-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Drehratensensoren sind spezielle mikroelektromechanische Systeme (MEMS), mit welchen Drehraten gemessen werden können. Typischerweise werden derartige Sensoren auf Silizium-basierten Substraten hergestellt. Insbesondere in Automotive-Anwendungen kommen häufig Drehratensensoren zum Einsatz, die typischerweise Drehraten um nur eine Achse messen können. Auch zweiachsige Drehratensensoren für Automotive Anwendungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass eine Messung von Drehraten, die in unterschiedliche Richtungen anliegen können, mit hoher Präzision und mit hoher Zuverlässigkeit/Robustheit nicht realisierbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Drehratensensor vorzuschlagen, der Drehratenmessungen um drei Achsen erlaubt und gleichzeitig robust gegenüber äußeren Linear- und/oder Drehbeschleunigungen ist, um insbesondere eine vorteilhafte Zuverlässigkeit/Sicherheit zu gewährleisten.
-
Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Drehratensensor eine Sensoranordnung aufweist, wobei die Sensoranordnung zur Detektion einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats anliegenden Drehrate ausgebildet ist, wobei sowohl die Sensoranordnung als auch die Rotationselementanordnung, welche zur Detektion von Drehraten anliegend in einer ersten Haupterstreckungsachse des Substrats und einer zur ersten Haupterstreckungsachse senkrechten zweiten Haupterstreckungsachse des Substrats ausgebildet ist, mithilfe einer Antriebsanordnung antreibbar sind, wobei die Antriebsanordnung zur Antriebsbewegung entlang der ersten Haupterstreckungsachse ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist es hierdurch in vorteilhafter Weise möglich, dass sowohl die Rotationselementanordnung als auch die Sensoranordnung mithilfe der gleichen Antriebsanordnung (beispielsweise dem gleichen Antriebsrahmen) antreibbar sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in den Sensorkernen andere Antriebsstrukturen sowie Anschlusspads und die dazugehörigen Verdrahtungen eingespart werden können. Durch den gemeinsamen Antrieb kann auch die betroffene anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) kompakter gebaut werden, insbesondere da nur ein Antriebsregelkreis zur Verfügung gestellt werden muss. Der Vorteil des gemeinsamen Antriebs liegt insbesondere auch in der Vermeidung von unterschiedlichen Antriebsfrequenzen der einzelnen Sensorkerne. So ist eine gegenseitige Beeinflussung, z.B. durch parasitäres Übersprechen der Antriebskräfte, erfindungsgemäß minimierbar. Außerdem ist es möglich, dass das Packaging einfacher wird und dass mögliche Fehlstellungen der Messachsen zueinander durch die Toleranzen der monolithischen Sensorfertigung bestimmt werden, wodurch solche um Größenordnungen reduzierbar sind gegenüber der Anordnung von Einzelkernen mittels Aufbau- und Verbindungstechnik. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen mehrachsigen Sensordesigns ist die Vermeidung von Störmoden, die auf verschiedene Arten zu einem Fehlsignal des Sensors führen können, z.B. durch (resonante) Anregung mittels äußerer Kräfte (Vibration) oder durch nichtlineares Übersprechen in der Mechanik oder der Elektrostatik des Systems. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass eine besonders vorteilhafte Zuverlässigkeit und Sicherheit des Drehratensensors erzielbar ist, was beispielsweise einen Einsatz im Automotive-Bereich ermöglicht.
-
Im Gegenteil dazu haben, bei der Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten System mit drei (identischen) einachsige Sensoren (und separaten Antriebsstrukturen), alle Sensoren die gleichen Störmoden, die prozessbedingt bei leicht unterschiedlichen Frequenzen liegen, so dass sich insgesamt die Zahl der Störmoden bei solchen aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren in einem betrachteten Frequenzbereich nachteilhaft verdreifacht.
-
In einem erfindungsgemäßen mehrachsigen Sensorelement ist es möglich, das Sensorelement so auszulegen, dass es weniger als die dreifache Zahl an Störmoden aufweist. Eine deutliche Reduzierung der Störmoden ist bei einem dreiachsigen Sensorelement insbesondere dann möglich, wenn dieselben Detektionsstrukturen jeweils für mehr als nur eine Messachse sensitiv ausgelegt sind.
