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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen einer Drehbewegung, insbesondere basierend auf einem drehbewegungsabhängigen Temperaturgradienten.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen zum Erfassen von Drehbewegungen werden auch als Drehratensensoren bezeichnet und werden in vielfältiger Weise eingesetzt. Insbesondere mikromechanische Drehratensensoren, d.h. Drehratensensoren welche stark miniaturisiert sind, werden beispielsweise in Mobiltelefonen, Tablets, tragbaren Messgeräten und ähnlichen Geräten eingesetzt.
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In der
DE 100 11 830 A1 ist ein auf der Corioliskraft basierender Drehratensensor beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung vorgesehen, welche eine Kristallstruktur aufweist. Die Kristallstruktur kann z.B. streifenförmig mit einer ersten Außenfläche und einer zweiten Außenfläche ausgebildet sein, welche voneinander beabstandet und zueinander parallel angeordnet sind.
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Die Kristallstruktur weist einen Kristall auf. Vorzugsweise besteht die Kristallstruktur aus einem Kristall. Die erste und die zweite Außenfläche können insbesondere zueinander parallel angeordnet sein. Insbesondere kann die Kristallstruktur als ein flacher Quader ausgebildet sein. Eine Dicke der Kristallstruktur kann kleiner ausgebildet sein als eine Breite der Kristallstruktur, welche wiederum kleiner ausgebildet sein kann als eine Länge der Kristallstruktur, insbesondere wenn die Kristallstruktur als Quader ausgebildet ist. Die erste und die zweite Außenfläche der Kristallstruktur sind insbesondere durch eine Breite und eine Dicke der Kristallstruktur aufgespannt.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Temperaturregeleinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, an einem Temperaturregelbereich der Kristallstruktur Wärme an die Kristallstruktur abzugeben oder der Kristallstruktur zu entnehmen. Die Temperaturregeleinrichtung kann insbesondere eine Heizeinrichtung oder eine Kühleinrichtung sein. In diesem Fall ist der Temperaturregelbereich als Heizbereich bzw. als Kühlbereich bezeichenbar. Der Temperaturregelbereich kann insbesondere die erste Außenfläche oder ein Teil der ersten Außenfläche sein. Die Vorrichtung weist außerdem eine erste Messeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, an einem ersten Messbereich der Kristallstruktur einen ersten elektrischen Widerstandswert zu erfassen, sowie eine zweite Messeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, an einem zweiten Messbereich der Kristallstruktur einen zweiten elektrischen Widerstandswert zu erfassen, wobei der erste Messbereich von dem zweiten Messbereich beabstandet ist, bevorzugt bezüglich einer Richtung, welche tangential zu einer Drehachse der zu erfassenden Drehbewegung ist, insbesondere durch eine Breite der Kristallstruktur. Der erste und/oder der zweite Messbereich sind von dem Temperaturregelbereich beabstandet. Insbesondere sind der erste und/oder der zweite Messbereich zwischen 25% und 75% eines Wegs von der der ersten Außenfläche zu der zweiten Außenfläche der Kristallstruktur angeordnet, bevorzugt zwischen 40% und 60%, besonders bevorzugt bei der Hälfte.
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Außerdem weist die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, basierend auf dem erfassten ersten elektrischen Widerstandswert und dem erfassten zweiten elektrischen Widerstandswert eine Drehbewegung der Kristallstruktur zu erfassen und darauf basierend ein Ausgabesignal zu erzeugen. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert zu berechnen und darauf basierend das Ausgabesignal zu erzeugen.
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Insbesondere kann bei einer quaderförmigen Kristallstruktur die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, eine Drehbewegung um eine Drehachse zu erfasst werden, welche parallel zu der Dicke der Kristallstruktur angeordnet ist.
