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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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Drehratensensoren auf Substraten sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um spezielle mikroelektromechanische Systeme (MEMS), meist auf Siliziumbasis, mit welchen Drehraten gemessen werden können. Typischerweise weisen Drehratensensoren dabei verschiedene Massekörper auf. Solche Massekörper werden als Detektionsmassen, Antriebsmassen und/oder Coriolismassen verwendet. Hierfür sind die einzelnen Massen untereinander und teilweise mit dem Substrat gekoppelt. Die Massen und Federn werden bei in-plane Drehratensensoren häufig in einer Funktionsschicht ausgebildet. Die Federelemente sind dabei jedoch typischerweise auf Biege- und Torsionselemente beschränkt, welche generell eher nur geringe Gestaltungsmöglichkeiten aufweisen und nur beschränkte Möglichkeiten für die Kopplung von Massen und die Ermöglichung/Unterdrückung von bestimmten relativen Schwingungsrichtungen und -moden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor mit einem Substrat vorzuschlagen, bei dem verbesserte und/oder erweiterte Möglichkeiten zur Kopplung verschiedener Massen vorliegen, beispielsweise derart, dass Bewegungen der Massen in der Haupterstreckungsebene des Substrats generell oder selektiv unterdrückbar sind, während Bewegungen senkrecht dazu ermöglicht werden.
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Verwendung einer ersten und zweiten Funktionsschicht und die Anordnung von Massebereichen eines ersten Masseelements in beiden Funktionsschichten, voreilhafte Möglichkeiten für die Erzeugung eines gewünschten Schwingverhaltens der beiden Masseelemente möglich sind. Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Koppelstruktur gänzlich oder teilweise in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich beispielsweise in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass Federelemente realisierbar sind, welche insbesondere in die erste Haupterstreckungsrichtung steif ausgeführt sind und Bewegungen von Masseelementen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zulassen, beispielsweise Kippbewegungen und/oder Drehbewegungen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Drehratensensor mit einem Substrat, wobei das Substrat eine Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor mindestens ein erstes und ein zweites in Schwingung versetzbares Masseelement aufweist, wobei eine erste Haupterstreckungsrichtung des Substrats von dem ersten Masseelement zum zweiten Masseelement zeigt, wobei in die erste Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Masseelement eine Koppelstruktur angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Koppelbereich der Koppelstruktur in einer ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein erster Massebereich des ersten Masseelements in der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein zweiter Massebereich des ersten Masseelements in einer zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht in eine Erstreckungsrichtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene, zwischen dem Substrat und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste Funktionsschicht in die Erstreckungsrichtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene, eine geringere Ausdehnung aufweist als die zweite Funktionsschicht, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der erste Koppelbereich und/oder die ganze Koppelstruktur Bewegungen von Masseelementen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zulassen, beispielsweise Kippbewegungen und/oder Drehbewegungen.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der erste Koppelbereich in die erste Haupterstreckungsrichtung eine höhere Steifigkeit aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung, ist es möglich, dass ein erster Koppelbereich ermöglicht wird, der sowohl in die Erstreckungsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats als auch in die zweite Haupterstreckungsrichtung des Substrats weniger streif ausgeführt ist als in die erste Haupterstreckungsrichtung. Hierdurch ist es möglich, eine Koppelstruktur zu realisieren, mit deren Hilfe Masseelemente derart koppelbar sind, dass sie in die zweite Haupterstreckungsrichtung und die Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats) relativ zueinander bewegbar sind, jedoch in die erste Haupterstreckungsrichtung steif gekoppelt sind.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine dritte Funktionsschicht in der Erstreckungsrichtung zwischen dem Substrat und der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein dritter Massebereich des ersten Masseelements in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist, ist es möglich, gekoppelte Masseelemente zu realisieren, welche unter Stresseinprägung in der Haupterstreckungsebene des Substrats keine dominante Ausgleichsbewegung ausführen. Insbesondere ist es möglich, dass eine Anordnung aus erstem Masseelement, zweitem Masseelement und Koppelstruktur symmetrisch (in Bezug auf eine Symmetrieebene, welche sich in die Erstreckungsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats und in die erste Haupterstreckungsrichtung erstreckt) ausgeführt wird. Dies ist besonders dann möglich, wenn ein weiterer erster Massebereich des zweiten Masseelements in der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein weiterer zweiter Massebereich des zweiten Masseelements in der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei insbesondere ein weiterer dritter Massebereich des zweiten Masseelements in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist. Insbesondere ist es gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass ein Abknicken der verbundenen (ersten und zweiten) Masseelemente in positive Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene) und negative Erstreckungsrichtung im Wesentlichen symmetrisch erfolgt.