-
Unter einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats anliegenden Drehrate wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Drehachse der betroffenen Drehrate senkrecht auf der Haupterstreckungsebene des Substrats steht. Entsprechendes gilt für die in die erste bzw. zweite Haupterstreckungsachse des Substrats anliegenden Drehraten.
-
Dadurch, dass die Rotationselementanordnung ein erstes Rotationselement und ein zweites Rotationselement umfasst, wobei das erste Rotationselement mithilfe der Antriebsanordnung um eine erste Drehachse antreibbar ist, wobei das zweite Rotationselement mithilfe der Antriebsanordnung um eine zweite Drehachse antreibbar ist, wobei die erste Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, wobei die zweite Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, dass äußere Linear- und Drehbeschleunigungen kein (bzw. ein minimiertes) differentielles Signal erzeugen. Es ist dadurch möglich, dass eine vibrationsrobuste Messung der Drehrate um zwei Achsen (erste und zweite Haupterstreckungsachse des Substrats) durchführbar ist. Des Weiteren ist es möglich, dass dadurch Störmoden nur reduziert auftreten. Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung des Weiteren möglich, dass Detektionselektroden unterhalb des ersten und zweiten Rotationselements angeordnet sind, mithilfe derer eine Verkippung der Rotationselemente um die erste und/oder zweite Haupterstreckungsachse messbar sind.
-
Dadurch, dass die Sensoranordnung eine erste Masse, eine zweite Masse und eine dritte Masse umfasst, wobei die erste und die zweite Masse, zumindest teilweise, während der Antriebsbewegung zur gleichsinnigen Bewegung ausgebildet sind, wobei die dritte Masse, zumindest teilweise, während der Antriebsbewegung zu einer zur Bewegung der ersten und zweiten Masse gegensinnigen Bewegung ausgebildet ist, wobei die dritte Masse insbesondere in eine Richtung parallel zur zweiten Haupterstreckungsachse des Substrats zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse angeordnet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine besonders vorteilhafte Ausbildungsform der Sensoranordnung mit drei Massen realisierbar ist. Als gleichsinnige Bewegung ist dabei zu verstehen, dass sich die erste und zweite Masse gleichzeitig in eine (die gleiche) Richtung entlang der ersten Haupterstreckungsachse bewegen. Die dritte Masse bewegt sich währenddessen dazu gegensinnig, also in die entgegengesetzte Richtung.
-
Es ist prinzipiell möglich, dass die erste, zweite und dritte Masse - jeweils vollumfänglich oder jeweils nur teilweise (beispielsweise nur eine Antriebsrahmenkomponente der jeweiligen Masse) - die jeweilige Antriebsbewegung vollziehen,
-
Es ist besonders bevorzugt, dass die dritte Masse im Wesentlichen doppelt so schwer ist wie jeweils die erste und zweite Masse.
-
Dadurch, dass der ersten Masse eine erste Antriebsstruktur der Antriebsanordnung zugeordnet ist, wobei die erste Antriebsstruktur mechanisch mit dem ersten Rotationselement verbunden ist, wobei der zweiten Masse eine zweite Antriebsstruktur der Antriebsanordnung zugeordnet ist, wobei die zweite Antriebsstruktur mechanisch mit dem zweiten Rotationselement verbunden ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine vorteilhafte Kopplung der Sensoranordnung und der Rotationselementanordnung ermöglicht wird. Dies erlaubt einen besonders vorteilhaften beidseitigen Antrieb der beiden Rotationselemente. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass die erste Masse mithilfe eines ersten Balkens oder Steges (und insbesondere zusätzlich über eine Feder) an das erste Rotationselement gekoppelt ist und die zweite Masse mithilfe eines zweiten Balkens oder Steges (und insbesondere zusätzlich über eine Feder) an das zweite Rotationselement gekoppelt ist. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass während der Antriebsbewegung eine parallele Antriebsbewegung der ersten und zweiten Masse entlang der ersten Haupterstreckungsachse vollziehbar ist und sich diese Bewegung der Massen in eine Rotationsbewegung des ersten und zweiten Rotationselements fortsetzt und zwar insbesondere derart, dass das erste und zweite Rotationselement relativ zueinander eine gegenphasige Rotationsbewegung um die erste bzw. zweite Drehachse vollziehen.
