stegschicht in den geöffneten Bereichen mit der Basisschicht. Als Folge hiervon bildet sich dann ein Steg auf der Basisschicht. Auf den nicht geöffneten Bereichen der Basisschicht steht die Stegschicht auf der Oxidschicht.
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Nach einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Stegschicht strukturiert. Beispielsweise kann die Stegschicht mittels Trenchen strukturiert werden. Insbesondere wird hierbei ein Stegschichtraster gebildet. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Stegschicht von den nicht geöffneten Bereichen entfernt wird, beispielsweise mittels eines Ätzprozesses. Hierbei bewirkt die Oxidschicht einen Ätzstopp oberhalb der Basisschicht.
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In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf dem Substrat vor dem Abscheiden der Basisschicht eine Opferoxidschicht aufgebracht. insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Opferoxidschicht entfernt wird, nachdem sich der Steg gebildet hat. Beispielsweise kann die Opferoxidschicht mittels gasförmigem HF entfernt werden. Das bewirkt insbesondere, dass eine mikromechanische Struktur freigestellt wird. In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Basisschicht strukturiert wird, beispielsweise indem ein oder mehrere Perforationslöcher in der Basisschicht gebildet werden. Insbesondere kann das gasförmige HF durch die Perforationslöcher zu der Opferoxidschicht gelangen und diese wegätzen. Diese Perforationslöcher können insofern auch als HF-Ätzzugänge bezeichnet werden.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Strukturierung auch mittels einer Hard-Mask-Technik erreicht werden. Dabei wird die Basisschicht nicht direkt nach dem Abscheiden strukturiert, sondern die auf der Basisschicht abgeschiedene Oxidschicht wird als Maske verwendet und dann insbesondere nicht nur an den Stellen, wo die Stege aufwachsen sollen, sondern auch an den Stellen für die HF-Ätzzugänge geöffnet. Die weitere Prozessierung verläuft analog wie zuvor beschrieben, d. h. die HF-Ätzzugänge werden über den Trenchprozess realisiert.
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Dem Fachmann sind hierbei auch andere Opfer- und Funktionsschichten bekannt. Die beiden oben dargestellten Herstellungsverfahren sind insofern nur als beispielhaft und nicht als beschränkend anzusehen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
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1A einen Drehratensensor nach dem Stand der Technik;
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1B eine Schnittansicht des Drehratensensors aus 1A;
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2 eine perspektivische Ansicht eines Masseelements;
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3 eine Draufsicht auf ein weiteres Masseelement;
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4 eine perspektivische Darstellung eines Masseelements im Vergleich zu einer bekannten Detektionsmasse;
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5 einen Graphen, welcher Ergebnisse von analytischen Berechnungen für das in 4 gezeigte erfindungsgemäße Masseelement zeigt; und
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6 einen erfindungsgemäßen Drehratensensor.
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1A zeigt einen Drehratensensor 101 nach dem Stand der Technik. Der Drehratensensor 101 umfasst ein Substrat 102, welches in der Papierebene angeordnet ist. Das Substrat 102 weist eine Rechtecksform auf. Das Substrat 102 kann in einer nicht gezeigten Ausführungsform aber auch eine Quadratform aufweisen.
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In der Papierebene liegen ferner die x- und die y-Achse. Die z-Achse ist senkrecht zur Papierebene (vgl. eingezeichnetes Koordinatensystem). Auf dem Substrat 102 ist eine Antriebseinrichtung umfassend zwei Antriebsrahmen 103, welche mittels mehrerer Aufhängungsmittel 104 auf dem Substrat 102 trampolinartig aufgehangen sind. Vorzugsweise umfassen die Aufhängungsmittel 104 Federn und Verankerungen. Insbesondere sind die Verankerungen auf dem Substrat 102 angeordnet und die Federn verbinden dann die Verankerungen mit den Antriebsrahmen 103. Die beiden Antriebsrahmen 103 weisen eine Rechtecksform auf, wobei die beiden Antriebsrahmen 103 entlang der parallel zur y-Achse gebildeten Symmetrieachse eine Rahmenaussparung aufweisen. In den Antriebsrahmen 103 ist jeweils eine Detektionsmasse 107 angeordnet. Die Detektionsmassen 107 sind mit mehreren Koppelelementen 108 an den Innenseiten der Antriebsrahmen 103 angeordnet. Vorzugsweise umfassen die Koppelmittel 108 mehrere Federn, insbesondere U-Federn. Die Detektionsmassen 107 sind aus einem Vollmaterial gebildet, in welchem jeweils eine langgezogene rechteckige Aussparung, welche auch als ein Schlitz bezeichnet werden kann, gebildet ist.