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Insbesondere ist dies möglich, wenn der über die Scharnier- Federn definierte Krafteintrag bei Auslenkung der Massen in die Erstreckungsrichtung mittig (bezogen auf die Ausdehnung der Massen in Erstreckungsrichtung) erfolgt, da die Koppelstruktur (beispielsweise die Scharnierfedern) mittig mit den Masseelementen verbindbar sind. Somit ist es möglich, dass eine in der Haupterstreckungsebene eingeprägte Kraft nicht zu einer Ausweichbewegung der Koppelstruktur in negative oder positive Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene) führt. Dies kann sich vorteilhaft auf das Verhalten des Drehratensensors auswirken.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass weitere Funktionsschichten (bzw. Strukturebenen) vorgesehen sind. Die Erweiterung auf mehrere Strukturebenen erlaubt es, die Koppelstrukturen (beispielsweise die Scharnierfedern, Schubstangen und/oder Schubbänder) mittig an den Masseelementen (bezüglich der Erstreckungsrichtung) zu platzieren. Insbesondere bei drei oder einer anderen ungeraden Anzahl an Funktionsschichten sind in sich symmetrische mikromechanische Koppelstrukturen sowie symmetrisch an den Masseelementen angebrachte Koppelstrukturen in vorteilhafter Weise möglich.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweiter Koppelbereich der Koppelstruktur in der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, ist es möglich, dass verschiedene vorteilhafte Querschnittsflächen (senkrecht zur ersten Haupterstreckungsrichtung) für die Koppelstruktur realisierbar sind. Beispielsweise ist es möglich, L-, T- oder U-förmige Querschnittsflächen zu realisieren.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass ein dritter Koppelbereich der Koppelstruktur in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist. Hierdurch können Wippenstrukturen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften ausgebildet werden. Beispielsweise können Koppelstrukturen realisiert werden, die einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen. Derartige Querschnitte führen beispielsweise zu einer erhöhten Symmetrie der Koppelstruktur/des Torsionselementes hinsichtlich der Torsionsachse und minimieren auch asymmetrische Steifigkeiten hinsichtlich (ungewünschter) Biegebewegungen in die Haupterstreckungsebene des Substrats und die Erstreckungsrichtung senkrecht dazu.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vierte Funktionsschicht in der Erstreckungsrichtung oberhalb der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei in der vierten Funktionsschicht ein weiteres zweites Masseelement angeordnet ist, wobei die Koppelstruktur einen in der zweiten Funktionsschicht angeordneten zweiten Koppelbereich und einen weiteren Koppelbereich aufweist, wobei der weitere Koppelbereich in der vierten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei mithilfe der Koppelstruktur das erste Masseelement und das weitere zweite Masseelement miteinander mechanisch verbunden sind, ist es möglich, dass Masseelemente in verschiedenen Funktionsschichten in vorteilhafter Weise miteinander koppelbar sind. Beispielsweise ist es möglich, dass das weitere zweite Masseelement zumindest teilweise oberhalb des zweiten Masseelements angeordnet ist.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der vierten Funktionsschicht ein weiteres erstes Masseelement angeordnet ist, wobei in der ersten Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Masseelement eine zusätzliche Koppelstruktur angeordnet ist, wobei die zusätzliche Koppelstruktur einen zusätzlichen Koppelbereich und einen zusätzlichen weiteren Koppelbereich aufweist, wobei der zusätzliche Koppelbereich in der ersten und zweiten Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei der zusätzliche weitere Koppelbereich in der vierten Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei mithilfe der zusätzlichen Koppelstruktur das zweite Masseelement und das weitere erste Masseelement miteinander mechanisch verbunden sind, ist es dritte Funktionsschicht in vorteilhafter Weise möglich, dass jeweils übereinander angeordnete Masseelemente eine gekreuzte Kopplung aufweisen, insbesondere für den Fall, dass das weitere erste Masseelement zumindest teilweise oberhalb des ersten Masseelements angeordnet ist.
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Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Koppelstruktur mindestens eine, bevorzugt zwei, Verankerungen am Substrat aufweist, insbesondere derart, dass die Koppelstruktur ein Scharnierelement umfasst, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die Koppelstruktur als Scharnier ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass unerwünschte Biegebewegungen unterdrückbar sind. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Koppelstruktur als Wippenstruktur ausgebildet ist.
