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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung zum Detektieren eines äußeren Magnetfelds, eine mikromechanische Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Zur Bestimmung der Stärke oder der dreidimensionalen Ausrichtung von Magnetfeldern sind verschiedene Messverfahren bekannt. So ist in der Druckschrift
DE 10 2010 061 780 A1 ein mikroelektromechanischer Magnetfeldsensor offenbart, welcher drei Sensorelemente umfasst, die derart angeordnet sind, dass die Orientierung von dreidimensionalen Magnetfelder bestimmt werden kann.
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Die häufig verwendeten magnetoresistiven Sensoren, insbesondere Hall-Sensoren, sind zwar in der Herstellung sehr kostengünstig, sind jedoch aufgrund ihrer Sensitivität häufig nicht ausreichend. Umgekehrt sind sensitivere Sensoren oft anfällig gegenüber äußeren Erschütterungen oder Vibrationen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung zum Detektieren eines äußeren Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine mikromechanische Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine mikromechanische Sensorvorrichtung zum Detektieren eines äußeren Magnetfelds, welche ein Substrat, eine erste und eine zweite Trägereinrichtung, sowie eine Kopplungseinrichtung aufweist. Die erste Trägereinrichtung umfasst eine Magneteinrichtung und ist derart an dem Substrat angebracht, dass die erste Trägereinrichtung durch Wechselwirkung der Magneteinrichtung mit dem äußeren Magnetfeld relativ zu dem Substrat um eine erste Drehachse herum drehbar ist. Die zweite Trägereinrichtung ist ebenfalls an dem Substrat angebracht und um eine zweite Drehachse relativ zu dem Substrat drehbar. Die zweite Drehachse ist hierbei parallel zur ersten Drehachse. Die Kopplungseinrichtung verbindet die erste Trägereinrichtung mit der zweiten Trägereinrichtung derart, dass eine Drehung der ersten Trägereinrichtung um die erste Drehachse und der zweiten Trägereinrichtung um die zweite Drehachse in entgegengesetzter Drehrichtung ermöglicht und in gleicher Drehrichtung verhindert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine mikromechanische Sensoranordnung, welche mindestens drei mikromechanische Sensorvorrichtungen aufweist, welche sich untereinander jeweils in einer Ausrichtung der jeweiligen Magneteinrichtung und/oder in einer Ausrichtung der jeweiligen ersten Drehachse unterscheiden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung zum Detektieren eines äußeren Magnetfelds, wobei ein Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung und/oder der zweiten Trägereinrichtung gemessen wird und anhand des gemessenen Drehwinkels eine Stärke und/oder eine Ausrichtung des äußeren Magnetfelds bestimmt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Äußere Erschütterungen oder Vibrationen bewirken ein Drehmoment, welches auf die erste Trägereinrichtung und die zweite Trägereinrichtung in gleicher Weise wirkt, das heißt ohne die Kopplungseinrichtung eine Drehung der ersten Trägereinrichtung und der zweiten Trägereinrichtung in gleicher Drehrichtung um die erste Drehachse bzw. zweite Drehachse hervorrufen würde. Eine derartige Drehbewegung wird jedoch durch die Kopplungseinrichtung verhindert. Drehungen der ersten bzw. zweiten Trägereinrichtung aufgrund von äußeren Erschütterungen oder Vibrationen werden somit verhindert oder doch zumindest unterdrückt, so dass diese nicht als Auswirkungen des äußeren Magnetfelds interpretiert werden können und auch kein Fehlsignal generieren können.