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Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer Drehbewegung mit den Schritten: Bereitstellen einer Kristallstruktur; Abgeben von Wärme an einen Temperaturregelbereich der Kristallstruktur oder Entnehmen von Wärme an einem Temperaturregelbereich der Kristallstruktur; Erfassen eines ersten elektrischen Widerstandswerts an einem ersten Messbereich der Kristallstruktur; Erfassen eines zweiten elektrischen Widerstandswerts an einem zweiten Messbereich der Kristallstruktur, wobei der erste Messbereich und der zweite Messbereich voneinander sowie von dem Messbereich beabstandet ist, insbesondere durch eine Breite der Kristallstruktur; Erfassen einer Drehbewegung der Kristallstruktur basierend auf dem erfassten ersten elektrischen Widerstandswert und dem erfassten zweiten elektrischen Widerstandswert; und Erzeugen eines Ausgabesignals basierend auf der erfassten Drehbewegung der Kristallstruktur. Insbesondere erfolgt das Erzeugen des Ausgabesignals auf einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandswert. Das Verfahren ist vorteilhaft modifizierbar wie im Vorangehenden und im Nachfolgenden in Bezug auf die Vorrichtung beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass sich Wärmeleitungseigenschaften einer sich drehenden Kristallstruktur drehbewegungsabhängig verändern.
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Erfindungsgemäß wird ein Temperaturgradient in der Kristallstruktur erzeugt, z.B. von der – geheizten, d.h. warmen (oder gekühlten, d.h. kalten) – ersten Außenfläche, an welcher die Temperaturregeleinrichtung angeordnet ist, hin zu der – ungeheizten, d.h. kalten (oder ungekühlten, d.h. warmen) – zweiten Außenfläche, welche von der ersten Außenfläche beabstandet ist. Ein Teil des Wärmetransports findet über ein Kristallgitter der Kristallstruktur statt. Der Temperaturgradient über die Kristallstruktur erzeugt Gitterschwingungen. Ist die Kristallstruktur unbewegt, so orientiert sich die Schwingungsamplitude der Gitterschwingungen entlang des Temperaturgradienten. Diese Situation ist in 5 beispielhaft dargestellt. 5 zeigt einen exemplarischen Kristall 1 mit Atomen 2, welche Gitterschwingungen 3 ausführen, welche parallel zu einer Kristallachse 5 des Kristalls 2 erfolgen.
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Eine Rotation mit einer Drehachse orthogonal zu einem Temperaturgradienten bewirkt eine Corioliskraft auf die schwingenden Atome 2. Damit ergibt sich eine neue Richtung für veränderte Gitterschwingungen 4 überlagert aus den beiden Effekten des Temperaturgradienten und der Corioliskraft (als ein Maß für die Drehrate), wie in 6 schematisch dargestellt. Damit wird Wärme nicht mehr gleichförmig über den Kristall 1 transportiert und es kommt zu einer Verkippung von Äquipotentiallinien der Temperatur bezüglich der der Kristallachse 5, insbesondere, vorteilhaft, bezüglich einer Längsrichtung der erfindungsgemäßen Kristallstruktur. Der Winkel der Verkippung der Äquipotentiallinien ist somit ein Maß für eine Rotation bzw. eine Drehbewegung der Kristallstruktur. Vorzugsweise ist der Temperaturgradient in der erfindungsgemäßen Vorrichtung daher senkrecht zu der Drehachse der zu erfassenden Drehbewegung angeordnet.
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Mit anderen Worten können Auswirkungen der Corioliskraft auf durch den Temperaturgradienten angeregte Phononen in der Kristallstruktur beobachtet werden. Phononen sind Quasiteilchen, welche Gitterschwingungen in Kristallen beschreiben. Sie weisen eine effektive Masse und eine Bewegungsrichtung orthogonal zu dem Temperaturgradienten auf. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit der Wirkungsweise eines Magnetsensors vergleichbar, welcher auf dem Hall-Effekt basiert.
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Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, durch welche basierend auf den veränderten Wärmeleitungseigenschaften einer Kristallstruktur eine Drehbewegung erfasst werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist besonders geringe Dimensionen auf und ermöglicht es, auf bewegliche und sich bewegende Massen, wie etwa bei einem Gyroskop, zu verzichten. Ebenso kann auf komplexe Federsysteme verzichtet werden. Die Vorrichtung ist stromsparend und einfach integrierbar, beispielsweise in eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl.: „application-specific integrated circuit“, ASIC). Die Vorrichtung ist zudem besonders robust gegenüber externen Störungen und eignet sich besonders gut für die zukunftsträchtige Nanotechnologie.