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Insgesamt ist es erfindungsgemäß durch die Verwendung mehrerer Funktionsschichten möglich, dass gekoppelte Masseelemente mit verschiedensten gewünschten (gekoppelten) Schwingungseigenschaften realisierbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Drehratensensor oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors beschriebenen Vorteile.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 6 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 7 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 8 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 9 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 10 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 11 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 12 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 13 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen 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 schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10 und ein zweites Masseelement 20. Die beiden Masseelemente 10, 20 sind jeweils teilweise in einer ersten Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, insbesondere sind ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Masseelemente 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 aneinander gekoppelt. Die Koppelstruktur 30 weist einen ersten Koppelbereich 31 auf, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet ist. Die Koppelstruktur 30 ist als Schubstange ausgebildet und steif in eine erste und eine zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 des Substrats. Die gezeigte Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der eingezeichneten gestrichelten Pfeile. Ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 kann beispielsweise oberhalb der Koppelstruktur 30 angeordnet werden. Dies ist in 1 durch den gestrichelten Körper 70 dargestellt.
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In 2 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung, welche beispielsweise durch Temperatureffekte bedingt sein kann. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 asymmetrisch gekoppelt sind, führt eine derartige Stresseinkoppplung zu einer Ausweichbewegung der Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten gezeigten Anordnung in Richtung des dicken gestrichelten Pfeils (also in negative Erstreckungsrichtung 200).
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In 3 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Steifigkeit der Koppelstruktur 30 in eine Erstreckungsrichtung 200 senkrecht auf der Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats ist - unter anderem - durch die Dicke (in Erstreckungsrichtung 200) der Koppelstruktur 30 und damit durch das Verhältnis der Dicken der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 maßgeblich bestimmt. Bei passender Dimensionierung der Strukturelemente können so ausreichend steife Verbindungen/Koppelstrukturen 30 in die erste und zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 realisiert werden, beispielsweise auch für den Fall, dass ein unabhängiges mikromechanisches Element 70 gekreuzt wird. Die gezeigte Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der eingezeichneten Pfeile in die Erstreckungsrichtung 200, wobei sich die Massen sowohl gegenphasig als auch gleichphasig bewegen können.
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In 4 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10 und ein zweites Masseelement 20. Die beiden Masseelemente sind jeweils teilweise in einer ersten Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, insbesondere sind ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Masseelemente 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 aneinander gekoppelt. Die Koppelstruktur weist einen ersten Koppelbereich 31 auf, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet ist. Die Koppelstruktur 31 ist als dünne Schubstange ausgebildet und steif in eine erste Haupterstreckungsrichtung 110 des Substrats. Die gezeigte Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der eingezeichneten gestrichelten Pfeile, also insbesondere in eine zweite Haupterstreckungsrichtung 120 des Substrats und in die Erstreckungsrichtung 200, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats verläuft. Ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 kann beispielsweise oberhalb der Koppelstruktur 30 angeordnet werden. Dies ist in 4 durch den gestrichelten Körper 70 dargestellt.
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In 5 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in 4 gezeigten zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung, welche beispielsweise durch Temperatureffekte bedingt sein kann. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 asymmetrisch gekoppelt sind, führt eine derartige Stresseinkoppplung zu einer Ausweichbewegung der Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten gezeigten Anordnung in Richtung des dicken gestrichelten Pfeils (also in negative Erstreckungsrichtung 200).
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In 6 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10, ein zweites Masseelement 20, ein weiteres erstes Masseelement 10' und ein weiteres zweites Masseelement 20'. Das erste und zweite Masseelement 10, 20 sind in einer ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet. Das weitere erste und das weitere zweite Masseelement 10', 20' sind in einer vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet. Die vierte Funktionsschicht 4 ist oberhalb der zweiten Funktionsschicht 2 angeordnet. Des Weiteren ist eine Koppelstruktur 30 dargestellt. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbreich 31, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet ist, einen zweiten Koppelbereich 32, welcher in der zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet ist, und einen weiteren Koppelbereich 34, welcher in der vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet ist. Die Koppelstruktur verbindet das erste Masseelement 10 mechanisch mit dem weiteren zweiten Masseelement 20'. Des Weiteren ist eine zusätzliche Koppelstruktur 30'. Die zusätzliche Koppelstruktur 30' ist teilweise in der ersten Haupterstreckungsrichtung 110 zwischen dem ersten und zweiten Masseelement 10, 20 angeordnet. Sie umfasst einen zusätzlichen Koppelbereich 31' und einen zusätzlichen weiteren Koppelbereich 32'. Der zusätzliche Koppelbereich 31' ist in der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 angeordnet. Der zusätzliche weitere Koppelbereich 32' ist in der vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet. Durch die zusätzlichen Koppelstruktur 30' sind das zweite Masseelement 20 und das weitere erste Masseelement 10' miteinander mechanisch verbunden und gekoppelt. Durch die dargestellte Ausführungsform sind parallele Bewegungen der jeweils gekoppelten Masseelemente 10, 20', 10', 20 in der Haupterstreckungsebene 110, 120 möglich, antiparallele Bewegungen werden unterdrückt. Abhängig vom Dickenverhältnis der ersten und zweiten Funktionsschichten 1, 2 zur vierten Funktionsschicht 4 sind insbesondere Knickbewegungen in die Erstreckungsrichtung 200 möglich oder werden andernfalls unterdrück, beispielsweise für dicke Funktionsschichten 1, 2, 4. Mit der gezeigten Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, Masseelemente zu realisieren, die übereinander (in Erstreckungsrichtung 200) angeordnet sind und in die erste oder zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 gegeneinander schwingen können Mögliche Schwingungsrichtungen der einzelnen Masseelemente 10, 10', 20, 20' sind durch die vollen und gestrichelten Pfeile dargestellt.