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Umgekehrt ist eine Auslenkung der ersten Trägereinrichtung durch das äußere Magnetfeld möglich, wobei vorzugsweise eine Drehung der zweiten Trägereinrichtung in entgegengesetzter Drehrichtung über die Kopplungseinrichtung übertragen bzw. vermittelt wird. Ein äußeres Magnetfeld führt somit zu einer Drehung der ersten bzw. zweiten Trägereinrichtung, welche gemessen und dadurch die Größe bzw. Orientierung des äußeren Magnetfelds bestimmt werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht es dadurch, die Einflüsse von äußeren Vibrationen oder Erschütterungen zu unterdrücken und die Genauigkeit und Robustheit der Sensorvorrichtung zu erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der mikromechanischen Sensorvorrichtung weist die Kopplungseinrichtung ein nicht kontrahierbares und vorzugsweise auch nicht dehnbares Verbindungsstück auf, welches schwenkbar mit der ersten Trägereinrichtung und der zweiten Trägereinrichtung verbunden ist. Vorzugsweise ist das Verbindungsstück senkrecht zu der ersten Drehachse ausgerichtet. Da das Verbindungsstück nicht kontrahierbar oder dehnbar ist, wird eine Drehung in gleicher Drehrichtung verhindert, da diese das nicht kontrahierbare Verbindungsstück zusammendrücken oder auseinanderziehen würde. Umgekehrt ermöglicht die schwenkbare Aufhängung eine gewisse Auslenkung, so dass eine Drehung in entgegengesetzter Drehrichtung ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung weist die Kopplungseinrichtung ein Verbindungsstück auf, welches parallel zur ersten Drehachse ausgerichtet ist, verdrehbar, jedoch nicht verschwenkbar oder biegbar ist.
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Vorzugsweise ist die Kopplungseinrichtung derart ausgebildet, dass eine Drehung der ersten Trägereinrichtung aufgrund einer Wechselwirkung der Magneteinrichtung mit dem äußeren Magnetfeld auf die zweite Trägereinrichtung übertragen wird, wobei die Drehrichtung der zweiten Trägereinrichtung derjenigen der ersten Trägereinrichtung entgegengesetzt ist. Durch Messen von Drehwinkeln der ersten bzw. zweiten Trägereinrichtung kann somit die Größe bzw. Ausrichtung des äußeren Magnetfelds bestimmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der mikromechanischen Sensorvorrichtung liegt das nicht Verbindungsstück in einer Ebene, welche zu einer Verbindungslinie zwischen einem ersten Drehzentrum der ersten Trägereinrichtung und einem zweiten Drehzentrum der zweiten Trägereinrichtung senkrecht steht, falls sich die erste Trägereinrichtung und die zweite Trägereinrichtung in einer unausgelenkten Ruheposition befinden. Aufgrund einer derartigen Anordnung wird bei einer Drehbewegung in gleicher Drehrichtung eine Kontraktionskraft auf das Verbindungsstück ausgeübt, welches jedoch nicht kontrahierbar oder dehnbar ist, sodass die Drehung in gleicher Drehrichtung verhindert wird. Bei einer Drehbewegung der ersten bzw. zweiten Trägereinrichtung in entgegengesetzter Drehrichtung wird die Kopplungseinrichtung relativ zur Ruhelage geschwenkt, jedoch nicht kontrahiert oder gedehnt, so dass eine derartige Drehbewegung möglich bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die mikromechanische Sensorvorrichtung eine Messanordnung auf, welche dazu ausgebildet ist, einen Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung und/oder der zweiten Trägereinrichtung zu messen. Die Messanordnung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, anhand des gemessenen Drehwinkels eine Größe und/oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds zu bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung ist die Messanordnung zumindest teilweise an der ersten Trägereinrichtung und/oder der zweiten Trägereinrichtung angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung umfasst die Messanordnung eine an dem Substrat angeordnete Elektrode und eine an der ersten Trägereinrichtung und/oder der zweiten Trägereinrichtung angeordnete Gegenelektrode. Durch Messung einer Potentialänderung zwischen Elektrode und Gegenelektrode kann ein Drehwinkel der ersten bzw. zweiten Trägereinrichtung bzw. eine Größe oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds bestimmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung ist eine Nord-Süd-Achse der Magneteinrichtung parallel zum Substrat ausgerichtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der mikromechanischen Sensoranordnung weist diese eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, jeweilige Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung und/oder der zweiten Trägereinrichtung der mindestens drei mikromechanischen Sensorvorrichtungen zu messen, und anhand der gemessenen Drehwinkel eine Stärke und/oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds zu bestimmen. Die Erfindung stellt somit einen dreidimensionalen Magnetsensor bereit.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Schrägansicht der in 1 illustrierten mikromechanischen Sensorvorrichtung;
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3 eine schematische Draufsicht auf die in 1 illustrierte mikromechanische Sensorvorrichtung zur Illustration des Einflusses eines äußeren Magnetfelds;
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4 eine schematische Draufsicht auf die in 1 illustrierte mikromechanische Sensorvorrichtung zur Illustration des Einflusses einer Erschütterung der mikromechanischen Sensorvorrichtung;
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5 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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6 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Eine mikromechanische Sensorvorrichtung 1a gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird in 1 in einer schematischen Draufsicht und in 2 in einer schematischen Schrägansicht dargestellt. Die mikromechanische Sensorvorrichtung 1a weist ein Substrat 2, vorzugsweise aus Silizium, auf, wobei eine erste Trägereinrichtung 3 mittels ersten Federbalken 8a an einem ersten säulenförmigen Verbindungsstück bzw. einem ersten Substratanker 7a angebracht und über den ersten Substratanker 7a mit dem Substrat 2 verbunden und von diesem beabstandet angebracht ist.