-
Dadurch, dass das erste Rotationselement und das zweite Rotationselement mithilfe der Federstruktur verbunden sind, insbesondere derart, dass eine parallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die erste Haupterstreckungsachse unterdrückt ist und eine antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die erste Haupterstreckungsachse ermöglicht ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine besonders vorteilhafte Kopplung des ersten und zweiten Rotationselements realisierbar ist. Es ist bevorzugt möglich, dass die Federstruktur mit mindestens einer Stegstruktur der dritten Antriebsstruktur verbunden ist, insbesondere derart, dass mithilfe der Federstruktur und der Stegstruktur eine mechanische Verbindung zwischen der dritten Masse und dem ersten Rotationselement sowie dem zweiten Rotationselement hergestellt ist.
-
Dadurch, dass das erste Rotationselement und das zweite Rotationselement mithilfe einer Koppelstruktur mechanisch verbunden sind, wobei die Koppelstruktur insbesondere mindestens eine Wippenstruktur umfasst, wobei die Wippenstruktur derart ausgebildet ist, dass eine parallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die zweite Haupterstreckungsachse unterdrückt ist und eine antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die zweite Haupterstreckungsachse ermöglich ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass in Richtung der zweiten Haupterstreckungsachse lediglich antiparallele Verkippungen des ersten und zweiten Rotationselements möglich sind, was in vorteilhafter Weise eine rein antiparallel Detektionsbewegung der beiden Rotationselemente erlaubt.
-
Dadurch, dass das erste Rotationselement und das zweite Rotationselement mithilfe einer weiteren Koppelstruktur mechanisch verbunden sind, wobei die weitere Koppelstruktur von mindestens einer Stegstruktur der dritten Antriebsstruktur gekreuzt wird, wobei die Stegstruktur bevorzugt im Kreuzungsbereich in einer zusätzlichen Schicht unterhalb der weiteren Koppelstruktur angeordnet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die dritte Antriebsstruktur bevorzugt mit dem ersten und zweiten Rotationselement, insbesondere im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Rotationselement (in Richtung der zweiten Haupterstreckungsachse), verbunden ist. Besonders bevorzugt ist es, dass die dritte Antriebsstruktur mit der zwischen dem ersten und zweiten Rotationselement angeordneten Federstruktur verbunden ist.
-
Dadurch, dass das erste Rotationselement mithilfe einer ersten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist, wobei das zweite Rotationselement mithilfe einer zweiten Aufhängung mit dem Substrat verbunden ist, wobei insbesondere die erste Aufhängung teilweise in einer mittigen Aussparung im ersten Rotationselement angeordnet ist, wobei insbesondere die zweite Aufhängung teilweise in einer mittigen Aussparung im zweiten Rotationselement angeordnet ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine vorteilhafte Rotation des ersten und des zweiten Rotationselements um die erste bzw. zweite Drehachse möglich ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste und zweite Aufhängung derart ausgebildet sind, dass das erste und zweite Rotationselement jeweils um die erste bzw. zweite Drehachse rotieren können und gleichzeitig um die erste und zweite Haupterstreckungsachse verkippbar sind.