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Die Vorrichtung kann zum besonders präzisen Messen der Drehrate verwendet werden, insbesondere wenn die Vorrichtung als mikromechanische Vorrichtung ausgebildet ist. Mit vergleichsweise geringem Energieeinsatz können hohe absolute Temperaturen erzeugt werden, welche bei sehr kleinen Abmessungen der Kristallstruktur zum Ausbilden sehr großer Temperaturgradienten führen. Je größer der Temperaturgradient ist, desto größer werden die vorhandenen Wärmeströme und deren phononischer Anteil, desto größer wird die Schwingungsamplitude der einzelnen Atome der Kristallstruktur, damit auch die Corioliskraft und somit auch das durch die Vorrichtung erzeugte Ausgabesignal.
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Statt einer einzelnen Temperaturregeleinrichtung kann die Vorrichtung auch zwei Temperaturregeleinrichtungen aufweisen, welche voneinander beabstandet sind, wobei eine erste Temperaturregeleinrichtung, z.B. an der ersten Außenfläche, als Heizeinrichtung und eine zweite Temperaturregeleinrichtung, z.B. an der zweiten Außenfläche, als Kühleinrichtung fungiert, oder umgekehrt. Somit kann zwischen der ersten und der zweiten Heizeinrichtung ein besonders präzise bekannter Temperaturgradient ausgebildet werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kristallstruktur einkristallin. Somit ist die Kristallstruktur mit besonders gleichförmigen Wärmeleitungseigenschaften ausgebildet, wodurch die Drehbewegung präziser erfasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Kristallstruktur Silizium, Si, und/oder Siliziumcarbid, SiC, auf. Bevorzugt besteht die Kristallstruktur aus Silizium, Si, und/oder aus Siliziumcarbid, SiC.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind an dem ersten Messbereich oder in der Umgebung des ersten Messbereichs und/oder an dem zweiten Messbereich oder in der Umgebung des zweiten Messbereichs durchgängige Schlitze durch die Kristallstruktur hindurch ausgebildet. Dadurch wird der jeweilige Messbereich in Bezug auf seinen elektrischen Widerstand genauer definiert. Der elektrische Widerstand ist somit besser lokalisiert, ohne dass dadurch ein großer Einfluss auf die restliche Kristallstruktur, insbesondere auf den Wärmetransport durch die restliche Kristallstruktur, einhergeht. Die Schlitze sind insbesondere in Längsrichtung der Kristallstruktur und/oder entlang des jeweiligen Messbereichs ausgebildet. Vorzugsweise sind die Schlitze groß genug ausgebildet, um eine galvanische Trennung zu ermöglichen und klein genug, um den Wärmetransport durch die Kristallstruktur und über die Schlitze hinweg möglichst wenig zu beeinflussen. Zudem kann durch die Schlitze eine Störung des Ausgabesignals reduzierbar sein, welche beispielsweise aufgrund der elektrischen Widerstandsmessungen erfolgen kann. Sind die Messbereiche im Vergleich zu der restlichen Kristalleinrichtung dotiert, kann dadurch eine Beeinflussung der phononischen Eigenschaften der Kristallstruktur erfolgen, welche durch die Schlitze verringert oder ausgeschlossen werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die erste Messeinrichtung zwei Kontakte an den ersten Messbereich auf beispielsweise an eine dritte Außenfläche der Kristallstruktur. Die zweite Messeinrichtung weist zwei Kontakte an den zweiten Messbereich auf, beispielsweise an eine vierte Außenfläche der Kristallstruktur. Die dritte und die vierte Kristallstruktur können insbesondere parallel zueinander angeordnet sein. Die dritte und die vierte Kristallstruktur sind von der ersten und der zweiten Außenfläche verschieden und sind vorteilhaft durch die Länge und die Dicke der Kristallstruktur, alternativ durch die Länge und die Breite der Kristallstruktur aufgespannt. An, insbesondere zwischen, den jeweiligen zwei Kontakten der ersten und/oder der zweiten Messeinrichtung ist der jeweilige Messbereich vorteilhaft mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch eine Dotierung der Bereiche erfolgen. Die Bereiche mit dem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand können von den jeweiligen Kontakten her verjüngend in Richtung einer Mitte der Kristallstruktur ausgebildet sein. Somit wird ein dominanter temperatursensitiver Bereich möglichst nahe an einen zentralen Bereich der Kristallstruktur hin und weg von den Kontakten verschoben, was eine genauere Messung ermöglicht.
