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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 03/058 167 A1 ein Drehratensensor mit einem Substrat und einem Coriolis-Element bekannt, wobei das Coriolis-Element zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse anregbar ist, wobei eine Auslenkung des Coriolis-Elements aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse vorgesehen ist und wobei der Drehratensensor kraftvermittelnde Mittel zwischen dem Substrat und dem Coriolis-Element in Form von Kompensationsstrukturen aufweist, welche zur Kompensation der Quadratur vorgesehen sind. Derartige zu kompensierende Quadraturkräfte resultieren aus fertigungsbedingten Imperfektionen im Sensoraufbau und führen zu einer Modulation der Coriolis-Detektionssignale mit der Antriebsfrequenz und somit zu ungewünschten Signalen im Detektionszweig. Das Coriolis-Element umfasst eine seismische Masse, welche eine Mehrzahl von Ausschnitten aufweist. Die Kompensationsstrukturen umfassen erste und zweite Elektroden, welche fest mit dem Substrat verbunden sind und senkrecht zur Oberfläche des Substrats jeweils in einen Ausschnitt des Rahmens hineinragen. Der Innenumfang des Ausschnitts ist asymmetrisch ausgebildet, so dass durch eine entsprechende Beschaltung der ersten oder der zweiten Elektroden eine erste oder zweite Kompensationskraft des Rahmens relativ zum Substrat in die eine Richtung parallel oder in die andere Richtung antiparallel zur Detektionsrichtung erzeugt wird, wobei die Kraft proportional zur Auslenkung der Antriebsschwingung zunimmt. Zur Erzeugung der jeweiligen Kompensationskraft wird daher jeweils nur eine der ersten und zweiten Elektroden beschaltet, während die andere der ersten und zweiten Elektroden nicht oder nur schwach beschaltet wird. Durch diese jeweiligen Kompensationskräfte kann eine durch die Antriebsbewegung bewirkte ungewollte Querkraft auf den Rahmen parallel zur Detektionsrichtung, im Folgenden als Quadraturkraft bezeichnet, kompensiert werden (Quadraturkompensation).
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Weiterhin wird zum vollresonanten Betrieb des Drehratensensors, d. h. dass die Detektionsfrequenz gleich der Antriebsfrequenz ist, über zusätzliche Elektroden eine sogenannte Mitkoppelspannung angelegt, welche die Frequenz der Detektionsmode so verringert, dass sie mit der Frequenz der Antriebsmode übereinstimmt. Dadurch wird die durch eine Coriolis-Kraft bewirkte Auslenkung in Detektionsrichtung erheblich größer als wenn die Frequenzen nicht übereinstimmen. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird dadurch verbessert.
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Verfahren gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch die Nachteile auf, dass durch Verwendung mehrer Elektroden ein vergleichsweise großer MEMS-Chip erforderlich ist und dadurch vergleichsweise hohe Kosten bei der Herstellung entstehen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitzustellen bzw. einen Drehratensensor bereitzustellen, wobei lediglich ein vergleichsweise kleiner MEMS-Chip erforderlich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors und der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ungewünschte Signale im Detektionszweig aufgrund von Quadraturkräften unterdrückt werden können und zugleich nur ein vergleichsweise kleiner MEMS-Chip erforderlich ist, wodurch die Herstellungskosten gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesenkt werden können.
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Das Substrat ist bevorzugt ein Halbleitersubstrat und besonders bevorzugt aus einem Siliziummaterial gefertigt. Die Anregung der Schwingung der Coriolis-Elemente erfolgt bevorzugt mittels elektrostatischer Kammantriebe an den Antriebselementen. Ein Nachweis der der Coriolis-Kraft erfolgt bevorzugt dadurch, dass das Coriolis-Element und/oder ein Detektionselement bewegliche Elektroden aufweist, die gegenüber feststehenden Elektroden angeordnet sind.
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Bevorzugt wird das Corioliselement in einer zweiten Achse angetrieben (Antriebsachse, Antriebsrichtung, Antriebsbewegung). Durch eine aufgrund einer Drehrate um eine erste Achse erzeugte Corioliskraft wird das Corioliselement in einer dritten Achse ausgelenkt (Detektionsachse, Detektionsrichtung). Besonders bevorzugt sind die erste Achse und die zweite Achse parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats angeordnet, wobei die erste Achse senkrecht zur zweiten Achse angeordnet ist. Die dritte Achse ist bevorzugt senkrecht zur Haupterstreckungsebene angeordnet. Die Auslenkung des Corioliselements in Detektionsrichtung erfolgt mittels einer Detektionsschwingung mit einer Detektionsfrequenz. Diese Detektionsfrequenz entspricht der Eigenfrequenz des Corioliselements parallel zur Detektionsachse.