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Weiter ist eine zweite Trägereinrichtung 5 über zweite Federbalken 8b an einem zweiten säulenförmigen Verbindungsstück bzw. einem zweiten Substratanker 7b befestigt, und über den zweiten Substratanker 7b mit dem Substrat 2 verbunden und von diesem beabstandet angeordnet. Die erste Trägereinrichtung 3 bzw. die zweite Trägereinrichtung 5 sind um eine erste Drehachse A1 bzw. eine zweite Drehachse A2, welche durch den ersten Substratanker 7a bzw. den zweiten Substratanker 7b verlaufen, drehbar bzw. auslenkbar. Die erste Drehachse A1 verläuft parallel zur zweiten Drehachse A2 entlang einer z-Achse und steht senkrecht zu einer Substratoberfläche des Substrats 2, welche sich in einer x-y-Ebene erstreckt. Der erste Substratanker 7a bildet ein erstes Drehzentrum der ersten Trägereinrichtung 3 und der zweite Substratanker 7b bildet ein entsprechendes zweites Drehzentrum 7b der zweiten Trägereinrichtung 5.
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Die erste Trägereinrichtung 3 weist eine Magneteinrichtung 4 auf, deren Nord-Süd-Achse entlang der x-Achse verläuft, welche parallel zum Substrat und in einer unausgelenkten Ruheposition parallel zur zweiten Trägereinrichtung 5 verläuft. Eine Verbindungslinie zwischen dem ersten Substratanker 7a und dem zweiten Substratanker 7b verläuft parallel zu einer y-Achse und senkrecht zur x-Achse.
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Die erste Trägereinrichtung 3 und die zweite Trägereinrichtung 5 weisen einen ersten Vorsprung 10a bzw. einen zweiten Vorsprung 10b auf, welche parallel zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten Substratanker 7a und dem zweiten Substratanker 7b hervorstehen. Eine Kopplungseinrichtung 6 in Form eines nicht kontrahierbaren und nicht dehnbaren Verbindungsstücks ist mit dem ersten Vorsprung 10a sowie dem zweiten Vorsprung 10b verbunden, wobei die Kopplungseinrichtung 6 relativ zu dem ersten Vorsprung 10a bzw. zweiten Vorsprung 10b schwenkbar bzw. auslenkbar ist. Die Kopplungseinrichtung 6 verläuft parallel zu der Substratoberfläche des Substrats 2 und senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten Substratanker 7a und dem zweiten Substratanker 7b. Die Kopplungseinrichtung 6 liegt somit in einer Ebene, welche zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten Substratanker 7a und dem zweiten Substratanker 7b senkrecht steht.
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Die mikromechanische Sensorvorrichtung umfasst weiter eine Messanordnung, welche eine erste Kammstruktur 9a und eine zweite Kammstruktur 9b umfasst, welche an der zweiten Trägereinrichtung 5 angeordnet sind. In Abhängigkeit von einem Drehwinkel der zweiten Trägereinrichtung 5 um die zweite Drehachse A2 ändert sich eine Kapazität der ersten bzw. zweiten Kammstruktur, wobei die Kapazitätänderung durch die Messanordnung gemessen wird und diese ein entsprechendes Messsignal ausgibt. Ein Drehwinkel der zweiten Trägereinrichtung 5 um die zweite Drehachse A2 kann anhand des Messsignals durch die Messanordnung bestimmt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen ist an dem Substrat 2 eine Elektrode angeordnet, während an der ersten Trägereinrichtung 3 und/oder an der zweiten Trägereinrichtung 5 eine Gegenelektrode angeordnet ist, so dass ein Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung 3 bzw. der zweiten Trägereinrichtung 5 durch Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode bestimmt werden kann.
