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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 mit mehreren sensitiven Achsen sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind bei herkömmlichen Drehratensensoren mit drei sensitiven Achsen jeweils drei separate Sensorstrukturen mit jeweils einer sensitiven Achse auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Auf Grund der Anordnung der Sensorstrukturen entlang einer zur Substrathaupterstreckungsebene senkrechten Projektionsrichtung nebeneinander, weisen solche Drehratensensoren eine vergleichsweise große Bauform auf, wodurch ein erhöhter Flächenbedarf entsteht. Der Verringerung des Bauraumes der Drehratensensoren sind insbesondere dadurch Grenzen gesetzt, dass sich bei einer Verkleinerung der Sensorstrukturen bestimmte Anforderungen an die Antriebsfrequenzen, die Sensorempfindlichkeiten und/oder Fertigungstoleranzen nicht oder nur unter hohem Aufwand eingehalten werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Drehratensensor mit drei sensitiven Achsen und einer sehr kompakten Bauform bereitgestellt wird. Ein Drehratensensor mit drei sensitiven Achsen wird hier auch als dreikanaliger oder dreiachsiger Drehratensensor bezeichnet. Gleichzeitig ist der Drehratensensor derart konfiguriert, dass die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse zu gekoppelten Antriebsschwingungen bzw. Antriebsmoden antreibbar sind und durch die zweite Sensorstruktur die zweite Drehrate und die dritte Drehrate um unterschiedliche Drehachsen mittels derselben Schwingmasse detektierbar sind. Insbesondere weist die erste oder zweite Sensorstruktur ein Umlenkmittel auf, wodurch die Antriebsbewegung der Antriebstruktur entlang einer Antriebsrichtung in die Antriebsschwingung der ersten oder zweiten Schwingmasse entlang der ersten bzw. zweiten Schwingungsrichtung übersetzt wird. Hierbei ist insbesondere die Schwingungsrichtung senkrecht zur Antriebsrichtung angeordnet. Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit drei sensitiven Achsen basiert auf dem Coriolisprinzip und kann beispielsweise im Automobil- und/oder Konsumelektronikbereich eingesetzt werden, wobei auf Grund der geringen Baugröße und einfachen Bauform ein vergleichsweise kostengünstiger Drehratensensor bereitgestellt wird, welcher vergleichsweise vielseitig einsetzbar ist. Weiterhin kann durch die kompakte gekoppelte Bauweise im Vergleich zu drei Einzelsensoren eine einfachere Auswerteschaltung im Drehratensensor angeordnet werden. Durch den erfindungsgemäßen Drehratensensor ist es insbesondere vorteilhaft möglich, mittels einer gemeinsamen Antriebsbewegung der Antriebsstruktur einen Antrieb der Schwingmassen zur Detektion jeweils einer Drehrate um jede Drehachse bereitzustellen. Mit den herkömmlichen Drehratensensoren mit lediglich einer einfachen Linearbewegung lassen sich beispielsweise nur Drehbewegungen um zwei Achsen detektieren. Insbesondere wird hier eine spezielle Form der Kopplung zwischen Antriebsstruktur und Schwingmassen bereitgestellt, wobei ein die erste Schwingmasse und/oder die zweite Schwingmasse umgebendes Umlenkelement bzw. Umlenkrahmen angeordnet wird, welcher eine Antriebsbewegung der Antriebsstruktur in die erste Antriebsschwingung entlang der ersten Schwingungsrichtung und/oder in die zweite Antriebsschwingung entlang der zweiten Schwingungsrichtung übersetzt. Insbesondere ist die Antriebsstruktur ein Antriebsrahmen und/oder ein, insbesondere stegförmiger, Antriebsbalken. Die erste Schwingmasse umfasst insbesondere zwei gegenphasig zueinander antreibbare erste Teilschwingmassen, welche zur Detektion einer Drehrate um die erste Drehachse konfiguriert sind. Besonders bevorzugt umfasst die zweite Schwingmasse eine zweite Teilschwingmasse und eine weitere zweite Teilschwingmasse, welche gegenphasig antreibbar sind, wobei jede der beiden zweiten Teilschwingmassen, insbesondere gleichzeitig, eine zweite Drehrate um die zweite Drehachse und eine dritte Drehrate um die dritte Drehachse detektieren.
