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Die Erfindung betrifft einen Drehratensensor, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Drehratensensoren zur Erfassung eines aktuellen Bewegungszustandes kommen in vielfältigen technischen Gebieten zum Einsatz, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in Fahrstabilitätssystemen, oder auch bei der Navigation.
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Üblicherweise umfasst ein solcher Drehratensensor ein sogenanntes Feder-Masse-System mit einem als Referenz dienenden Substrat und einer gegenüber dem Substrat beweglich angeordneten seismischen Masse. Um eine Drehbewegung festzustellen, wird hierzu eine Reaktion der seismischen Masse auf die Drehbewegung ermittelt. So wird bei einem Drehratensensor, dessen Detektion der Drehrate auf dem Coriolis-Effekt beruht, die seismische Masse senkrecht zur Rotationsachse ausgelenkt. Durch die radiale Bewegung der seismischen Masse ändert sich im rotierenden System deren Bahngeschwindigkeit, was zu einer entsprechenden Corioliskraft auf die seismische Masse führt. Diese Corioliskraft kann als Tangentialbeschleunigung gemessen werden. Sind die Eigenschaften des Drehratensensors bekannt, also beispielsweise die mechanischen Eigenschaften des Feder-Masse-Systems, lässt sich daraus die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit und damit die Drehrate berechnen.
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Zur Messung der Corioliskraft ist zunächst eine definierte Bewegung der seismischen Masse notwendig. Hierzu wird beispielsweise mittels eines kapazitiven Antriebs eine periodische Bewegung der seismischen Masse erzeugt. Dieser kann ebenso zur Detektion der Corioliskraft verwendet werden. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 000 679 A1 bekannt geworden.
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Eine Bewegung der seismischen Masse erfolgt insgesamt also sowohl in der Ebene des Antriebs also auch auf Grund der Corioliskraft senkrecht hierzu. Dabei entstehen unerwünschte Schwingungen, die durch den Antrieb verursacht werden. Diese unerwünschten Schwingungen werden als sogenannte Quadratursignale miterfasst und verfälschen die Messergebnisse. Eine Ursache dieser unerwünschten Schwingungen sind beispielsweise Verformungen, Asymmetrien, etc. in der Struktur des Drehratensensors, verursacht durch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Drehratensensors.
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Eine Änderung der Umgebungstemperatur führt zu Verformungen der Messstruktur innerhalb des Drehratensensors. Dadurch ändert sich bzw. driftet die Messempfindlichkeit des Drehratensensors um teilweise bis zu 10%. Zur Herstellung eines Drehratensensors ist es deshalb erforderlich, diese Verformungen, beispielsweise über Temperaturkurven abzugleichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der in Anspruch 1 definierte mikromechanische Drehratensensor, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, umfasst ein Substrat, zumindest eine am Substrat federnd angeordnete seismische Masse, Antriebsmittel zum Erzeugen einer periodischen Bewegung der seismischen Masse, Kraftdetektionsmittel zum Erfassen einer auf Grund einer Rotation um eine zur Anregungsrichtung senkrechte Rotationsachse auf die seismische Masse einwirkenden Corioliskraft, sowie Messmittel, wobei die Messmittel zur Messung von strukturellen Abweichungen des Drehratensensors ausgebildet sind.
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Das in Anspruch 10 definierte Verfahren zur Bereitstellung eines Testsignals für eine Messung der Messempfindlichkeit eines Drehratensensors, insbesondere geeignet zur Ausführung mit einem Drehratensensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–9, umfasst die Schritte:
Erzeugen einer gegenphasigen Schwingung zumindest zweier seismischer Massen in einer Schwingungsebene,
Einwirken einer Corioliskraft auf die seismischen Massen,
Auslenken der seismischen Massen senkrecht zu der Schwingungsebene auf Grund der Corioliskraft,
Einwirken eines Stresses auf den Drehratensensor,
Erzeugen einer strukturellen Abweichung des Drehratensensors durch den einwirkenden Stress,
Ändern der Messempfindlichkeit des Drehratensensors auf Grund der strukturellen Abweichung, sowie
Erzeugen eines von der strukturellen Abweichung des Drehratensensors unabhängigen Testsignals zur Messung der Messempfindlichkeit des Drehratensensors,
Unter strukturellen Abweichungen sind in der Beschreibung und insbesondere in den Ansprüchen beispielsweise Verformungen und Änderungen des Drehratensensors, insbesondere des Substrats, etc. zu verstehen.