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Das Wirkprinzip der mikromechanischen Sensorvorrichtung 1a wird im Folgenden anhand der 3 und 4 genauer erläutert. In 3 ist der Einfluss eines äußeren Magnetfelds B auf die mikromechanische Sensorvorrichtung 1a dargestellt. Eine Komponente des äußeren Magnetfelds B in y-Richtung erzeugt aufgrund einer Wechselwirkung mit der Magneteinrichtung 4 ein erstes Drehmoment Ma, welches eine Drehbewegung der ersten Trägereinrichtung 3 um die erste Drehachse A1 herum hervorruft. Da die Kopplungseinrichtung 6 in x-Richtung starr, das heißt nicht kontrahierbar oder dehnbar, jedoch in y-Richtung verformbar bzw. schwenkbar ist, wird durch die Drehung der ersten Trägereinrichtung 3 ein zweites Drehmoment Mb erzeugt, welches eine Drehbewegung der zweiten Trägereinrichtung 5 um die zweite Drehachse A2 herum hervorruft. Eine Drehrichtung bzw. ein Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung 3 ist einer Drehrichtung bzw. einem Drehwinkel der zweiten Trägereinrichtung 5 entgegengesetzt. Die Kopplungseinrichtung 6 ist somit dazu ausgebildet, eine Drehbewegung der ersten Trägereinrichtung 3 auf die zweite Trägereinrichtung 5 zu übertragen, wobei eine Drehrichtung der zweiten Trägereinrichtung 5 einer Drehrichtung der ersten Trägereinrichtung 3 entgegengesetzt ist.
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Vorzugsweise sind eine Masse der ersten Trägereinrichtung 3 und eine Masse der zweiten Trägereinrichtung 5 und/oder ein Trägheitsmoment der ersten Trägereinrichtung 3 und ein Trägheitsmoment der zweiten Trägereinrichtung 5 im Wesentlichen gleich groß, so dass die Drehwinkel gleich groß sind, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Die Größe der Drehwinkel hängt von der Stärke und/oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds B ab, so dass die Messanordnung durch Messen der Drehwinkel die Stärke und/oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds B bestimmen kann.
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In 4 ist die Auswirkung einer Erschütterung oder Vibration der mikromechanischen Sensorvorrichtung 1a illustriert. Ein erstes Drehmoment Ma wirkt auf die erste Trägereinrichtung 3 und ein zweites Drehmoment Mb wirkt auf die zweite Trägereinrichtung 5. Das erste Drehmoment Ma und das zweite Drehmoment Mb zeigen in die gleiche Richtung entlang der ersten Drehachse bzw. der zweiten Drehachse, das heißt im vorliegenden Fall entlang der z-Achse. Das erste Drehmoment Ma und das zweite Drehmoment Mb erzeugen Kräfte, welche an dem ersten Vorsprung 10a bzw. dem zweiten Vorsprung 10b in entgegengesetzte Richtungen angreifen. Da der erste Vorsprung 10a mit dem zweiten Vorsprung 10b über das Verbindungsstück 6 verbunden ist, wird eine Drehbewegung der ersten Trägereinrichtung 3 und der zweiten Trägereinrichtung 5 in gleicher Drehrichtung verhindert. Die Vibration bzw. Erschütterung der mikromechanischen Sensorvorrichtung 1a überträgt somit keine Drehbewegung auf die erste bzw. zweite Trägereinrichtung 3, 5. Die Kopplungseinrichtung 6 verhindert eine Drehung der ersten Trägereinrichtung 3 bzw. der zweiten Trägereinrichtung 5 in gleicher Drehrichtung