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Die jeweilige Messeinrichtung der ersten und der zweiten Messeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen jeweiligen elektrischen Strom zwischen dem jeweiligen ersten Kontakt und dem jeweiligen zweiten Kontakt zu erfassen, indem unterschiedliche elektrische Potentiale an jeweils den ersten oder den zweiten Kontakt angelegt werden, wodurch sich ein elektrischer Strom zwischen den beiden Kontakten ergibt, der durch die jeweilige Messeinrichtung erfassbar ist. Das Erfassen des ersten und/oder des zweiten elektrischen Widerstandswerts durch die Auswerteeinrichtung basiert auf dem jeweiligen erfassten elektrischen Strom. Durch das Ausbilden des temperaturabhängigen elektrischen Widerstands indiziert der jeweilige erfasste elektrische Strom direkt eine jeweilige Temperatur an der ersten bzw. der zweiten Messeinrichtung. Durch Vergleich der mittels der beiden Messeinrichtungen erfassten elektrischen Ströme, beispielsweise in einer Wheatstone’schen Brückenschaltung, kann auf eine Temperaturdifferenz der Kristallstruktur geschlossen werden, wodurch die Drehbewegung der Kristallstruktur erfassbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt eine von den Messbereichen und von dem Temperaturregelbereich beabstandete Außenfläche, insbesondere die oben beschriebene zweite Außenfläche, der Kristallstruktur auf einem Referenzpotential, insbesondere auf Erde (Englisch: „ground“, GND). Jeweils der erste Kontakt der zwei Kontakte der jeweiligen Messeinrichtung liegt auf einem jeweiligen ersten elektrischen Potential. Jeweils der zweite Kontakt der zwei Kontakte der jeweiligen Messeinrichtung liegt auf einem jeweiligen zweiten elektrischen Potential. Dabei können sich die ersten elektrischen Potentiale der ersten und der zweiten Messeinrichtung und/oder die zweiten elektrischen Potentiale der ersten und der zweiten Messeinrichtung voneinander unterscheiden. Vorteilhaft sind die beiden ersten elektrischen Potentiale identisch und/oder die beiden zweiten elektrischen Potentiale identisch. Besonders bevorzugt liegt das jeweilige erste elektrische Potential um so viel über dem Referenzpotential wie das jeweilige zweite elektrische Potential unter dem Referenzpotential liegt. Ist das Referenzpotential Erde, das heißt wird das Referenzpotential als 0V definiert, kann beispielsweise das erste elektrische Potential den Wert V1 annehmen und das zweite elektrische Potential den Wert –V1 annehmen. Auf diese Weise wird eine besonders geringe elektrische Störung des Ausgabesignals erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung liegt eine von den Messbereichen und von dem Temperaturregelbereich beabstandete Außenfläche, insbesondere die oben beschriebene zweite Außenfläche, der Kristallstruktur auf einem Referenzpotential, insbesondere auf Erde. Die Temperaturregeleinrichtung ist insbesondere eine Heizeinrichtung und weist einen ersten Heizkontakt und einen zweiten Heizkontakt auf, mittels welchem ein Heizabschnitt der Heizeinrichtung an zwei voneinander beabstandeten Enden des Heizabschnitts kontaktiert ist. Der Heizabschnitt ist über eine wärmeleitende Wärmebrücke mit dem Heizbereich verbunden. Unter einem Heizkontakt ist ein Kontakt zu verstehen, welcher zum Heizen des Heizabschnitts ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung ist dazu ausgelegt, ein erstes elektrisches Heizpotential an den ersten Heizkontakt und ein zweites elektrisches Heizpotential an den zweiten Heizkontakt anzulegen. Vorteilhaft liegt das erste elektrische Heizpotential um so viel über dem Referenzpotential wie das zweite elektrische Heizpotential unter dem Referenzpotential liegt. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein möglichst großer Anteil der Kristallstruktur auf dem elektrischen Referenzpotential, insbesondere auf Erde, liegt, sodass das Ausgabesignal möglichst ungestört bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte: Anlegen eines Referenzpotentials an die erste Außenfläche der Kristallstruktur; Anlegen eines jeweiligen ersten elektrischen Potentials an jeweils einen ersten von zwei elektrischen Kontakten an der dritten und/oder der vierten Außenfläche der Kristallstruktur; Anlegen eines jeweiligen zweiten elektrischen Potentials an jeweils einen zweiten der zwei elektrischen Kontakte an der dritten und/oder der vierten Außenfläche der Kristallstruktur; wobei das erste elektrische Potential um so viel über dem Referenzpotential liegt wie das zweite elektrische Potential unter dem Referenzpotential liegt; und Erfassen eines jeweiligen elektrischen Stroms zwischen dem jeweiligen ersten Kontakt und dem jeweiligen zweiten Kontakt; wobei das Erfassen des ersten und/oder des zweiten elektrischen Widerstandswerts auf dem jeweiligen erfassten elektrischen Strom basiert. Vorteilhafte Modifikationen können wie oben in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben und durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte: Anlegen eines Referenzpotentials an eine von den Messbereichen und von dem Temperaturregelbereich beabstandete Außenfläche, insbesondere die oben beschriebene zweite Außenfläche der Kristallstruktur; wobei das Abgeben von Wärme an den Heizbereich der Kristallstruktur umfasst: Anlegen eines ersten elektrischen Heizpotentials an einen ersten Heizkontakt; und Anlegen eines zweiten elektrischen Heizpotentials an einen zweiten Heizkontakt; wobei das erste elektrische Heizpotential um so viel über dem Referenzpotential liegt, wie das zweite elektrische Heizpotential unter dem Referenzpotential liegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Detailansicht einer Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung aus 2;
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4 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 und 6 schematische Darstellungen zum Erläutern der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 weist eine streifenförmige Kristallstruktur mit einer ersten Außenfläche 21 und einer zweiten Außenfläche 22 auf, welche voneinander beabstandet sind. Die Kristallstruktur 12 weist zudem eine dritte Außenfläche 23 und eine vierte Außenfläche 24 auf, welche voneinander beabstandet sind, insbesondere zueinander parallel angeordnet sind. Die streifenförmige Kristallstruktur 12 ist auch als quaderförmig bezeichenbar, wobei eine Dicke der Kristallstruktur 12 (nicht gezeigt, in die Papierebene hinein) kleiner ist als eine Breite B der Kristallstruktur 12 (zwischen der dritten und der vierten Außenfläche), welche wiederum kleiner ist als eine Länge L der Kristallstruktur 12 (zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche 21, 22). Die Kristallstruktur 12 weist einen Kristall auf. Vorzugsweise besteht die Kristallstruktur 12 aus einem Kristall.
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Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Temperaturregeleinrichtung 14, welche dazu ausgelegt ist, an der ersten Außenfläche 21 der Kristallstruktur 12 Wärme an die Kristallstruktur 12 abzugeben, das heißt die erste Außenfläche 21 zu erwärmen, oder an der ersten Außenfläche 21 der Kristallstruktur 12 Wärme zu entnehmen, d.h. die erste Außenfläche 21 zu kühlen. Die erste Außenfläche 21, oder ein Teilbereich der ersten Außenfläche 21, fungiert somit als ein Temperaturregelbereich 20, d.h. als ein Heizbereich oder als ein Kühlbereich für die Kristallstruktur 12. Die Vorrichtung 10 weist außerdem eine erste Messeinrichtung 16 und eine zweite Messeinrichtung 18 auf.
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Die erste Messeinrichtung 16 ist dazu ausgelegt, an einem ersten Messbereich 15, z.B. an der dritten Außenfläche 23 der Kristallstruktur 12, einen ersten elektrischen Widerstandswert zu erfassen. Die zweite Messeinrichtung 18 ist dazu ausgelegt, an einem zweiten Messbereich 17, z.B. an der vierten Außenfläche 24, einen zweiten elektrischen Widerstandswert zu erfassen, welche eine jeweilige Temperatur des jeweiligen Messbereichs 15, 17 indiziert. Zudem weist die Vorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 70 auf, welche dazu ausgelegt ist, basierend auf dem erfassten ersten elektrischen Widerstandswert und dem erfassten zweiten elektrischen Widerstandswert eine Drehbewegung der Kristallstruktur zu erfassen und darauf basierend ein Ausgabesignal 53 zu erzeugen.