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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 die erste Schwingmasse über ein erstes Umlenkelement mit der Antriebsstruktur gekoppelt ist und/oder die zweite Schwingmasse über ein zweites Umlenkelement mit der Antriebsstruktur gekoppelt ist, wobei das erste Umlenkelement und/oder das zweite Umlenkelement insbesondere derart konfiguriert sind/ist, dass die erste Schwingungsrichtung senkrecht zur zweiten Schwingungsrichtung angeordnet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Umlenkelement ein die erste Schwingmasse umgebender erster Rahmen ist, mit welchem die erste Schwingmasse gekoppelt ist, und/oder wobei das zweite Umlenkelement ein die zweite Schwingmasse umgebender zweiter Rahmen ist, mit welchem die zweite Schwingmasse gekoppelt ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, einen kompakten dreiachsigen Drehratensensor bereitzustellten, wobei sämtliche Schwingmassen der Sensorstrukturen mittels derselben Antriebsstruktur angetrieben werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Rahmen und/oder der zweite Rahmen vier Winkelelemente umfasst, von denen jedes der Winkelelemente mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist und mit dem ersten Schenkel und mit dem zweiten Schenkel jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement der vier Winkelelemente gekoppelt ist. Durch die Bereitstellung mehrerer Winkelelemente ist es vorteilhaft möglich, eine Antriebsbewegung der Antriebsstruktur entlang der zweiten Richtung präzise in eine Schwingungsbewegung der ersten und/oder zweiten Schwingmasse in eine andere Richtung, insbesondere entlang der ersten Schwingungsrichtung, umzulenken, ungewünschte Bewegungsformen (sogenannte Störmoden), insbesondere eine gleichphasige Bewegung der Teilschwingmassen, zu unterdrücken und gleichzeitig einen Drehratensensor mit kompakter Bauform und drei sensitiven Achsen bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor ein Substrat mit einer Haupterstreckungsebene aufweist, wobei die Antriebsstruktur parallel zur Haupterstreckungsebene, insbesondere linear, bewegbar angeordnet ist, wobei die erste Schwingungsrichtung und die zweite Schwingungsrichtung parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet sind, wobei die erste Schwingmasse und die zweite Schwingmasse senkrecht zur Haupterstreckungsebene auslenkbar angeordnet sind und wobei die zweite Schwingmasse parallel zur Haupterstreckungsebene auslenkbar angeordnet ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine erste Sensorstruktur zur Detektion einer Drehrate um die erste Drehachse und die zweite Sensorstruktur zur Detektion sowohl der zweiten Drehrate um die zweite Drehachse als auch zur Detektion der dritten Drehrate um die dritte Drehachse auf einem gemeinsamen Substrat in Projektionsrichtung nebeneinander anzuordnen und die beiden Schwingmassen mittels derselben Antriebsstruktur zu den Antriebsschwingungen anzutreiben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Schwingmasse eine erste Teilschwingmasse und eine mit der ersten Teilschwingmasse gekoppelte weitere erste Teilschwingmasse aufweist und/oder die zweite Schwingmasse eine zweite Teilschwingmasse und eine mit der zweiten Teilschwingmasse gekoppelte weitere zweite Teilschwingmasse aufweist, wobei die erste Teilschwingmasse und die weitere erste Teilschwingmasse zu einer gegenphasigen ersten Antriebsschwingung antreibbar sind, wobei die zweite Teilschwingmasse und die weitere zweite Teilschwingmasse zu einer gegenphasigen zweiten Antriebsschwingung antreibbar sind. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein gutes Einhalten einer gegenphasigen zweiten Antriebsschwingung der zweiten Teilschwingmasse und der weiteren zweiten Teilschwingmasse auch bei einer vergleichsweise einfach ausgebildeten Antriebsstruktur zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Sensorstruktur eine erste Elektrodenanordnung aufweist, wobei die zweite Sensorstruktur eine zweite Elektrodenanordnung und eine dritte Elektrodenanordnung aufweist, wobei die erste Elektrodenanordnung zur Detektion einer Auslenkung der ersten Schwingmasse senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats konfiguriert ist und die zweite Elektrodenanordnung zur Detektion einer Auslenkung der zweiten Schwingmasse senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats konfiguriert ist, wobei die dritte Elektrodenanordnung zur Detektion einer Auslenkung der zweiten Schwingmasse parallel zur Haupterstreckungsebene konfiguriert ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, mehrere Elektrodenanordnungen in einem vergleichsweise geringen Sensorvolumen unterzubringen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Elektrodenanordnung eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats erstreckende erste Elektrodenfläche aufweist und/oder die zweite Elektrodenanordnung eine sich parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats erstreckende zweite Elektrodenfläche aufweist und/oder die dritte Elektrodenanordnung eine Mehrzahl von stegförmigen Teilelektroden aufweist, wobei insbesondere die Mehrzahl von Teilelektroden der dritten Elektrodenanordnung in einer Ausnehmung der zweiten Schwingmasse angeordnet sind. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, flächig erstreckte Elektroden in einer Leiterbahnebene, welche beispielsweise polykristallines Silizium umfasst, des Substrats anzuordnen und dadurch weiteren Bauraum einzusparen. Weiterhin wird die Kompaktheit des Drehratensensors noch weiter verbessert, indem die dritte Elektrodenanordnung in der Ausnehmung der Schwingmasse angeordnet wird. Die Elektrodenflächen bilden insbesondere mit den senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung darüber angeordneten Schwingmassen Kondensatorflächen aus und können daher Bewegungen senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats detektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt die erste Schwingmasse über ein erstes Umlenkelement mit der Antriebsstruktur gekoppelt wird und/oder die zweite Schwingmasse über ein zweites Umlenkelement mit der Antriebsstruktur gekoppelt wird, wobei insbesondere das erste Umlenkelement als ein die erste Schwingmasse umgebender erster Rahmen ausgebildet wird und/oder das zweite Umlenkelement als ein die zweite Schwingmasse umgebender zweiter Rahmen ausgebildet wird, wobei insbesondere die erste Schwingmasse an den ersten Rahmen und/oder die zweite Schwingmasse an den zweiten Rahmen gekoppelt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, einen kompakten Drehratensensor bereitzustellen, welcher zwei mittels derselben Antriebsstruktur antreibbare Schwingmassen und eine Sensitivität bezüglich drei verschiedener Drehachsen aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem dritten Herstellungsschritt, vier Winkelelemente von denen jedes der Winkelelemente mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist, zu dem ersten Rahmen und/oder zu dem zweiten Rahmen aneinandergekoppelt werden, wobei jedes der Winkelelemente mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement der vier Winkelelemente gekoppelt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine gegenphasige Antriebsschwingung zweier Teilschwingmassen der Schwingmassen anzutreiben und eine gleichphasige Schwingungsbewegung der Teilschwingmassen zu unterdrücken.
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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 bis 8 einen Drehratensensor gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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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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In 1 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier ist der Drehratensensor 1 zur Detektion einer Drehrate einer Rotationsbewegung um eine erste Drehachse 201, um eine zweite Drehachse 202 und/oder um eine dritte Drehachse 203 konfiguriert. Hier sind die erste Drehachse 201 und die zweite Drehachse 202 orthogonal zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 eines Substrats des Drehratensensors 1. Der Drehratensensor 1 weist ferner eine erste Sensorstruktur 10 mit einer ersten Schwingmasse 11, 11’ und eine zweite Sensorstruktur 20 mit einer zweiten Schwingmasse 21, 21’ auf.