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Der erzielte Vorteil damit ist, dass damit zuverlässig strukturelle Änderungen, wie beispielsweise eine Verformung des Substrats des Drehratensensors, erkannt werden. Anhand der von den Messmitteln erfassten strukturellen Abweichung kann beispielsweise durch die Messmittel selbst oder durch weitere geeignete Kompensationsmittel ein entsprechendes Testsignal erzeugt werden, was im Wesentlichen unabhängig von struktureller Abweichung, beispielsweise der Verformung des Substrats ist. Dieses Testsignal kann dann über bereits vorhandene Schaltungen, etc. ausgewertet werden und beim späteren Betrieb des Drehratensensors als Referenz für die Messung der Messempfindlichkeit verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Messmittel an der seismischen Masse und/oder am Substrat angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass auf einfache Weise eine strukturelle Änderung oder Abweichung durch die Messmittel detektiert werden kann. Sind die Messmittel sowohl an der seismischen Masse als auch am Substrat angeordnet, können diese sowohl eine strukturelle Abweichung der seismischen Masse als auch des Substrats detektieren als auch eine mögliche Kompensation beider strukturellen Abweichungen, beispielsweise eine gleichzeitige Verformung von seismischer Masse und Substrat.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Messmittel zumindest eine Elektrodenstruktur, die zumindest zwei zusammenwirkende Elektroden aufweist. Mittels der Elektrodenstruktur ist eine einfache und kostengünstige Ausbildung der Messmittel möglich und ebenso eine zuverlässige Messung von strukturellen Abweichungen des Drehratensensors.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine der zusammenwirkenden Elektroden als Substratelektrode und zumindest eine der Elektroden als Masseelektrode ausgebildet ist. Der erzielte Vorteil hierbei ist, dass damit auf direkte Weise beispielsweise eine relative strukturelle Änderung zwischen Substrat und seismischer Masse gemessen werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Elektrodenstruktur zumindest zwei, insbesondere symmetrisch zueinander, angeordnete Masseelektroden. Durch die symmetrische Anordnung der Masseelektroden und im Zusammenwirken mit zumindest einer Substratelektrode kann eine zuverlässigere Detektion von strukturellen Abweichungen des Drehratensensors erfolgen, da durch Mittelwertbildung von Kapazitäten zwischen der jeweiligen Masseelektrode mit der Substratelektrode Abweichungen und/oder Driften einer Kapazität verringert werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Masseelektroden und die Substratelektrode symmetrisch zueinander zumindest in einer Ruhelage angeordnet sind. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit im Ruhezustand oder Nulldurchgang oder allgemein bei einer bestimmten Auslenkung, vorzugsweise einer Maximalauslenkung, bei einer Schwingung der seismischen Masse, die Masseelektroden und die Substratelektrode jeweils gegenüberliegend angeordnet sind. Im Falle der symmetrischen Anordnung im Ruhezustand tritt dann bei einer entsprechenden Schwingung der seismischen Masse tritt bei dem Nulldurchgang ein Kraftpuls in dieselbe Richtung wie die Schwingungsrichtung auf, sodass ein Signal der Elektrodenstruktur mit einer doppelten Antriebsfrequenz der Antriebsmittel entsteht, welches dann als Referenzsignal für die Messempfindlichkeit des Drehratensensors dient.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Masseelektrode in einer Ausnehmung der seismischen Masse angeordnet und die Substratelektrode ist zumindest teilweise in die Ausnehmung eingreifbar ausgebildet. Auf diese Weise ist ein Zusammenwirken Substrat- und Masseelektroden auf einfache und zuverlässige Weise möglich.
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Gemäß einer weitren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Vielzahl von Elektrodenstrukturen im Wesentlichen in einer Erstreckung senkrecht zu einer Richtung der periodischen Bewegung der seismischen Masse angeordnet. Durch die Vielzahl von Elektrodenstrukturen wird eine noch zuverlässigere Messung von strukturellen Abweichungen des Drehratensensors ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kraftdetektionsmittel als Messmittel zur Messung von strukturellen Abweichungen des Drehratensensors ausgebildet. Damit sind auf einfache und kostengünstige Weise sowohl die Detektion der Corioliskraft als auch die Bereitstellung eines Signals für strukturelle Abweichungen des Drehratensensors möglich. Dies kann beispielsweise durch geeignetes taktgesteuertes Ansteuern der jeweiligen Substrat- und Masseelektroden erfolgen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt
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1 einen schematischen, prinzipiellen Aufbau eines herkömmlichen Drehratensensors in einer Seitenansicht;
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2 einen schematischen, prinzipiellen Aufbau eines herkömmlichen Drehratensensors gemäß 1 mit Stresseintrag;
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3 eine Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht;
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4 eine Elektrodenstruktur gemäß 3 in einer Aufsicht bei Durchgang durch eine Ruhelage und in einer ausgelenkten Lage;
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5 ein Drehratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ruhelage in einer Aufsicht; sowie
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6 ein Drehratensensor gemäß einer dritten und einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht und
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7 Schritte eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen, dieselben bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt einen schematischen, prinzipiellen Aufbau eines herkömmlichen Drehratensensors in einer Seitenansicht.