-
Dadurch, dass die erste Masse mithilfe einer ersten Federanordnung mit der dritten Masse verbunden ist, wobei die zweite Masse mithilfe einer zweiten Federanordnung mit der dritten Masse verbunden ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Sensoranordnung in besonders vorteilhafter Weise zur Detektion von senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats anliegenden Drehraten ausgebildet ist. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die erste und zweite Federanordnung derart ausgebildet sind, dass sie eine gegenphasige Bewegung der ersten und dritten Massen sowie der zweiten und dritten Masse in die zweite Haupterstreckungsachse ermöglichen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass ein von der ersten Masse umfasster Teilbereich der ersten Antriebsanordnung (ein erster Teil eines Antriebsrahmens) mit einem von der dritten Masse umfassten Teilbereich der dritten Antriebsanordnung (ein dritter Teil eines Antriebsrahmens) mithilfe der ersten Federanordnung verbunden ist. Ebenso ist es bevorzugt, dass ein von der zweiten Masse umfasster Teilbereich der zweiten Antriebsanordnung (ein zweiter Teil eines Antriebsrahmens) mit einem von der dritten Masse umfassten Teilbereich der dritten Antriebsanordnung (ein dritter Teil eines Antriebsrahmens) mithilfe der zweiten Federanordnung verbunden ist.
-
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.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- In 4, 5 und 6 sind schematische Aufsichten auf eine erste Aufhängung 11 bzw. zweite Aufhängung 21 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
- 7 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 8 zeigt schematisch einen Teilbereich eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 9 zeigt schematisch einen Teilbereich eines Drehratensensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
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.
-
Beispielhafte Rotationselementanordnungen 10, 20, die zur Detektion von Drehraten anliegend in eine erste Haupterstreckungsachse 100 des Substrats und von Drehraten anliegend in eine zur ersten Haupterstreckungsachse 100 senkrechten zweite Haupterstreckungsachse 100 des Substrats ausgebildet sind, sind in den 1, 2, 3 und 7 gezeigt.
-
Beispielhafte Sensoranordnungen 40, die zur Detektion einer senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 100, 200 des Substrats anliegenden Drehrate ausgebildet sind, sind in den 1, 2, 3 und 7 dargestellt.
-
In 1 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drehratensensor 1 umfasst eine Rotationselementanordnung 10, 20 zur Detektion von Drehraten anliegend in eine erste Haupterstreckungsachse 100 des Substrats und eine zur ersten Haupterstreckungsachse 100 senkrechten zweiten Haupterstreckungsachse 200 des Substrats. Die Rotationselementanordnung 10, 20 umfasst ein erstes Rotationselement 10 und ein zweites Rotationselement 20, wobei das erste Rotationselement 10 durch die Antriebsanordnung 30 um eine erste Drehachse antreibbar ist und das zweite Rotationselement 20 durch die Antriebsanordnung 30 um eine zweite Drehachse antreibbar ist. Das erste und zweite Rotationselement 10, 20 weisen jeweils eine mittige Aussparung auf. Die erste und zweite Drehachse stehen senkrecht auf der Haupterstreckungsebene 100, 200. Dabei ist das erste Rotationselement 10 mithilfe einer ersten Aufhängung 11 mit dem Substrat verbunden und das zweite Rotationselement 20 mithilfe einer zweiten Aufhängung 21 mit dem Substrat verbunden. Die erste Aufhängung 11 ist (zumindest teilweise) in der mittigen Aussparung im ersten Rotationselement 10 angeordnet und die zweite Aufhängung 21 ist (zumindest teilweise) in der mittigen Aussparung im zweiten Rotationselement 20 angeordnet. Die