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Hier umfasst die erste Schwingmasse 11, 11‘ der ersten Sensorstruktur 10 eine erste Teilschwingmasse 11 und eine weitere erste Teilschwingmasse 11‘, welche über ein erstes Koppelelement 12 miteinander gekoppelt sind. Hier ist das erste Koppelelement 12 als ein Torsionselement und/oder eine Wippenstruktur ausgebildet. Insbesondere ist das Koppelelement um eine zur ersten Drehachse 201 parallele erste Torsionsachse (nicht dargestellt) derart verschwenkbar auf dem Substrat angeordnet, dass die erste Teilschwingmasse 11 und die weitere erste Teilschwingmasse 11‘ zu einer gegenphasigen ersten Antriebsschwingung antreibbar sind und zugleich eine gleichphasige Schwingungsbewegung der Teilschwingmassen 11, 11‘ unterdrückt wird. Hier ist die Schwingmasse 11, 11‘ entlang einer ersten Schwingungsrichtung 101‘ parallel zu einer als X-Richtung 101 bezeichneten ersten Richtung 101 zu der ersten Antriebsschwingung auslenkbar auf dem Substrat angeordnet, wobei sich die erste Schwingungsrichtung 101‘ parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats erstreckt.
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Zur Erzeugung der ersten Antriebsschwingung ist die erste Schwingmasse 11, 11‘ mit einer Antriebsstruktur 30 und insbesondere mit einer weiteren Antriebsstruktur 30‘ gekoppelt. Die Antriebsstruktur 30 und/oder die weitere Antriebsstruktur 30‘ sind parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats, insbesondere parallel zur ersten Detektionsachse 201 und/oder senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung 101‘ und/oder parallel zu einer als Y-Richtung 102 bezeichneten zweiten Richtung 102 bewegbar angeordnet. Hier wird die Antriebsstruktur 30 gegenphasig zur weiteren Antriebsstruktur 30‘ bewegt, was in 1 durch die antiparallelen Pfeile 301 und 301‘ dargestellt ist. Die Bewegung der Antriebsstrukturen 30, 30‘ parallel zur Y-Richtung 102 wird hier auch Antriebsbewegung genannt.
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Zur Übersetzung der Antriebsbewegung der Antriebstrukturen 30, 30‘ parallel zur Y-Richtung 102 in die erste Antriebsschwingung parallel zur X-Richtung 101 weist die erste Sensorstruktur 10 ein Umlenkmittel 40, insbesondere einen die Schwingmasse 11, 11‘ – d.h. die erste Teilschwingmasse 11 und die weitere erste Teilschwingmasse 11‘ – umgebenden Rahmen 40 auf. Hier umfasst der Rahmen 40 vier Winkelelemente 41, 42, 43, 44, von denen jedes Winkelelement jeweils um eine Schwenkachse verschwenkbar auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Schwenkachsen jeweils parallel zu einer als Z-Richtung 103 bezeichneten dritten Richtung 103 angeordnet sind, wobei sich die Z-Richtung 103 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckt. Insbesondere sind die vier Schwenkachsen in einem Eckbereich der flächig ausgebildeten Teilschwingmassen angeordnet, wobei der Rahmen 40 in einer Ruhelage insbesondere rechteckig ausgebildet ist. Jedes Winkelelement der vier Winkelelemente 41, 42, 43, 44 ist insbesondere gleichartig ausgebildet, wobei die Winkelelemente 41, 42, 43, 44 insbesondere lediglich hinsichtlich ihrer Orientierung auf dem Substrat unterschiedlich angeordnet sind. Jedes Winkelelement 41, 42, 43, 44 weist insbesondere einen ersten Schenkel 41‘ und einen zweiten Schenkel 41‘‘ auf, wobei insbesondere die Schwenkachsen der Winkelelemente 41, 42, 43, 44 jeweils in einem Eckbereich der beiden Schenkel 41‘, 41‘‘ angeordnet sind, in welchem die beiden Schenkel 41‘, 41‘‘ miteinander verbunden