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Insbesondere ist die Vorrichtung 10 dazu ausgelegt, eine Drehbewegung um eine Drehachse zu erfassen, welche parallel zu der Dicke der Kristallstruktur, das heißt senkrecht zu der Breite B und der Länge L der Kristallstruktur 12, angeordnet ist, und welche vorzugsweise außerhalb der Kristallstruktur 12 oder an einer Außenfläche der Kristallstruktur 12, insbesondere der ersten oder der zweiten Außenfläche 21, 22 der Kristallstruktur 12 angeordnet ist.
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In 1 sind beispielhaft Äquipotentiallinien 52 der Temperatur der Kristallstruktur 12 eingezeichnet, welche gemäß einem Temperaturgradienten 51 der Temperatur derart angeordnet sind, dass die Äquipotentiallinien 52 nicht parallel zu der ersten und der zweiten Außenfläche 21, 22 der Kristallstruktur und somit nicht parallel zu der Länge L der Kristallstruktur 12 angeordnet sind. 1 stellt somit eine Situation dar, in welcher die Vorrichtung 10, zumindest die Kristallstruktur 12 der Vorrichtung 10, in einer zu erfassenden Drehbewegung befindlich ist.
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Die Kristallstruktur 12 kann insbesondere als eine Schicht mit einer geringen Schichtdicke, insbesondere von 100 nm bis 5 nm ausgebildet sein. Somit können mit vergleichsweise geringer elektrischer Leistung hohe Temperaturen bzw. Temperaturgradienten 51, das heißt hohe phononische Wärmestromdichten, erzeugt werden. Die insbesondere schichtförmige Kristallstruktur 12 kann beispielsweise ein Devicelayer eines SOI-Wafers (Englisch: „silicon-on-insulator“, Deutsch: „Silizum auf einem Isolator“) sein.
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2 zeigt eine schematische Detailansicht einer Vorrichtung 110 zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung 110 ist eine Variante der Vorrichtung 10 wie oben beschrieben und ist gemäß allen im Hinblick auf die Vorrichtung 10 beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar. Insbesondere umfasst die Vorrichtung 110 eine Auswerteeinrichtung 70 (in 2 nicht dargestellt), wie sie oben in Bezug auf die Vorrichtung 10 beschrieben wurde.
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Die Vorrichtung 110 umfasst eine Kristallstruktur 112 mit ersten bis vierten Außenflächen 121, 122, 123, 124, wie oben in Bezug auf 1 für die Kristallstruktur 12 und die ersten bis vierten Außenflächen 21, 22, 23, 24 der Vorrichtung 10 beschrieben. Auch 2 zeigt eine Situation, in welcher die Kristallstruktur 112 in einer Drehbewegung begriffen ist, so dass die Äquipotentiallinien 52 der Temperatur der Kristallstruktur 112 gegenüber den ersten und zweiten Außenflächen 121, 122 der Kristallstruktur 112 verkippt sind. Die Äquipotentiallinien 52 der Temperatur ergeben sich nach Ausbilden eines Temperaturgradienten 51 zwischen der ersten Außenfläche 21 und der zweiten Außenfläche 22. Hierzu ist über eine Wärmebrücke 142 als eine Temperaturregeleinrichtung eine Heizeinrichtung 114 mit der ersten Außenfläche 121 der Kristallstruktur 112 verbunden. Somit fungiert auch bei der Vorrichtung 110 die erste Außenfläche 121, zumindest zum Teil, als Heizbereich 120 der Kristallstruktur 112.
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Die Heizeinrichtung 114, die Wärmebrücke 142 und die Kristallstruktur 112 können beispielsweise einstückig aus ein- und demselben Substrat, beispielsweise Silizium- und/oder Siliziumkarbidsubstrat, beispielsweise durch Strukturieren, hergestellt sein. Somit kann ein besonders effizienter Wärmetransport von der Heizeinrichtung 114 an die erste Außenfläche 121 erfolgen. Obgleich die Vorrichtung 110 mit einer Heizeinrichtung 114 als Temperaturregeleinrichtung beschrieben ist, kann die Vorrichtung 110 alternativ auch statt der Heizeinrichtung 114 eine Kühleinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil der ersten Außenfläche 121, welcher als Kühlbereich bezeichenbar ist, zu kühlen.