Antriebsbewegung des ersten und zweiten Rotationselements 10, 20 erfolgt dabei gegenphasig, wie durch die in den Rotationselements 10, 20 eingezeichneten Pfeile verdeutlich ist. Unterhalb und/oder oberhalb der Rotationselemente 10, 20 sind bevorzugt Detektionselektroden angebracht, welche nicht dargestellt sind. Mithilfe solcher Detektionselektroden kann eine Verkippung der Rotationselemente 10, 20 detektiert werden. Des Weiteren umfasst der Drehratensensor 1 eine Sensoranordnung 40. Die Sensoranordnung 40 ist zur Detektion einer senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 100, 200 des Substrats anliegenden Drehrate ausgebildet. Sowohl die Sensoranordnung 40 als auch die Rotationselementanordnung 10, 20 können mithilfe einer Antriebsanordnung 30 angetrieben werden. Die Antriebsanordnung 30 ist dabei zur Antriebsbewegung entlang der ersten Haupterstreckungsachse 100 ausgebildet ist. Die Antriebsanordnung 30 umfasst eine erste Antriebsstruktur 31, eine zweite Antriebsstruktur 32 und eine dritte Antriebsstruktur 33. Der ersten Antriebsstruktur 31 ist eine erste Masse 41 der Sensoranordnung 40 zugeordnet. Die erste Antriebsstruktur 31 umfasst insbesondere einen Balken. Mithilfe des Balkens (und zusätzlich mithilfe einer Feder) ist die erste Masse 41 mit dem ersten Rotationselement 10 verbunden Der zweiten Antriebsstruktur 32 ist eine zweite Masse 42 der Sensoranordnung 40 zugeordnet. Die zweite Antriebsstruktur 32 umfasst insbesondere einen Balken. Mithilfe des Balkens (und zusätzlich einer Feder) ist die zweite Masse 42 mit dem zweiten Rotationselement 20 verbunden. Des Weiteren umfasst die Sensoranordnung 40 eine dritte Masse 43. Die erste und die zweite Masse 41, 42 sind während der Antriebsbewegung zur gleichsinnigen Bewegung ausgebildet. Die dritte Masse 43 ist während der Antriebsbewegung zu einer zur Bewegung der ersten und zweiten Masse 41, 42 gegensinnigen Bewegung ausgebildet (bezüglich der ersten Haupterstreckungsachse 100). Dies ist durch die an den Massen 41, 42, 43 eingezeichneten Pfeile verdeutlicht. Die erste, zweite und dritte Masse 41, 42, 43 sind in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen nebeneinander parallel zur zweiten Haupterstreckungsachse 200 ausgebildet. Hierbei sind die die erste Masse 41 und die dritte Masse 43 mithilfe einer ersten Federanordnung 37 verbunden und die dritte Masse 43 und die zweite Masse 42 mithilfe einer zweiten Federanordnung 38 verbunden. Die erste und zweite Federanordnung (bzw. Koppelstrukturen) 37, 38 sind dabei derart ausgebildet, dass sie die antisymmetrische Bewegung der Massen 41, 42, 43, also die gleichphasige Bewegung der ersten und zweiten Masse und die dazu gegenphasige Bewegung der dritten Masse, in Richtung der zweiten Haupterstreckungsachse 200 zulassen (veranschaulicht durch die eingezeichneten Pfeile). Zwischen dem ersten Rotationselement 10 und dem zweiten Rotationselement 20 ist ein eine Federstruktur 70 angeordnet, die die beiden Rotationselemente 10, 20 miteinander verbindet. Die Federstruktur 70 ist insbesondere derart ausgebildet, dass eine parallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements 10, 20 um die erste Haupterstreckungsachse 100 unterdrückt ist und eine antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die erste Haupterstreckungsachse 100 ermöglicht ist. Die Federstruktur 70 ist mit einer Stegstruktur 45 der dritten Antriebsstruktur 33 der Antriebsanordnung 30 verbunden. Die Stegstruktur 45 umfasst insbesondere zwei Balken, die sich parallel in Richtung der ersten Haupterstreckungsachse erstecken und über eine Querstrebe mit der Federstruktur 70 verbunden sind. Durch die Federstruktur 70 und die Stegstruktur 45 ist eine mechanische Verbindung zwischen der dritten Masse 43 