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Die Quadraturkompensationsstruktur im Sinne dieser Erfindung bewirkt, dass eine durch die Antriebsbewegung bewirkte ungewollte Querkraft auf das Corioliselement parallel zur Detektionsrichtung, im Folgenden als Quadraturkraft bezeichnet, kompensiert wird (Quadraturkompensation). Erfindungsgemäß wird diese Quadraturkompensationsstruktur nicht nur zur Quadraturkompensation sondern auch zur Anpassung der Detektionsfrequenz verwendet. Anpassung der Detektionsfrequenz im Sinne dieser Erfindung heißt, dass die Eigenfrequenz und/oder die Resonanzfrequenz der Detektionsmode angepasst wird. Dieses geschieht durch Veränderung der Eigenfrequenz des Corioliselements in Detektionsrichtung. Durch diese Anpassung der Detektionsfrequenz (die sogenannte Mitkopplung) wird die Detektionsempfindlichkeit bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis des Drehratensensors erheblich verbessert.
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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 mindestens eine Detektionsfrequenzanpassspannung an die Quadraturkompensationsstruktur angelegt wird. Durch das Anlegen der Detektionsfrequenzanpassspannung ist es vorteilhaft möglich, dass die Quadraturkompensationsstruktur sowohl zur Unterdrückung von ungewünschten Signalen im Detektionszweig aufgrund von Quadraturkräften verwendet werden kann als auch zur Mitkopplung verwendet werden kann, sodass nur ein vergleichsweise kleiner MEMS-Chip erforderlich ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationsstruktur eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei an die erste Elektrode eine erste Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt wird, wobei an die zweite Elektrode eine zweite Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt wird. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass bereits vorhandene Elektroden, die zur Quadraturkompensation verwendet werden, zusätzlich zur Mitkopplung der Detektionsfrequenz verwendbar sind.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Höhe der ersten Detektionsfrequenzanpassspannung gleich der Höhe der zweiten Detektionsfrequenzanpassspannung ist. Durch diese Einstellung der Höhe der Detektionsfrequenzanpassspannung ist es vorteilhaft möglich, eine vergleichsweise exakte Mitkopplung der Detektionsfrequenz zu erreichen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Quadraturkompensationsspannung an die Quadraturkompensationsstruktur angelegt wird, wobei die Quadraturkompensationsspannung in Abhängigkeit der Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt wird. Durch das Einstellen der Quadraturkompensationsspannung in Abhängigkeit der Detektionsfrequenzanpassspannung ist es vorteilhaft möglich, dass nach der Mitkopplung der Detektionsfrequenz eine Quadraturkompensation stattfindet, sodass Effekte der Mitkopplung wieder ausgeglichen werden können.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Corioliselement mit einer Antriebsfrequenz angetrieben wird, wobei die Detektionsfrequenz derart an die Antriebsfrequenz angepasst wird, dass die Detektionsfrequenz im Wesentlichen der Antriebsfrequenz entspricht. Durch das Angleichen der Detektionsfrequenz an die Antriebsfrequenz (sog. voll resonanter Betrieb oder Mode-matching) ist es vorteilhaft möglich, dass ein vergleichsweise günstiges das Signal-Rausch-Verhältnis im Detektionssignal erreichbar ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Drehratensensor, wobei der Drehratensensor mindestens ein Corioliselement aufweist, wobei das Corioliselement antreibbar ist, wobei das Corioliselement durch eine Corioliskraft zu einer Detektionsschwingung mit einer Detektionsfrequenz antreibbar ist, wobei der Drehratensensor mindestens eine Quadraturkompensationsstruktur aufweist, und wobei die Quadraturkompensationsstruktur zur Detektionsfrequenzanpassung konfiguriert ist. Der erfindungsgemäße Drehratensensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ungewünschte Signale im Detektionszweig aufgrund von Quadraturkräften unterdrückt werden können und zugleich nur ein vergleichsweise kleiner MEMS-Chip erforderlich ist, wodurch die Herstellungskosten gegenüber dem Stand der Technik erheblich gesenkt werden können.