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Die Heizeinrichtung 114 weist einen Heizabschnitt 140 mit einem ersten elektrischen Heizkontakt 135 an einer ersten Seite des Heizabschnitts 140 und mit einem zweiten elektrischen Heizkontakt 136 an einer zweiten, von der ersten Seite beabstandeten Seite des Heizabschnitts 140 auf,. Die Wärmebrücke 142 verbindet den Heizabschnitt 140 mit einem Heizbereich 120 der Kristallstruktur 121. Auch der Heizabschnitt 140 kann einstückig mit der Wärmebrücke 142 und/oder mit der Kristallstruktur 121 ausgebildet sein.
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Die Heizeinrichtung 114 ist dazu ausgelegt, an dem ersten Heizkontakt 135 ein erstes elektrisches Heizpotential VH anzulegen und an dem zweiten elektrischen Heizkontakt 136 ein zweites elektrisches Heizpotential –VH anzulegen. Die Wärmebrücke 142 ist vorteilhaft genau so zwischen den beiden Heizkontakten 135, 136 angeordnet, dass im Bereich der Wärmebrücke 142 der Heizabschnitt 140 auf einem Referenzpotential, insbesondere auf Erde, das heißt V = 0 liegt. Sind, wie vorliegend beschrieben, das erste und das zweite elektrische Heizpotential mit gleichem Absolutbetrag, aber unterschiedlichem Vorzeichen ausgebildet, ist die Wärmebrücke 142 vorteilhaft in der Mitte des Heizstreifens 140 zwischen dem ersten und dem zweiten Heizkontakt 135, 136 angeordnet. Die zweite Außenfläche 122 der Heizeinrichtung 12 ist vorzugsweise auf dem Referenzpotential, insbesondere auf Erde, das heißt V = 0 angeordnet. Somit ergibt sich möglichst keine elektrische Spannung zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche 121, 122.
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In der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche 121, 122 ist an der dritten Außenfläche 123 oder an die dritte Außenfläche 123 angrenzend eine erste Messeinrichtung 116 mit einem ersten Kontakt 131 und einem zweiten Kontakt 132 ausgebildet. In der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche 121, 122 ist an der vierten Außenfläche 124 oder an die vierte Außenfläche 124 angrenzend eine zweite Messeinrichtung 118 mit einem ersten Kontakt 133 und einem zweiten Kontakt 134 ausgebildet. Zwischen den beiden Kontakten 131, 132 der ersten Messeinrichtung 116 ist ein erster Messbereich 115 mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand ausgebildet, z.B. durch Dotierung. Zwischen den beiden Kontakten 133, 134 der zweiten Messeinrichtung 118 ist ein zweiter Messbereich 117 mit temperaturabhängigem elektrischem Widerstand ausgebildet, z.B. durch Dotierung.
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An einem von der jeweiligen Messeinrichtung 116, 118 abgewandten Ende des jeweiligen Messbereichs 115, 117 ist jeweils ein Schlitz 126, 128 parallel zu der Länge der Kristallstruktur 112 durch die gesamte Dicke D (siehe 3) der Kristallstruktur 112 ausgebildet, mit den im Vorangehenden beschriebenen Vorteilen. Die Messeinrichtungen 116, 118 sind, wie in Bezug auf die Messeinrichtungen 16, 18 beschrieben, dazu ausgelegt, eine jeweilige elektrische Spannung zwischen ihren jeweiligen Kontakten 131, 132, 133, 134 anzulegen und einen daraus resultierenden temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zu erfassen.
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Die zweite Außenfläche 122 wird vorzugsweise auf Erde gesetzt, also auf ein Potential von V = 0. An den jeweiligen ersten Kontakt 131, 133 wird ein Potential +V1 angelegt und an den jeweiligen zweiten Kontakt 132, 134 ein Potential –V1. An den ersten Heizkontakt 135 wird ein Heizpotential +VH angelegt und an den zweiten Heizkontakt 136 ein Heizpotential –VH.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung 110 aus 2. Gemäß 3 ist die Kristallstruktur 121 an einem Substrat 150 befestigt. Das Substrat 150 ermöglicht eine ausreichende mechanische Stabilität der Vorrichtung 110. Das Substrat 150 ist vorzugsweise gut an eine Umgebung angekoppelt bzw. ankoppelbar, damit die im Betrieb entstehende Wärme der Vorrichtung 110, insbesondere der Kristallstruktur 112, gut abführbar ist. Das Substrat 150 kann beispielsweise als eine ASIC, ein Handlewafer-SOI, ein Siliziumsubstrat oder dergleichen ausgebildet sein. Elektrische Kontakte 191, 192 der Vorrichtung 110 können beispielsweise auch alle oder zum Teil auf einer Rückseite des Substrats 150, das heißt einer von der Kristallstruktur 112 abgewandten Oberfläche des Substrats 150, ausgebildet sein, beispielsweise unter Verwendung von elektrischen Durchkontakten 194.