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Durch die Rahmenaussparungen sind Aufhängungsmittel 104 geführt, welche die Detektionsmassen 107 an dem Substrat 102 aufhängen.
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Die Antriebseinrichtung umfasst ferner mehrere Kammelektroden 105, welche mit den Antriebsrahmen 103 verbunden sind. Die Kammelektroden 105 treiben die Antriebsrahmen 103 für eine gegenläufige antiparallele Antriebsbewegung entlang der y-Achse an. Aufgrund der Koppelung mittels der Koppelmittel 108 zwischen den Detektionsmassen 107 und den Antriebsrahmen 103 werden somit auch die Detektionsmassen 107 für eine antiparallele und kollineare Schwingung entlang der y-Achse angeregt.
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Ferner sind auf dem Substrat 102 mehrere Elektroden 109a bis 109f gebildet, welche jeweils unterhalb der Detektionsmassen 107 angeordnet sind (vgl. auch 1B). Die Elektroden 109a bis 109f können auch als Bodenelektroden bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die Elektroden 109a bis 109f auf dem Substrat angeordnet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Elektroden 109a bis 109f in das Substrat integriert sind. Insbesondere wenn das Substrat 102 eine leitfähige Trägerplatte ist, können die Elektroden 109a bis 109f in den Leiterbahnen integriert sein. Die Elektroden 109a bis 109f können insbesondere verschiedene Funktionen erfüllen. Neben der Drehratendetektion können diese Elektroden auch zur elektrostatischen Mitkopplung und zur Lageregelung der Sensorstruktur verwendet werden. Insbesondere können die Elektroden 109c und 109d, welche sich unterhalb des Schlitzes der Detektionsmasse 107 befinden, bei Anlegen geeigneter Gleichspannungen vertikal wirkende Kräfte auf die Sensorstruktur ausüben und damit die Quadratur des Sensorelements kompensieren. Hierbei wird beispielsweise die Elektrode 109d bei positiver Quadratur mit einer Spannung beaufschlagt, die Elektrode 109c wird bei negativer Quadratur mit einer Spannung beaufschlagt. Die Elektrode 109a kann beispielsweise für eine Drehratendetektion verwendet werden. D. h. eine Abstandsänderung zwischen der Elektrode 109a und der zugeordneten Detektionsmasse 107 wird kapazitiv erfasst. Die Elektrode 109a kann insofern auch als eine Detektionselektrode bezeichnet werden. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 109b zusätzlich oder alternativ zu der Elektrode 109a für die Drehratendetektion verwendet werden. Allgemein gesagt, kann jede Elektroden 109a bis 109f für eine Drehratendetektion verwendet werden.
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Bei Auftreten von Drehraten um die x-Achse wirkt eine Corioliskraft aus der Ebene heraus (out of plane), d. h. in Richtung der z-Achse. Daraufhin werden sich beide Detektionsmassen 107 vertikal, also in Richtung der z-Achse und damit aus der Papierebene heraus, auslenken. Aufgrund dieser vertikalen Auslenkung wird sich ein Abstand zwischen den Detektionsmassen 107 und den Elektroden 109a bis 109f ändern. Insofern ändert sich auch die entsprechende Kapazität. Diese Kapazitätsänderung kann dann mittels einer nicht gezeigten Auswerteelektronik erfasst und in eine Drehrate umgerechnet werden.
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1B zeigt eine Schnittansicht des Drehratensensors 101 entlang der in 1A gestrichelten Linie A-A. Der Übersicht halber sind in 1B nicht alle Elemente aus 1A gezeigt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Masseelements 201, welches auch als ein Detektionsmasseelement bezeichnet werden kann. Das erfindungsgemäße Masseelement 201 bzw. Detektionsmasseelement kann anstelle der Detektionsmassen 107 in der in 1A und 1B gezeigten Sensorstruktur verwendet werden. Das Masseelement 201 umfasst eine Basisschicht 203 und mehrere auf der Basisschicht 203 angeordnete Stege 205. Die Basisschicht 203 weist eine Rechtecksform mit einer Breite B und einer Länge L und einer Höhe bzw. Dicke h1 auf. Die Dicke bzw. Höhe h1 der Basisschicht 203 beträgt insbesondere mehrere Mikrometer, insbesondere zwischen 1 und 8 μm, vorzugsweise 2 μm. Die Breite B beträgt zwischen 10 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 100 μm und 600 μm. Die Länge L kann die gleichen Werte wie die Breite B aufweisen.