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In 1 bezeichnen Bezugszeichen M1, M2 zwei seismische Massen eines Drehratensensors, die jeweils mittels einer Feder F1, F2 an einem Substrat S federnd festgelegt sind. Die Federn F1, F2 sind weiter jeweils mit Antriebsmitteln A verbunden, die zur Erzeugung einer periodischen Schwingung der seismischen Massen M1, M2 in jeweils entgegen gesetzte, horizontale Richtungen R1, R2 dienen. Die seismischen Massen M1, M2 schwingen dabei links und rechts in der Blattebene in die genannten Richtungen R1, R2. An der Unterseite der seismischen Massen M1, M2 sind Masseelektroden B1', B2' angeordnet, die mit jeweiligen Substratelektroden B1, B2, die am Substrat S angeordnet sind, zur Messung der Corioliskraft auf die seismischen Massen M1, M2 zusammenwirken. Aus einer Kapazitätsänderung von Kapazitäten C1, C2 zwischen den jeweiligen Substratelektroden B1, B2 und jeweiligen Masseelektroden B1', B2' kann dann eine Drehrate ermittelt werden.
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Erfolgt eine Drehung, beispielsweise im Uhrzeigersinn D um eine Achse Z, welche senkrecht in die Zeichenebene hinein verläuft, erfährt die seismische Masse M2 auf der rechten Seite eine Beschleunigung in Richtung R4 nach oben in der Zeichenebene der 1. Ein Abstand d0, zwischen der Substratelektrode B2 und der Masseelektrode B2', der einem Ruhezustand ohne eine Drehung entspricht, vergrößert sich, wohingegen sich dementsprechend der Abstand d0 zwischen der Substratelektrode B1 und der Masseelektrode B1' verkleinert, da diese eine Bewegung in Richtung R3 ausführt, die entgegengesetzt zur Richtung R4 gerichtet ist.
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Durch die Abstandsänderung zwischen den Substrat- bzw. Masseelektroden B1, B1', B2, B2', ändern sich auch die entsprechenden Kapazitäten C1, C2 zwischen den – bzw. Masseelektroden B1, B1', B2, B2'. Diese Kapazitätsänderungen werden gemessen und im Wesentlichen anhand dieser die Drehrate bestimmt.
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2 zeigt einen schematischen, prinzipiellen Aufbau eines herkömmlichen Drehratensensors gemäß 1 mit Stresseintrag.
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Im Unterschied zur 1 erfährt der Drehratensensor in 2 einen Stresseintrag. Hierdurch werden die am Substrat S festgelegten Substratelektroden B1, B2 verformt. Dadurch ändert sich der Abstand d1, d2 zwischen den jeweiligen Masse- und Substratelektroden B1, B1', B2, B2' parallel zu den jeweiligen Antriebsrichtungen R1, R2. Dies beeinträchtigt die Messempfindlichkeit des Drehratensensors.
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3 zeigt eine Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht.