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Während die in den 1 bis 4 gezeigte mikromechanische Sensorvorrichtung das Detektieren von einer Komponente des äußeren Magnetfelds B entlang der y-Achse, bzw. durch Drehen der mikromechanischen Sensorvorrichtung 1a um 90 Grad auch entlang der x-Achse ermöglicht, das heißt von Komponenten des Magnetfeldes B in der Substratebene des Substrats 2, so ist in 5 eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Sensorvorrichtung 1b illustriert, welche das Detektieren einer Komponente eines äußeren Magnetfelds B entlang der z-Achse ermöglicht. Die Nord-Süd-Achse der Magneteinrichtung 4 ist hierbei entlang der y-Achse, das heißt entlang einer Verbindungslinie zwischen dem ersten Substratanker 7a und dem zweiten Substratanker 7b angeordnet. Die erste Trägereinrichtung 3 und die zweite Trägereinrichtung 5 sind um eine erste Drehachse A1 bzw. zweite Drehachse A1 drehbar, welche sich entlang der x-Achse erstreckt, das heißt parallel zur Substratebene des Substrats 2 verläuft. Eine z-Komponente eines äußeren Magnetfelds B erzeugt ein Drehmoment, welches die erste Trägereinrichtung 3 um die erste Drehachse A1 herum auslenkt, wobei die zweite Trägereinrichtung 5 durch Kopplung mit der Kopplungseinrichtung 6 in entgegengesetzter Drehrichtung ausgelenkt wird. Der erste Vorsprung 10a bzw. der zweite Vorsprung 10b werden somit entlang der z-Achse in der gleichen Richtung ausgelenkt. Eine Vibration oder Erschütterung der mikromechanischen Sensorvorrichtung erzeugt gleiche Drehmomente auf die erste Trägereinrichtung 3 und die zweite Trägereinrichtung 5, so dass der erste Vorsprung 10a und der zweite Vorsprung 10b in unterschiedliche Richtungen entlang der z-Achse ausgelenkt werden. Eine derartige Bewegung wird jedoch durch die Kopplungseinrichtung 6 verhindert. Die Kopplungseinrichtung 6 ist hierzu derart ausgebildet, dass die Kopplungseinrichtung 6 entlang der x-Achse verdrehbar ist, jedoch nicht entlang der z-Achse relativ zu dem ersten bzw. zweiten Vorsprung 10a, 10b verschwenkt oder ausgelenkt werden kann.
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In 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine mikromechanische Sensoranordnung 11 illustriert, mit einer ersten mikromechanischen Sensorvorrichtung 12, einer zweiten mikromechanischen Sensorvorrichtung 13 und einer dritten mikromechanischen Sensorvorrichtung 14. Die erste mikromechanische Sensorvorrichtung 12 und die zweite mikromechanische Sensorvorrichtung 13 sind um 90° relativ zueinander gedreht auf einem gemeinsamen Substrat 2 angeordnet und entsprechen der in den 1 bis 4 illustrierten Ausführungsform und sind zum Messen einer y- bzw. x-Komponente des äußeren Magnetfelds B ausgelegt. Die dritte mikromechanische Sensorvorrichtung 14 ist ebenfalls auf dem Substrat 2 angeordnet und entspricht der in 5 illustrierten Ausführungsform und ist zum Messen einer z-Komponente des äußeren Magnetfelds B ausgebildet. Die mikromechanische Sensoranordnung 11 umfasst weiter eine Auswerteeinrichtung 12, welche dazu ausgebildet ist, jeweilige Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung 3 und/oder der zweiten Trägereinrichtung 5 der ersten bis dritten Sensorvorrichtung 12, 13, 14 zu messen und anhand der gemessenen Drehwinkel eine Stärke und/oder Ausrichtung des äußeren Magnetfelds B zu bestimmen. Die mikromechanische Sensoranordnung 11 kann dadurch einen dreidimensionalen Verlauf des äußeren Magnetfelds B detektieren.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung 1a, 1b bzw. Sensoranordnung 11 gemäß einer der oben illustrierten Ausführungsformen, wobei ein Drehwinkel der ersten Trägereinrichtung 3 und/oder der zweiten Trägereinrichtung 5 gemessen wird und anhand des gemessenen Drehwinkels eine Stärke und/oder eine Ausrichtung des äußeren Magnetfelds bestimmt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010061780 A1 [0002]