sind. Insbesondere ist der erste Schenkel 41‘ vorzugsweise senkrecht zum zweiten Schenkel 41‘‘ angeordnet. Das Umlenkelement 40 ist hier sowohl mit der Antriebsstruktur 30 und/oder der weiteren Antriebsstruktur 30‘ als auch mit der Schwingmasse 11, 11‘ derart gekoppelt, dass eine gegenphasige Antriebsbewegung (siehe Pfeile 301, 301‘) der Antriebsstruktur 30 und der weiteren Antriebsstruktur 30‘, welche parallel zur Y-Richtung 102 verläuft, in die erste Antriebsschwingung (siehe Pfeil 101‘) übersetzt wird, welche parallel zur X-Richtung 101 verläuft, die senkrecht zur Y-Richtung 102 angeordnet ist. Hier sind die X-Richtung 101 und die Y-Richtung 102 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats angeordnet. Ferner ist insbesondere die erste Schwingmasse 11, 11‘ parallel zur Z-Richtung 103 auslenkbar. Das bedeutet, dass durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die erste Drehachse 201 eine durch eine erste Corioliskraft hervorgerufene gegenphasige erste Abweichbewegung der ersten Teilschwingmasse 11 und/oder weiteren ersten Teilschwingmasse 11‘ parallel zur Z-Richtung 103 bewirkt wird.
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Der Drehratensensor 1 weist ferner die zweite Sensorstruktur 20 auf, welche eine zweite Schwingmasse 21, 21‘ aufweist, wobei die zweite Schwingmasse 21, 21‘ eine zweite Teilschwingmasse 21 und eine weitere zweite Teilschwingmasse 21‘ umfasst, wobei die beiden zweiten Teilschwingmassen 21, 21‘ gegenphasig zueinander entlang einer zur Y-Richtung 102 parallelen zweiten Antriebsrichtung 102‘ zu einer zweiten Antriebsschwingung antreibbar sind. Hier ist die Antriebsstruktur 30 und/oder die weitere Antriebsstruktur 30‘ sowohl mit der ersten Schwingmasse 11, 11’ der ersten Sensorstruktur 10 als auch mit der zweiten Schwingmasse 21, 21’ der zweiten Sensorstruktur 20 gekoppelt. Hier ist die zweite Schwingmasse 21, 21’ zu einer zweiten Antriebsschwingung entlang einer von der ersten Schwingungsrichtung 101‘ verschiedenen zweiten Schwingungsrichtung 102‘ antreibbar, wobei die zweite Schwingungsrichtung 102‘ insbesondere senkrecht zur ersten Schwingungsrichtung 101‘ angeordnet ist. Insbesondere sind die erste Schwingungsrichtung 101‘ und die zweite Schwingungsrichtung 102‘ parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats angeordnet. Hier ist die zweite Teilschwingmasse 21 mit der weiteren zweiten Teilschwingmasse 21‘ über ein zweites Koppelelement 22 gekoppelt. Insbesondere ist das zweite Koppelelement 22 relativ zum Substrat um eine zur Z-Richtung 103 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats verlaufende Koppelschwenkachse 203 und gleichzeitig um eine zur X-Richtung 101 und zweiten Drehachse 202 parallel verlaufende Torsionsachse verschwenkbar angeordnet. Hier verläuft die Koppelschwenkachse 203 entlang der dritten Drehachse 203. Ferner ist insbesondere die zweite Schwingmasse 21, 21‘ sowohl parallel zur Z-Richtung 103 auslenkbar als auch parallel zur X-Richtung auslenkbar. Das bedeutet, dass durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die zweite Drehachse 202 eine durch eine zweite Corioliskraft hervorgerufene gegenphasige zweite Abweichbewegung der zweiten Teilschwingmasse 21 und/oder weiteren zweiten Teilschwingmasse 21‘ parallel zur Z-Richtung 103 bewirkt wird und durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die dritte Drehachse 203 eine durch eine dritte Corioliskraft hervorgerufene gegenphasige weitere zweite Abweichbewegung der beiden Teilschwingmassen 21, 21‘ parallel zur X-Richtung 101 bewirkt wird.