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Einige der mehreren Stege 205 sind parallel zur Längsseite L der Basisschicht 203 und parallel zueinander angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Masseelements 201 sind drei solcher Stege 205 gebildet. In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen können aber beispielsweise auch mehr als drei solcher Stege gebildet sein. Insbesondere kann ein Abstand zwischen den Stegen zwischen 10 μm und 110 μm, vorzugsweise zwischen 20 μm und 100 μm betragen. Die entsprechend dafür benötigte Breite B der Basisschicht 203 wird dann entsprechend angepasst. Senkrecht zu den parallel zur Längsseite L angeordneten Stegen 205 sind zwei Stege 205 angeordnet, welche parallel zur Breitseite B der Basisschicht 203 angeordnet sind, so dass sich die parallel zur Längsseite B angeordneten Stege 205 mit den parallel zur Längsseite L angeordneten Stegen 205 schneiden bzw. kreuzen, so dass eine Gitterstruktur bzw. Rasterstruktur gebildet ist. Die Stege 205 weisen eine Höhe h2 auf, welche vorzugsweise zwischen 10 μm und 60 μm, insbesondere zwischen 11 μm und 40 μm betragen kann. Weiterhin weisen die Stege 205 eine Breite bzw. Dicke B2 auf, welche mehrere Mikrometer betragen kann, vorzugsweise zwischen 1 μm und 10 μm, insbesondere 2 μm. Auch hier kann ein Abstand zwischen den parallel zur Längsseite B angeordneten Stegen 205 zwischen 20 μm und 100 μm betragen. Die entsprechend hierfür benötigte Länge L der Basisschicht 203 wird dann entsprechend angepasst. Insbesondere werden die Höhen h2, Breiten B2 und die Anzahl der Stege 205 angepasst, um das Störmodenspektrum in einem hohen Frequenzbereich zu verschieben. Hierbei bewirken die Stege 205 eine mechanische Stabilisierung des Masseelements 201. Insbesondere stellt die Basisschicht 203 eine Elektrodenfläche bereit, welche mit den ortsfest auf dem Substrat 102 angeordneten Elektroden 109a bis 109f einen Kondensator bildet. Das Masseelement 201 ist sozusagen als ein Zweischichtaufbau gebildet.
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Masseelement 301 mit einer Basisschicht 303 und darauf angeordnet in einer Gitter- bzw. Rasterstruktur Stege 305. Aufgrund der erfindungsgemäß gebildeten Gitter- bzw. Rasterstruktur sind Zellen 309 innerhalb des Rasters gebildet. In den Zellen 309 ist jeweils ein Ätzloch 311 gebildet. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils mehrere Ätzlöcher 311 in den Zellen 309 gebildet. Die Ätzlöcher 311 werden insbesondere zum Entfernen einer Opferschicht (Oxid) unterhalb der Basisschicht 303 verwendet, also zum Freistellen der mikromechanischen Struktur.
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4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Masseelements 401 (links) im Vergleich mit einer Detektionsmasse 403 bestehend aus einem Vollmaterial nach dem Stand der Technik (rechts). Hier weist das erfindungsgemäße Masseelement 401 eine Basisschicht 405 und einen darauf angeordneten Steg 407 auf. Breite B, hier 20 μm, und Länge L, hier beliebig, da keinen Einfluss auf die normierten Werte, des Masseelements 401 und der Detektionsmasse 403 sind hier zum besseren Vergleich gleich. Die Höhe h der Detektionsmasse 403 beträgt in diesem Beispiel 11 μm, d. h., dass die Detektionsmasse 403 eine homogene Schichtdicke von 11 μm aufweist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Basisschicht 405 des erfindungsgemäßen Masseelements 401 eine Höhe h1 von 2 μm auf. Die Breite B2 des Stegs 407 beträgt hier 2 μm. Die Höhe h2 bzw. Dicke des Stegs 407 wurde für die nun folgenden Berechnungen zwischen 11 μm und 40 μm variiert.
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5 zeigt nun die analytischen Berechnungen für das in 4 links dargestellte erfindungsgemäße Masseelement 401. Hierbei wurden die aus den analytischen Rechnungen resultierenden Werte für verschiedene physikalische Größen auf entsprechende Werte für die Detektionsmasse 403 mit 11 μm Schichtdicke normiert. Aufgetragen ist also der Faktor im Vergleich zu dem Standardmassenelement über die Höhe h2 des Stegs 407 in μm. Es wurden die folgenden physikalischen Größen berechnet: Die Z-Biegesteifigkeit 501, die Eigenfrequenz der Plattenmode 503, die Kapazität 505 und die Masse bzw. Federsteifigkeit 507.