und dem ersten Rotationselement 10 sowie dem zweiten Rotationselement 20 hergestellt. Das erste Rotationselement 10 und das zweite Rotationselement 20 sind weiterhin durch eine Koppelstruktur 60 und eine weitere Koppelstruktur 63 mechanisch verbunden. Die Koppelstruktur 60 umfasst eine Wippenstruktur 61, die eine parallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements 10, 20 um die zweite Haupterstreckungsachse 200 unterdrückt und eine antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die zweite Haupterstreckungsachse 200 ermöglicht. Die ermöglichte antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements 10, 20 in die Richtung parallel zur zweiten Haupterstreckungsachse 200 und die Richtung parallel zur ersten Haupterstreckungsachse 100 ist durch die senkrecht zur Aufsicht (und damit zur Haupterstreckungsebene 100, 200) dargestellten Pfeile (also die Kreuze und Punkte) im ersten und zweiten Rotationselement 10, 20 veranschaulicht. Die weitere Koppelstruktur 63 wird von der Stegstruktur 45, insbesondere von den beiden Balken der Stegstruktur 45, berührungslos gekreuzt. Dies ist möglich, da die Stegstruktur 45 (bzw. die beiden Balken) in diesem Kreuzungsbereich 81 in einer zusätzlichen Schicht ausgebildet ist, welche sich unterhalb (also näher am Substrat) befindet als die weitere Koppelstruktur 63 und insbesondere auch als die restlichen Bereiche der Stegstruktur 45 außerhalb des Kreuzungsbereichs 81. Die weitere Koppelstruktur 63 umfasst eine weitere Wippenstruktur 61, die eine parallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements 10, 20 um die zweite Haupterstreckungsachse 200 unterdrückt und eine antiparallele Verkippung des ersten und zweiten Rotationselements um die zweite Haupterstreckungsachse 200 ermöglicht. Erfindungsgemäß ist es möglich, dass das erste Rotationselement 10, das zweite Rotationselement 20 sowie die Sensoranordnung 40 mittels der gleichen Antriebsanordnung 30 antreibbar sind. Dies bedeutet insbesondere, dass mithilfe der ersten, zweiten und dritten Antriebsstruktur 31, 32, 33 eine Antriebsbewegung der ersten, zweiten und dritte Masse 41, 42, 43 entlang der ersten Haupterstreckungsachse 100 an die Rotationselemente 10, 20 weitergegeben wird und die Rotationselemente 10, 20 dadurch um die erste und zweite Drehachse antreibbar sind.
-
In 2 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die zweite Ausführungsform ähnelt dabei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass keine weitere Koppelstruktur 63 vorhanden ist. Dadurch ist es möglich, dass die Stegstruktur 45 (und insbesondere deren Balken) nicht in einem Kreuzungsbereich 81 in einer zusätzlichen Schicht angeordnet ist, sondern in der gleichen Schicht wie die übrigen Elemente.
-
In 3 ist eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die dritte Ausführungsform ähnelt dabei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass keine Stegstruktur 45 vorhanden ist. Dadurch ist keine mechanische Verbindung zwischen der Federstruktur 70 und der dritten Masse 43 hergestellt.
-
In 4, 5 und 6 sind schematische Aufsichten auf eine erste Aufhängung 11 eines ersten Rotationselements 10 bzw. eine zweite Aufhängung 21 eines zweiten Rotationselements 20 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die erste und zweite Aufhängung 11, 21 am Substrat ist jeweils derart ausgestaltet, dass das erste bzw. zweite Rotationselement 10, 20 eine Drehbewegung/Rotationsbewegung um die erste Drehachse bzw. um die zweite Drehachse senkrecht zur Haupterstreckungsfläche 100, 200 des Substrats vollziehen kann und gleichzeitig ein Kippen des ersten bzw. zweiten Rotationselements 10, 20 um die erste und zweite Haupterstreckungsachse 100, 200 (bzw. um Achsen parallel zu diesen) möglich ist.