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In 2 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen der in 1 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform des Drehratensensors 1 entspricht. Hier weist der Drehratensensor 1 ein auf dem Substrat angeordnetes Antriebselement 31 zur Erzeugung der Antriebsbewegung der Antriebsstruktur 30 und/oder ein weiteres Antriebselement 31‘ zur Erzeugung der Antriebsbewegung der weiteren Antriebsstruktur 30‘ auf. Insbesondere sind die Antriebselemente 31, 31‘ als Kammstrukturen ausgebildet. Ferner weist der Drehratensensor 1 eine erste Elektrodenanordnung 13, 13‘ und eine zweite Elektrodenanordnung 23, 23‘ auf, wobei insbesondere die erste Elektrodenanordnung 13, 13‘ zur Detektion einer ersten Kapazitätsänderung in Zusammenhang mit der auf die erste Schwingmasse 11, 11‘ parallel zur Z-Richtung wirkenden ersten Corioliskraft konfiguriert ist und/oder wobei insbesondere die zweite Elektrodenanordnung 23, 23‘ zur Detektion einer zweiten Kapazitätsänderung in Zusammenhang mit der auf die zweite Schwingmasse 21, 21‘ parallel zur Z-Richtung wirkenden zweiten Corioliskraft konfiguriert ist. Ferner weist der Drehratensensor 1 eine dritte Elektrodenanordnung 24, 24‘ auf, welche zur Detektion einer dritten Kapazitätsänderung in Zusammenhang mit der auf die zweite Schwingmasse 21, 21‘ parallel zur X-Richtung 101 wirkenden dritten Corioliskraft konfiguriert ist. Insbesondere sind jeder Teilschwingmasse 11, 11‘, 21, 21‘ der Schwingmassen 11, 11‘, 21, 21‘ jeweils eindeutig eine separate Teilelektrodenanordnung 13, 13‘, 21, 21‘, 24, 24‘ zugeordnet, wie in 2 dargestellt.
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In 3 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist der Drehratensensor 1 während einer gegenphasigen Antriebsbewegung der Antriebsstrukturen 30, 30‘ dargestellt, was durch die antiparallelen Pfeile 302‘, 302‘‘ dargestellt ist. Die Antriebsstruktur 30 ist hier über eine Antriebsfeder 32 mit dem Substrat gekoppelt und relativ zum Substrat bewegbar angeordnet. Durch die Ankopplung der Antriebsstruktur 30 an einen ersten Ankoppelpunkt 45 des Umlenkelements 40 wird eine Bewegung der Antriebsstruktur 30 in Richtung des Pfeiles 302‘ in eine Schwenkbewegung der beiden Winkelelemente 41, 42 übersetzt, sodass die dem Ankoppelpunkt 45 gegenüberliegenden Enden der Schenkel der Winkelelemente 41, 42 eine antiparallele Bewegung in die durch die antiparallelen Pfeile 101‘, 101‘‘ dargestellten Richtungen ausführen. Hierdurch wird eine gegenphasige erste Antriebsmode der beiden ersten Teilschwingmassen 11, 11‘ parallel zur X-Richtung 101 angeregt. Die Winkelelemente 43, 44 sind bezüglich der zweiten Drehachse 202 spiegelsymmetrisch angeordnet und mit der weiteren Antriebsstruktur 30‘ über einen weiteren Ankoppelpunkt 45‘ gekoppelt. Die zweite Schwingmasse 21, 21‘ der zweiten Sensorstruktur 20 wird durch die gegenphasige Antriebsbewegung (siehe Pfeile 302‘, 302‘‘) zu der gegenphasigen zweiten Antriebsmode (siehe antiparallele Pfeile 102‘, 102‘‘) angetrieben. Hierbei sind die beiden zweiten Teilschwingmassen 21, 21‘ über Koppelfedern 22‘ mit dem zweiten Koppelelement 22 gekoppelt.