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In 7 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform umfasst die bereits in 1 dargestellten Komponenten. Des Weiteren ist eine dritte Funktionsschicht 3 dargestellt, welche zwischen dem Substrat und der ersten Funktionsschicht 3 angeordnet ist. Das erste Masseelement 10 umfasst einen dritten Massebereich 13, der in der dritten Funktionsschicht 3 ausgebildet ist. Das zweite Masseelement 20 umfasst einen weiteren dritten Massebereich 23, welcher ebenso in der dritten Funktionsschicht 3 ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass eine Koppelstruktur 10, welche das erste und zweite Masseelement 10, 20 verbindet mittig (sowohl in Bezug auf die erste und zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 als auch auf die Erstreckungsrichtung 200 senkrecht dazu) an dem ersten und zweiten Masseelement 10, 20 angeordnet ist. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 symmetrisch gekoppelt sind, findet selbst unter einer solchen Stresseinkopplung in vorteilhafter Weise keine Ausgleichsbewegung der Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten dargestellten Anordnung statt (dicke gestrichelte Pfeile).
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In 8 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die fünfte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der vierten beispielhaften Ausführungsform (7) mit dem Unterschied, dass die Koppelstruktur 30 in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 eine klar größere Ausdehnung aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120. Hierdurch ist es möglich, zwei Masseelemente 10, 20 miteinander zu koppeln, sodass diese eine relative Bewegung in die Erstreckungsrichtung 200 und die zweite Haupterstreckungsrichtung 120 ausführen können, jedoch dennoch unter Stresseinkopplung von außen (dicke volle Pfeile) keine Ausgleichsbewegung in Erstreckungsrichtung 200 stattfindet (dicke gestrichelte Pfeile).
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In 9 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die sechste beispielhafte Ausführungsform ähnelt der fünften beispielhaften Ausführungsform (8). Es ist zusätzlich ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 dargestellt, welches die Koppelstruktur 30 teilweise umgibt. Des Weiteren symbolisieren die gestrichelten Pfeile die in dieser Ausführungsform möglichen Bewegungen des ersten und zweiten Masseelements 10, 20 in die Erstreckungsrichtung 200 und die zweite Haupterstreckungsrichtung 120.
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In 10 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein erstes und ein zweites Masseelement 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 mechanisch gekoppelt. Die beiden Masseelemente 10, 20 sind jeweils teilweise in einer ersten Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, wobei ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet sind und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbereich 31, ausgebildet in der ersten Funktionsschicht 1, und einen zweiten Koppelbereich 32, ausgebildet in der zweiten Funktionsschicht 2. Der erste und zweite Koppelbereich 31, 32 besitzen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 eine größere Ausdehnung als in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120. Insbesondere grenzt nur der erste Koppelbereich 31 und nicht der zweite Koppelbereich 32 direkt an die Masseelemente 10, 20. Dadurch (und durch die geringe Ausdehnung des ersten Koppelbereichs 31 in die Erstreckungsrichtung 200) sind Schwingungen der Masseelemente 10, 20 in die Erstreckungsrichtung 200 möglich (dargestellt durch die vollen Pfeile, die in positive und negative Erstreckungsrichtung 200 zeigen). Des Weiteren umfasst die Koppelstruktur 30 zwei Verankerungen 50, mittels derer die Koppelstruktur 30 an das Substrat koppelbar ist. Die Haupterstreckungsrichtung der Verankerungen 50 fällt mit der zweiten Haupterstreckungsrichtung 120 des Substrats zusammen. Die Verankerungen 50 sind in der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet. Des Weiteren sind die Verankerungen 50 mittig (mit Bezug auf die erste Haupterstreckungsrichtung 110) zwischen dem ersten und zweiten Masseelement angeordnet und damit ebenso mittig an dem ersten und zweiten Koppelbereich 31, 32, wodurch sich eine Form eines Torsionsbalkens ergibt. Dadurch ist die gezeigte Anordnung als Wippenstruktur mit einem Scharnier ausgebildet (die Bewegungen entlang der eingezeichneten gebogenen vollen Pfeile ermöglicht). Bei der gezeigten Ausführungsform sind Bewegungen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 nur teilweise unterdrückt, da die Verankerungen 50 in diese Richtung 110 nur eine geringe Ausdehnung aufweisen, und somit eine vergleichsweise geringe Steifigkeit. Dies ist durch die gestrichelten Pfeile dargestellt.