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Bevorzugt weist der Drehratensensor ein eine Haupterstreckungsebene aufweisendes Substrat auf. Besonders bevorzugt ist das Corioliselement parallel zur Haupterstreckungsebene antreibbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationsstruktur bezüglich einer ersten Position des Corioliselements einen ersten Überdeckungsbereich aufweist, wobei die Quadraturkompensationsstruktur bezüglich einer zweiten Position des Corioliselements einen zweiten Überdeckungsbereich aufweist, wobei die Fläche des ersten Überdeckungsbereichs gleich groß ist wie die Fläche des zweiten Überdeckungsbereichs. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass zu jedem Zeitpunkt eine gleichmäßige Kraftverteilung auf das Corioliselement möglich ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Corioliselement einen schlitzförmigen und/oder stufenförmigen Bereich aufweist. Der stufenförmige Bereich bzw. die Stufe kann entweder als unterschiedliche Dicke der Schicht ausgeführt sein (Stufe entlang Z-Richtung) oder als Ein- oder Ausbuchtung einer umrandenden Linie (Stufe in X-Y-Ebene) oder beides. Bevorzugt definiert der Schlitz bzw. die Ränder des Schlitzes oder der Stufe den Überdeckungsbereich der Quadraturkompensationsstruktur, sodass es zusätzlich zu den bisher genannten Vorteilen der Erfindung weiter vorteilhaft möglich ist, die Masse des Corioliselements zu verringern.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Quadraturkompensationsstruktur eine erste Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei der schlitzförmige und/oder stufenförmige Bereicheine zweite Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei die erste Haupterstreckungsrichtung parallel zur zweiten Haupterstreckungsrichtung angeordnet ist. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass sich der Schlitz über den gesamten Überdeckungsbereich erstreckt, sodass eine optimale Kräfteverteilung auf das Corioliselement erreichbar ist.
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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 einen Drehratensensor gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Schnittdarstellung des Drehratensensors aus 1,
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3a einen Ausschnitt eines Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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3b eine Schnittdarstellung des Drehratensensors aus 3a,
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4a einen Ausschnitt eines Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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4b eine Schnittdarstellung des Drehratensensors aus 4a,
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Ausführungsform(en) 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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1 zeigt einen Drehratensensor 19 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Drehratensensor 19 ist als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet und auf einem nicht dargestellten Substrat mit einer Haupterstreckungsebene 100 angeordnet. Der Drehratensensor 19 weist ein erstes Corioliselement 1 und ein zweites Corioliselement 2 auf. Das erste Corioliselement 1 ist über eine Verbindungsfeder 3 mit einer Substratanbindung 5 gekoppelt. Die Verbindungsfeder 3 ist in Y-Richtung welch und in X-Richtung steif ausgebildet. Das erste Corioliselement 1 ist über einen Balken 15, der in X- und Y-Richtung steifer als in Z-Richtung ist, und eine Koppelfeder 4 mit dem zweiten Corioliselement 2 verbunden, wobei die Koppelfeder 4 in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif ausgebildet ist. Eine Antriebsstruktur 9 wird über Kammelektroden 8 angetrieben. Die Antriebsstruktur 9 ist über eine Verbindungsfeder 6 mit einer Substratanbindung 7 gekoppelt, wobei die Verbindungsfeder 6 in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif ausgebildet ist. Die Antriebsstruktur 9 ist über den Balken 14, der in X- und Y-Richtung steifer als in Z-Richtung ist, mit dem ersten Corioliselement 1 gekoppelt. Der Drehratensensor 19 weist erste Elektroden 11, zweite Elektroden 12 und Messelektroden 13 auf, die unter dem ersten Corioliselement 1 angeordnet sind und in 1 nur durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Das erste Corioliselement 1 weist weiterhin einen Schlitz 16 auf. Zum Betrieb des Drehratensensors 19 wird eine zeitlich variierende Spannung zwischen die Kammelektroden 8 und nicht dargestellten am Substrat verankerten Gegenelektroden angelegt. Dadurch wird die Antriebsstruktur 9 zu Schwingungen parallel zur Y-Achse angeregt, wobei diese Schwingungen über den steifen Balken 14 auf das erste Corioliselement 1 übertragen wird. Im Betrieb bewegen sich die Corioliselemente 1, 2 gegenphasig zueinander parallel zur Y-Achse. Beim Auftreten einer Drehrate um die X-Achse wirkt auf die Corioliselemente 1, 2 eine Corioliskraft, die die Corioliselemente 1, 2 parallel zur Z-Achse (Detektionsrichtung) gegenphasig zueinander auslenkt. Diese Auslenkungen werden durch die Messelektroden 13 detektiert, wobei die Corioliselemente 1, 2 zu Detektionsschwingungen mit der Antriebsfrequenz in Detektionsrichtung angeregt werden. Die auftretenden störenden Quadraturkräfte werden durch das Anlegen von Quadraturkompensationsspannungen an die erste Elektrode 11 und an die zweite Elektrode 12 kompensiert. Zugleich wird erfindungsgemäß durch das Anlegen von Detektionsfrequenzanpassspannungen an die erste Elektrode 11 und an die zweite Elektrode 12 die Detektionsfrequenz, d. h. die Eigenfrequenz der Corioliselemente 1, 2 parallel zur Detektionsrichtung Z, an die Antriebsfrequenz angepasst, wobei bevorzugt die Detektionsfrequenz gleich der Antriebsfrequenz ist. Durch das Anlegen der Detektionsfrequenzanpassspannungen an die erste Elektrode 11 und an die zweite Elektrode 12 werden Kräfte auf die Corioliselemente 1, 2 in Detektionsrichtung Z erzeugt, wodurch die Corioliselemente 1, 2 in Detektionsrichtung Z weicher bezüglich einer Biegung in Detektionsrichtung Z werden.