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Die Kapazität 505 des erfindungsgemäßen Masseelements 401 bezüglich der unterhalb des Masseelements 401 liegenden Elektroden 109a bis 109f (siehe 1A und 1B) ist unverändert gegenüber dem Referenzfall, d. h. bezüglich des Standardmassenelements 403 und weiterhin unabhängig von der Dicke der Stege 407.
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Die Masse
507 des Masseelements
401 ist je nach Höhe h2 bzw. Dicke um etwa einen Faktor 2 bis 3 kleiner als im Referenzfall. Damit kann, um die Arbeitsfrequenz
beizubehalten, über das Federdesign eine entsprechend kleinere Federsteifigkeit gewählt werden. Daraus ergeben sich in vorteilhafter Weise höhere Werte für die Mitkoppel- und Quadraturkompensationsfähigkeit eines Drehratensensors mit dem erfindungsgemäßen Masseelement
401. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise die Ausbeute verbessert.
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Die Z-Biegesteifigkeit 501 des Masseelements 401, welches auch als ein T-Profil-Masseelement bezeichnet werden kann, wird insbesondere bei einer Höhe h2 > 16 μm größer als bei dem Referenzfall mit einer homogenen Schichtdicke von 11 μm.
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Bezieht man die Z-Biegesteifigkeit 501 auf die Masse 507 des Masseelements 401 bzw. der Referenzmasse 403, erhält man ein Maß für die Eigenfrequenzen 503 der Plattenmoden, insbesondere der Out-of-plane-Plattenmoden. Der Wert ist schon bei einer Höhe h2 von 11 μm leicht erhöht (um ca. 1,2) und wächst auf über 4 an bei Verwendung von 40 μm Dicke. Damit ist gerade bei Verwendung erhöhter Dicken bzw. Höhen der Stege 407 eine massive Verschiebung des Störmodenspektrums in einen höheren Frequenzbereich in vorteilhafter Weise ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Masseelements ist, dass aufgrund der geringeren Masse und somit reduzierten Federsteifigkeit auch der Antriebsfedern niedrigere Antriebsspannungen benötigt werden. Schon bei Verwendung von einer Dicke bzw. Höhe der Stege 407 von 11 μm wird sich eine moderate Reduktion der Antriebsspannung ergeben. Bei einer Erhöhung der Höhe der Stege verstärkt sich dieser Effekt nochmals, da die Antriebskräfte stärker mit der Dicke bzw. Höhe der Stege wachsen als die Federsteifigkeit und die Dämpfungskräfte.
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6 zeigt einen weiteren Drehratensensor 601 mit zwei erfindungsgemäßen Masseelementen 609. Der Drehratensensor 601 umfasst hier ein Substrat 602. Das Substrat 602 ist als eine Trägerplatte, insbesondere als eine leitfähige Trägerplatte gebildet. Auf dem Substrat 602 sind Elektroden 603 angeordnet. Oberhalb von zwei Elektroden 603 ist jeweils ein Masseelement 609 aufgehangen, insbesondere trampolinartig aufgehangen. Die Masseelemente 609 umfassen eine Basisschicht 611, auf welcher mehrere Stege 613 in einer Raster- bzw. Gitterstruktur gebildet sind. Weiterhin sind Antriebsrahmen 605 mittels Aufhängungsmittel 604 an das Substrat 602 gekoppelt, wobei die Antriebsrahmen 605 mittels Koppelmittel 608 mit den Masseelementen 609 gekoppelt sind. Die Aufhängungsmittel 604 umfassen insbesondere Federn und Verankerungen. Hierbei sind die Verankerungen vorzugsweise auf dem Substrat 602 gebildet und mittels der Federn wird dann eine Ankopplung und Aufhängung an das Substrat 602 erreicht.
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Auf dem Substrat angeordnete Kammelektroden 607, welche insbesondere beabstandet von den Antriebsrahmen 605 angeordnet sind, treiben die Antriebsrahmen 605 für eine gegenläufige Antriebsbewegung an, so dass aufgrund der Kopplung zwischen den Antriebsrahmen 605 und den Masseelementen 609 die Masseelemente 609 ebenfalls für eine gegenläufige kollineare und antiparallele Schwingung angetrieben werden. In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind unterhalb der Masseelemente 609 jeweils zwei Elektroden 603 gebildet. In einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können auch jeweils sechs Elektroden unterhalb der Masseelemente 609 gebildet sein. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können die Elektroden 603 auch in dem Substrat 602 integriert oder integral gebildet sein.