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Zwischen dem Substrat 150 und der Kristallstruktur 112 kann eine Zwischenschicht 162 angeordnet sein, welche auch strukturiert sein kann. Die Zwischenschicht 162 dient insbesondere zum thermischen Entkoppeln der Kristallstruktur 112, der Heizeinrichtung 114 und der Wärmebrücke 142 von dem Substrat 150. Dazu kann beispielsweise Siliziumoxid oder ein Vakuum verwendet werden. Beispielsweise kann durch die Zwischenschicht 162 ein erster Hohlraum 156 zwischen der Kristallstruktur 112 und dem Substrat 150 ausgebildet sein. Insbesondere ist die kalte Seite der Kristallstruktur 121, das heißt diejenige Seite, welche am weitesten von dem Heizbereich 120 entfernt ist, über die Zwischenschicht 162 gut wärmeleitend an das Substrat 150 angekoppelt, optional zusätzlich mittels einer Wärmeleitstruktur 154 z.B. aus Polysilizium, Polysiliziumcarbid und/oder Metall, welche an die zweite Außenfläche 122 angrenzt..
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Die Kristallstruktur 112 kann an einer von dem Substrat 150 abgewandten Seite mittels einer Kappe 152 ganz oder teilweise verkapselt sein, wobei ein zweiter Hohlraum 158 zwischen der Kristallstruktur 112 und einer Innenfläche der Kappe 152 verbleiben kann. Bevorzugt bleibt ein Bereich 160 der Kristallstruktur 112 von der Kappe 152 frei, sodass an diesem Bereich 160 elektrische Kontakte 191 angeordnet und leicht kontaktiert werden können.
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4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Erfassen einer Drehbewegung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 4 ist insbesondere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einer der Vorrichtungen 10; 110 durchführbar und ist gemäß allen in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere die Vorrichtungen 10; 110 beschriebenen Varianten und Weiterbildungen anpassbar.
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In einem Schritt S01 wird eine Kristallstruktur 12; 112 bereitgestellt, beispielsweise mit den Eigenschaften wie in Bezug auf die Vorrichtungen 10 oder 110 beschrieben. In einem Schritt S02 wird Wärme an einen Heizbereich 20; 120 der Kristallstruktur 12; 112 abgegeben oder an dem Heizbereich 20; 120 entnommen. In einem Schritt S03 wird ein erster elektrischer Widerstandswert in einem ersten Messbereich 15; 115 der Kristallstruktur 12; 112 erfasst. In einem Schritt S04 wird ein zweiter elektrischer Widerstandswert in einem zweiten Messbereich 17; 117 der Kristallstruktur 12; 112 erfasst. Der erste Messbereich 15; 115 und der zweite Messbereich 17; 117 sind voneinander, sowie von dem Messbereich 20; 120, beabstandet, insbesondere durch eine Breite der Kristallstruktur 12; 112.
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In einem Schritt S05 wird eine Drehbewegung der Kristallstruktur 12; 112 basierend auf dem erfassten ersten elektrischen Widerstandswert und dem erfassten zweiten elektrischen Widerstandswert erfasst bzw. ermittelt. In einem Schritt S06 wird ein Ausgabesignal 53 basierend auf der erfassten Drehbewegung der Kristallstruktur 12; 112 erzeugt. Insbesondere erfolgt das Erzeugen S06 des Ausgabesignals 53 basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten erfassten Widerstandswert. Die Schritte S02 bis S06 können insbesondere so durchgeführt werden wie voranstehend beschrieben, insbesondere in Bezug auf die Vorrichtungen 10; 110.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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