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In 4 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist die zweite Abweichbewegung der beiden zweiten Teilschwingmassen 21, 21‘ auf Grund der zweiten Corioliskraft hervorgerufen durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die zweite Drehachse 202 dargestellt. Durch die gegenphasige zweite Antriebsschwingung der zweiten Schwingmasse 21, 21‘ – hier dargestellt durch die antiparallelen Pfeile 102‘, 102‘‘ – wird bei einer Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die zweite Drehachse 202 die zweite Teilschwingmasse 21 parallel zur Z-Richtung 102 ausgelenkt (siehe Pfeil 202‘) und die weitere zweite Teilschwingmasse 21‘ in eine entgegengesetzte Richtung (siehe Pfeil 202‘‘) ausgelenkt.
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In 5 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist die erste Abweichbewegung der beiden ersten Teilschwingmassen 11, 11‘ auf Grund der ersten Corioliskraft hervorgerufen durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die erste Drehachse 201 dargestellt. Durch die gegenphasige erste Antriebsschwingung der ersten Schwingmasse 11, 11‘ – hier dargestellt durch die antiparallelen Pfeile 101‘, 101‘‘ – wird bei einer Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die erste Drehachse 201 die erste Teilschwingmasse 11 parallel zur Z-Richtung 102 ausgelenkt (siehe Pfeil 201‘) und die weitere erste Teilschwingmasse 11‘ in eine entgegengesetzte Richtung (siehe Pfeil 201‘‘) ausgelenkt.
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In 6 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist die weitere zweite Abweichbewegung der beiden zweiten Teilschwingmassen 21, 21‘ auf Grund der dritten Corioliskraft hervorgerufen durch eine Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die dritte Drehachse 203 dargestellt. Durch die gegenphasige zweite Antriebsschwingung der zweiten Schwingmasse 21, 21‘ – hier dargestellt durch die antiparallelen Pfeile 102‘, 102‘‘ – wird bei einer Rotationsbewegung des Drehratensensors 1 um die dritte Drehachse 203 die zweite Teilschwingmasse 21 parallel zur X-Geraden 101 ausgelenkt (siehe Pfeil 203‘) und die weitere zweite Teilschwingmasse 21‘ in eine entgegengesetzte Richtung (siehe Pfeil 203‘‘) ausgelenkt. Während der weiteren zweiten Abweichbewegung wird das zweite Koppelelement 22 um die dritte Drehachse 203 verschwenkt.
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In 7 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist die zweite Sensorstruktur 20 zwischen der ersten Teilschwingmasse 11 und der weiteren ersten Teilschwingmasse 11‘ der ersten Sensorstruktur 10 angeordnet.
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Beispielsweise können bei bezüglich einer oder mehrerer Achsen asymmetrisch ausgebildeten Drehratensensoren fertigungsbedingte Schwankungen in den Strukturbreiten von Federn und Massenstegen zu einer Änderung der Schwingformen bzw. Antriebsmoden und/oder Detektionsmoden führen. Beispielsweise kann aus einer planparallelen Antriebsbewegung der Antriebsstruktur bzw. Antriebsrahmenelemente bei nichtnominalen Strukturbreiten eine leichte Schiefschwingung der Antriebsrahmelemente resultieren, bei der beispielsweise der eine Seite eines Antriebsrahmenelements eine erste Schwingungsamplitude aufweist, welche größer oder kleiner ist als eine Schwingungsamplitude eines anderen, insbesondere an einer gegenüberliegenden Seite angeordneten, Antriebsrahmenelements ist. Somit kann beispielsweise eine Amplitude der ersten Antriebsschwingung der ersten Schwingmasse von einer Amplitude der zweiten Antriebsschwingung der zweiten Schwingmasse abweichen und zu Unterschieden in der Signalempfindlichkeit oder zu Störsignalen, beispielsweise auch unter dem Begriff Quadratur bekannt, führen.