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In 11 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die achte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der siebten beispielhaften Ausführungsform (10). Die Verankerungen 50, welche als Teil der Koppelstruktur 30 ausgebildet sind, weisen jedoch in dieser Ausführungsform eine T-förmige Querschnittsfläche auf. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Verankerungen 50 in der ersten Funktionsschicht 1 einen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 verbreiterten ersten Verankerungsbereich aufweisen (welcher in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 breiter ist als ein in der zweiten Funktionsschicht 2 angeordneter zweiter Verankerungsbereich der Verankerungen 50). Dadurch ist die Koppelstruktur 30 in der achten beispielhaften Ausführungsform in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 steifer als in der siebten beispielhaften Ausführungsform (10) und Schwingungen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 sind unterdrückt. Die Aufhängung der Wippe durch einen Torsionsbalken mit T-Profil ist insbesondere in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 und die Erstreckungsrichtung 200 biegesteif (im Verhältnis zur Torsionssteifigkeit).
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In 12 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gezeigte neunte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der in 11 gezeigten achten beispielhaften Ausführungsform. Bei der neunten beispielhaften Ausführungsform ist jedoch eine dritte Funktionsschicht 3 vorhanden. In dieser dritten Funktionsschicht 3 sind sowohl ein dritter Massebereich 13 des ersten Masseelements 10, ein weiterer dritter Massebereich 23 des zweiten Masseelements 20 als auch ein dritter Koppelbereich 33 der Koppelstruktur 30 angeordnet. Des Weiteren umfassen die Verankerungen 50 jeweils einen dritten Verankerungsbereich, der in der dritten Funktionsschicht 50 ausgebildet ist. Insbesondere ergibt sich dadurch ein kreuzförmiger Querschnitt der Verankerungen 50. Die gesamte dargestellte Anordnung ist spiegelsymmetrisch ausgebildet mit Bezug auf eine Symmetrieebene, welche parallel zur Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats angeordnet ist und mittig durch die Masseelemente 10, 20 und die Koppelstruktur 30 verläuft.
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In 13 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere sind eine Koppelstruktur 30, und zwei weitere Koppelstrukturen 30" dargestellt. Die (weiteren) Koppelstrukturen 30, 30" sind in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 nebeneinander und direkt aneinander angrenzend angeordnet. Die Koppelstrukturen 30, 30" ergeben zusammen eine mechanische Verbindung zwischen zwei Masseelementen, welche nicht dargestellt sind. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbereich 31, angeordnet in einer ersten Funktionsschicht 1, und einen zweiten Koppelbereich 32, angeordnet in einer zweiten Funktionsschicht 2. Des Weiteren umfasst die Koppelstruktur 30 zwei Verankerungen 50 am Substrat, welche sich vornehmlich in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120 erstrecken. Die Verankerungen 50 sind ebenfalls teilweise in der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet und besitzen einen T-förmigen Querschnitt. Die weiteren Koppelstrukturen sind 30" gleichen im Wesentlichen der Koppelstruktur 30. Die gezeigten (weiteren) Koppelstrukturen 30, 30" ermöglichen lokale Bewegungen, welche durch die vollen Pfeile dargestellt sind. Durch die Scharnierfedern ergibt sich eine Anordnung von Koppelstrukturen 30, 30", die ausschließlich Bewegungen in die Erstreckungsrichtung 200 begünstigt. Benachbarte Verbindungsknoten zwischen den Koppelstrukturen 30, 30"bewegen sich gegenphasig (symbolisiert durch die vollen Pfeile in positive und negative Erstreckungsrichtung 200).