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2 zeigt eine Ansicht aus der Richtung A auf einen Schnitt entlang der Linie B-B durch den Drehratensensor aus 1. 2 zeigt das erste Corioliselement 1 mit dem Schlitz 16. Weiterhin zeigt 2 die erste Elektrode 11 mit einem konstanten Überdeckungsbereich 111 und einem zeitlich variablen Überdeckungsbereich 112. Weiterhin zeigt 2 die zweite Elektrode 12 mit einem konstanten Überdeckungsbereich 121 und einem zeitlich variablen Überdeckungsbereich 122. Nach Anlegen der Detektionsfrequenzanpassspannungen an die erste Elektrode 11 und an die zweite Elektrode 12 bewirkt die erste Elektrode 11 eine erste Kraft 21 auf das erste Corioliselement 1 in Detektionsrichtung Z und die zweite Elektrode 12 bewirkt eine zweite Kraft 22 in Detektionsrichtung Z auf das erste Corioliselement 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 11, 12 derart unter dem Schlitz 16 im Corioliselement 1 angeordnet, dass in einer ersten Position des Corioliselements 1 die Elektroden 11, 12 einen ersten Überdeckungsbereich 200 durch das Corioliselement 1 aufweisen, wobei in einer zweiten Position des Corioliselements 1 die Elektroden 11, 12 einen zweiten Überdeckungsbereich 200' aufweisen, wobei die Fläche des ersten Überdeckungsbereichs 200 gleich groß ist wie die Fläche des zweiten Überdeckungsbereichs 200'. Bevorzugt wird an die Elektroden 11, 12 sowohl eine Quadraturkompensationsspannung als auch eine Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt. Falls keine Quadraturkompensation erfolgen soll, entspricht die an die erste Elektrode 11 angelegte erste Detektionsfrequenzanpassspannung der an die zweite Elektrode 12 angelegte zweite Detektionsfrequenzanpassspannung. Im Folgenden wird zwischen einer positiven Quadratur und einer negativen Quadratur bzw. einem positiven Quadratursignal und einem negativen Quadratursignal unterschieden. Bei Bewegung z. B. des ersten Corioliselements 1 in die negative Antriebsrichtung Y und einer positiven äußeren Drehrate um die zweite Achse X wirkt die Corioliskraft in die positive Detektionsrichtung Z. Ein positives Quadratursignal resultiert bei Bewegung des Corioliselements 1 in die negative Antriebsrichtung Y aus einer Kraft in dieselbe Richtung (positive Detektionsrichtung +Z), ein negatives Quadratursignal resultiert bei Bewegung des Corioliselements 1 in die negative Antriebsrichtung Y aus einer Kraft in die entgegengesetzte Richtung (negative Detektionsrichtung –Z).
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Falls z. B. eine positive Quadratur kompensiert werden soll und eine Mitkopplung erzeugt werden soll, so wird an die zweite Elektrode 12 die zweite Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt. An die erste Elektrode 11 wird die erste Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt, wobei die erste Detektionsfrequenzanpassspannung der zweiten Detektionsfrequenzanpassspannung entspricht, und zusätzlich die Quadraturkompensationsspannung. Falls eine negative Quadratur ausgeglichen werden soll, so wird an die zweite Elektrode 12 die zweite Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt und zusätzlich die Quadraturkompensationsspannung. An die erste Elektrode 11 wird die erste Detektionsfrequenzanpassspannung angelegt, wobei die erste Detektionsfrequenzanpassspannung der zweiten Detektionsfrequenzanpassspannung entspricht.
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3a zeigt einen Auschnitt eines Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform. Unter dem ersten Corioliselement 1 sind (gestrichelt dargestellt) die Elektroden 11, 12, 13, 13' auf dem Substrat angeordnet. 3b zeigt eine Ansicht auf den Schnitt entlang der Linie A-B. Das erste Corioliselement 1 weist eine Kerbe bzw. eine Stufe auf, die den Elektroden 11, 12, 13, 13' zugewandt ist.
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4a zeigt einen Auschnitt eines Drehratensensors gemäß einer weiteren Ausführungsform. Unter dem ersten Corioliselement 1 sind (gestrichelt dargestellt) die Elektroden 11, 12 auf dem Substrat angeordnet. 4b zeigt eine Ansicht auf den Schnitt entlang der Linie A-B. Das erste Coroliselement 1 weist mindestens eine Ausbuchtung auf, die über den Elektroden 11, 12 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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