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In 3 ist eine Substratelektrode E gezeigt, die als vertikal angeordnete Fingerelektrode ausgebildet ist. Links und rechts von der Substratelektrode E ist eine seismische Masse M1 angeordnet. Diese ist im Wesentlichen rechteckförmig dargestellt und weist auf ihren der ebenfalls rechteckförmig dargestellten Substratelektrode E jeweils Masseelektroden Ea', Eb' auf. Im Ruhezustand liegen die Oberkante der Substratelektrode E und die Oberkanten der Masseelektroden Ea', Eb' auf im Wesentlichen gleicher Höhe. Dabei ist die Substratelektrode E jedoch in ihrer vertikalen Erstreckung länger ausgebildet als die Masseelektroden Ea', Eb' und es kommt auf Grund von Randfeldern nach Anlegen einer gewissen Spannung an die Susbtrat- bzw. Masseelektroden E, Ea', Eb' an den Unterkanten der Masseelektroden Ea', Eb' zu einer Randkraft gemäß 3 nach unten auf die Masseelektroden Ea', Eb'. Auf Grund dieser Randkraft wird die Masse M1 entsprechend aus ihrer Lage verschoben. Dies verursacht Kapazitätsänderungen zwischen den Substrat- und Masseelektroden B1, B1', B2, B2', welche zur Messung der Corioliskraft dienen (siehe 1) Diese zusätzliche Kapazitätsänderungen erzeugen ein zusätzliches Signal, auch als Testsignal bezeichnet, welches über den gleichen Signalpfad wie die zu messenden Drehgeschwindigkeiten mittels des Drehratensensors ausgewertet werden kann Da die Randkraft unabhängig von etwaigen Substratverformungen ist, ermöglicht eine Größe des am Ende des Signalpfades ausgegebenen Testsignals eine Ermittlung der Messempfindlichkeit des Drehratensensors
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Durch das Anlegen von Spannung an die Susbtratelektrode E und den Masseelektroden Ea', Eb' bilden sich Kapazitäten C3, C4 aus. Diese Änderung dieser Kapazitäten C3, C4 kann zusätzlich gemessen werden, um die Zuverlässigkeit des Drehratensensors sowie die Messung der Messempfindlichkeit zu erhöhen: Werden veränderte Kapazitäten C3, C4 bei unveränderter Spannung gemessen, deutet dies auf eine Änderung der Randkraft und damit auf Verformungen des Substrats S und/oder der seismischen Masse M1 hin.
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4 zeigt eine Elektrodenstruktur gemäß 3 in einer Aufsicht bei Durchgang durch eine Ruhelage und in einer ausgelenkten Lage.
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In 4 ist auf der linken Seite der Durchgang der seismischen Masse M1 durch eine Ruhelage gezeigt, wenn diese gemäß 4 in senkrechter Richtung R1, R2 ausgelenkt wird. Die Masseelektroden Ea', Eb' sowie die Substratelektrode E sind dabei im Wesentlichen auf einer gemeinsamen, gemäß 4 horizontal verlaufenden Linie L angeordnet.
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In 4 auf der rechten Seite ist im Wesentlichen die Anordnung von Substratelektrode E und Masseelektroden Ea', Eb' gezeigt, wobei die seismische Masse M1 zusammen mit den Masseelektroden Ea', Eb' nach oben ausgelenkt ist. Die Kapazitäten C3', C4' im ausgelenkten Zustand der seismischen Masse M1 und die Kapazitäten C3, C4 im Ruhezustand bzw. beim Durchgang durch die Nulllage sind unterschiedlich und kompensieren, sofern eine Überlapplänge der Substratelektrode E mit der jeweiligen Masseelektrode Ea', Eb' gemessen in Richtung R1 bzw. R2 kleiner als die Amplitude der seismischen Masse durch den Antrieb A ist, die Randkraft auf Grund der vorstehend beschriebenen Randfelder. In der Folge führt ein Nulldurchgang der seismischen Masse M1 zu einem Kraftpuls auf die seismische Masse, der im Wesentlichen proportional zu einer Kapazitätsänderung zwischen den Kapazitäten C3, C3' bzw. C4, C4' ist und zum Quadrat der angelegten Spannung ist. Mittels des mit dem Kraftpuls erzeugten Signals wird dann die Messempfindlichkeit des Drehratensensors ermittelt.
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5 zeigt einen Drehratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ruhelage in einer Aufsicht.
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In 5 sind zwei seismische Massen M1, M2 mittels Federn F1, F2 an einem Substrat (nicht gezeigt) festgelegt. Die seismischen Masse M1, M2 schwingen dabei in der Zeichenebene in vertikaler Richtung R1, R2 gegenphasig, um eine Drehung D um die in der Zeichenebene horizontal angeordnete Achse Z zu detektieren. Die seismischen Massen M1, M2 weisen im Bereich, der der jeweils anderen seismischen Masse M1, M2 benachbart ist, senkrecht zur Auslenkungsrichtung jeweils vier rechteckförmige Aussparungen 10 auf, in denen auf der jeweils linken und rechten Seite zwei Masseelektroden Ea', Eb' angeordnet sind. Zwischen diese erstreckt sich – wie in der 3 dargestellt jeweils eine Substratelektrode E und bildet wie in den vorstehenden Figuren beschrieben jeweils zwei Kapazitäten aus. Bei diesem Drehratensensor tritt bei jedem Nulldurchgang der Schwingung der seismischen Massen M1, M2 der vorstehend beschriebene Kraftpuls in dieselbe Richtung auf, sodass ein Signal zur Messung der Messempfindlichkeit des Drehratensensors mit der doppelten Frequenz f der Schwingung des Antriebs bereitgestellt wird. Dabei ist es möglich, durch Steuerung der Schwingungen der seismischen Massen M1, M2 in einem zeitlich getakteten Betrieb der Spannungsversorgung der Elektroden E, Ea', Eb' nur bei einem der beiden Nulldurchgänge (einmal in Richtung R1, einmal in Richtung R2) einen Kraftpuls zu erhalten.