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Die in 7 dargestellte Ausführungsform weist hingegen eine erhöhte Symmetrie gegenüber den bereits beschriebenen Ausführungsformen auf. Hier sind die erste Teilschwingmasse 11 und die weitere erste Teilschwingmasse 11‘ der ersten Sensorstruktur 10 räumlich getrennt von der zentral angeordneten zweiten Sensorstruktur 20 angeordnet. Wie in den bereits beschriebenen Ausführungsformen wird die erste Antriebsschwingung – d.h. eine erste Teilantriebsschwingung der ersten Teilschwingmasse 11 und eine weitere erste Teilantriebsschwingung der weiteren ersten Teilschwingmasse 11‘ – durch die Antriebsstruktur 30 und/oder weitere Antriebsstruktur 30‘ angetrieben, wobei die Übersetzung der Antriebsbewegung entlang der Y-Richtung 102 über den Umlenkrahmen 40 – welcher entsprechend angeordnete Teilrahmen umfasst – in die erste Antriebsschwingung parallel zur X-Richtung 101 erfolgt. Bedingt durch die räumliche Trennung der beiden Teilschwingmassen fehlt hier im Unterschied zu den in 1 bis 6 beschriebenen Ausführungsformen allerdings die direkte Federkopplung mittels des ersten Koppelelements 12 (siehe 1). Somit können durch fertigungsbedingte Streuungen die Resonanzfrequenzen der Normalmoden der beiden ersten Teilschwingmassen 11, 11‘ leicht voneinander differieren und Signale mit unterschiedlicher Empfindlichkeit bereitgestellt werden.
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In 8 ist ein Drehratensensor 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche im Wesentlichen den bereits beschriebenen Ausführungsformen des Drehratensensors 1 entspricht. Hier ist die zweite Sensorstruktur 20 gleich ausgebildet wie die erste Sensorstruktur 10, wobei die erste Sensorstruktur zur Detektion der ersten Drehrate um die erste Drehachse 201, die zweite Sensorstruktur zur Detektion der zweiten Drehrate um die zweite Drehachse 202, die zweite Sensorstruktur zur Detektion der dritten Drehrate um die dritte Drehachse und zusätzlich die erste Sensorstruktur zur Detektion einer vierten Drehrate um eine vierte Drehachse 204 konfiguriert ist. Hier ist die vierte Drehachse 204 parallel zur dritten Drehachse 203 angeordnet, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 angeordnet. Ferner weist die erste Sensorstruktur den ersten Rahmen 40 und die zweite Sensorstruktur 20 einen zweiten Rahmen 50 auf, wobei der erste Rahmen 40 und der zweite Rahmen 50 gleich ausgebildet sind, wobei sich lediglich die Anordnung und/oder Ankopplung der Schwingungsmassen 11, 11‘ bzw. 21, 21‘ relativ zu dem ersten Rahmen 40 bzw. zweiten Rahmen 50 unterscheiden.
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Hier wird die Antriebsbewegung der Antriebsstruktur 30 und/oder weiteren Antriebsstruktur 30‘ parallel zur Y-Richtung 102 ohne Umlenkung in die zweite Antriebsschwingung der zweiten Schwingmasse 21, 21‘ eingekoppelt. Die Antriebsbewegung der Antriebsstruktur 30 und/oder weiteren Antriebsstruktur wird durch den Umlenkrahmen 40 in die erste Antriebsschwingung der ersten Schwingmasse entlang der ersten Schwingungsrichtung 101‘ parallel zur X-Richtung übersetzt. Die von den Sensorstrukturen in Zusammenhang mit der jeweiligen detektierten Drehrate parallel zur Z-Richtung stehenden Detektionssignale werden hier bereits in einem Chip des Drehratensensors 1 derart verschaltet, dass wie für die Drehratensignale, die in Zusammenhang mit der ersten Drehrate um die erste Drehachse 201 und die zweite Drehrate um die zweite Drehachse 202 stehen, auch hier nur zwei Drehratensignale an eine elektrische Auswertschaltung des Drehratensensors bereitgestellt werden.