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6 zeigte einen Drehratensensor gemäß einer dritten und einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht.
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Der Aufbau der in 6 links und rechts gezeigten Drehratensensoren unterscheiden sich von dem Aufbau des Drehratensensors der 5 lediglich in der Ausbildung der Elektrodenstruktur der Masse- und Substratelektroden E, Ea', Eb' sowie in der Anzahl der Elektrodenstrukturen (fünf anstatt vier bei jeder seismischen Masse M1, M2). In 6 auf der linken Seite ist die Ruhelage der zwei seismischen Massen M1, M2 gezeigt. Dabei sind die Masseelektroden Ea', Eb' jeweils derart angeordnet, sodass diese bei einer maximalen Auslenkung der jeweiligen seismischen Masse M1, M2, einen maximalen Überlapp mit den Substratelektrode E aufweisen. Dabei weist jeweils nur eine seismische Masse M1, M2 mit zugehörigen Masseelektroden Ea', Eb' in ihrer maximalen Auslenkung in einer Richtung einen Überlapp auf. Die Masseelektroden Ea', Eb' der seismischen Massen M1, M2 sind deshalb derart angeordnet, dass die Masseelektroden der gemäß 6, linke Seite, oberen angeordneten seismischen Masse M2 mit Blickrichtung senkrecht von Drehachse weg hinter der jeweils zugehörigen Substratelektrode E angeordnet sind, wohingegen bei Blickrichtung von der Drehachse Z zu der unteren seismischen Masse M1, die Masseelektrode Ea', Eb' vor der Substratelektrode E angeordnet ist. Damit würde mittels des Kraftpulses ein Signal erzeugt, welches in Phase mit einem 1f-Quadratursignal ist.
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in 6 auf der rechten Seite ist wiederum die Ruhelage der zwei seismischen Massen M1, M2 gezeigt. In der rechteckförmigen Aussparung 10 sind nun vier Masseelektroden Ea', Eb', Ec', Ed' gezeigt, die symmetrisch innerhalb der rechteckförmigen Aussparung angeordnet sind: Auf der linken Seite und rechten Seite der Aussparung 10 sind jeweils zwei der vier Masseelektroden Ea', Eb', Ec', Ed' angeordnet. Die Substratelektrode E ragt dabei zwischen die vier Masseelektroden Ea', Eb', Ec', Ed' hinein. Mit Blickrichtung von der Drehachse Z in Richtung der jeweiligen seismischen Massen M1, M2 sind zwei Masseelektroden Ea', Eb', die Substratelektrode E und schließlich die weiteren zwei Masseelektroden Ec', Ed' angeordnet. Auf diese Weise wird jeweils an beiden maximalen Auslenkungen der seismischen Massen M1, M2 eine Überlappung und damit ein Kraftpuls erzeugt, sodass insgesamt ein 2f-Quadratursignal erzeugt wird.
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In 7 sind Schritte eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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In 7 bezeichnet Bezugszeichen 100 den Schritt Erzeugen einer gegenphasigen Schwingung zumindest zweier seismischer Massen M1, M2 in einer Schwingungsebene, Bezugszeichen 101 den Schritt Einwirken einer Corioliskraft auf die seismischen Massen M1, M2, Bezugszeichen 102 den Schritt Auslenken der seismischen Massen senkrecht zu der Schwingungsebene auf Grund der Corioliskraft, Bezugszeichen 103 den Schritt Einwirken eines Stresses auf den Drehratensensor, Bezugszeichen 104 den Schritt Erzeugen einer strukturellen. Abweichung des Drehratensensors durch den einwirkenden Stress, Bezugszeichen 105 den Schritt Ändern der Messempfindlichkeit des Drehratensensors auf Grund der strukturellen Abweichung- und Bezugszeichen 106 den Schritt Erzeugen eines von der strukturellen Abweichung des Drehratensensors unabhängigen Testsignals zur Messung der Messempfindlichkeit des Drehratensensors anhand der gemessenen strukturellen Abweichung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000679 A1 [0004]