-
In 7 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Drehratensensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die vierte Ausführungsform umfasst dabei die in 1 schematisch dargestellten Komponenten. Des Weiteren umfasst in der vierten Ausführungsform die Sensoranordnung 40 eine Detektionsstruktur, die sich in Detektionsrichtung bewegen kann, eine Coriolisstruktur, die sich in Antriebsrichtung und Detektionsrichtung bewegen kann, und eine Antriebsstruktur, die sich in Antriebsrichtung bewegen kann. Jede der Massen 41, 42, und 43 umfasst jeweils einen Teilbereich der Detektionsstruktur, Coriolisstruktur und Antriebsstruktur. Für die zweite Masse 42 sind der zugehörige Teilbereich der Coriolisstruktur 42' und der Detektionsstruktur 42" mit Referenzzeichen versehen. Die Coriolisstruktur ist mit der Antriebsstruktur über Federn verbunden. Ebenso ist die Coriolisstruktur mit der Detektionsstruktur über Federn verbunden. Bei der dritten Masse 43 ist der Coriolisrahmen durch den Antriebsrahmen getrennt. Um eine gemeinsame Detektionsmode zu gewährleisten, kann über die zusätzliche Schicht eine Verbindung 80 hergestellt werden. Die Teilbereiche der Detektionsstruktur der verschiedenen Massen 41, 42, 43 sind jeweils über ein Koppelkreuz verbunden, welches eine gegenphasige Bewegung zweier benachbarter Massen erlaubt und eine gleichphasige Bewegung unterdrückt. Die einzelnen Teilbereiche des Antriebsrahmens sind über Koppelstrukturen 37, 38 (Koppelwippen) verbunden, die ebenfalls die gegenphasige Bewegung benachbarter Massen 41, 42, 43 in der Antriebsmode erlauben und die gleichphasige Bewegung unterdrücken. Die Antriebsanordnung 30 umfasst die Antriebsstrukturen der ersten, zweiten und dritten Masse 41, 42, 43 und ist zusätzlich als umlaufender Rahmen (insbesondere mit kleinen Unterbrechungen) um die Rotationselemente 10, 20 und die Coriolisstrukturen der Sensoranordnung 40 ausgebildet und auch zwischen den Rotationselementen 10, 20 mithilfe der Stegstruktur 45, Federstruktur 70 und einer weiteren Stegstruktur verbunden. Zur Durchführung der Antriebsanordnung 30 unter oder über der Koppelstruktur 60 bzw. der weiteren Koppelstruktur 63 wird die zusätzliche Schicht verwendet. Die zusätzliche Schicht kann erfindungsgemäß deutlich dünner ausgeführt werden als die Schicht in der die anderen Komponenten angeordnet sind (wie beispielsweise in 8 dargestellt), so dass die Stegstruktur 45 bzw. die weitere Stegstruktur als Biegefedern für Bewegungen aus der Haupterstreckungsebene 100, 200 heraus verwendbar sind. Für die Detektionsbewegung, bei der die Rotationselemente 10, 20 um die erste Haupterstreckungsachse 100 verkippen, ist es vorteilhaft, wenn sich die Antriebsanordnung 30 (bzw. der Antriebsrahmen) in der Nähe der Anbindung zu den Rotationselementen 10, 20 aus der Ebene heraus bewegen kann. Dies wird in dieser Ausführungsform durch weitere Strukturen in der zusätzlichen Schicht in der Nähe der Federstruktur 70 und an den äußeren Rahmen realisiert.
-
In einer alternativen Ausprägung kann die Sensoranordnung 40 auch nur aus zwei Rahmen bestehen. Die Detektionsstrukturen sind dann in den Coriolisrahmen integriert und bewegen sich in der Antriebsbewegung mit.
-
In 8 ist schematisch ein Teilbereich eines Drehratensensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere ist durch die perspektivische Sicht die zusätzliche Schicht zu erkennen. In dieser zusätzlichen Schicht ist die Stegstruktur 45 im Kreuzungsbereich 81 mit der weiteren Koppelstruktur 63 angeordnet. Bevorzugt ist die zusätzliche Schicht dünner als die Schicht in der die anderen Elemente des Drehratensensors 1 hauptsächlich ausgebildet sind.
-
In 9 ist schematisch ein Teilbereich eines Drehratensensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist im Kreuzungsbereich 81 der weiteren Koppelstruktur 63 und der Stegstruktur 45 die weitere Koppelstruktur 63 in der zusätzlichen Schicht angeordnet (und nicht die Stegstruktur 45). Die weitere Koppelstruktur 63 umfasst hier drei Wippenstrukturen 61. Durch die dreifache Wippenstruktur wird eine gewünschte Detektionsbewegung der Rotationselemente 10, 20 ermöglicht, wie durch in die Ebene hinein und aus der Ebene herauszeigenden Pfeile dargestellt ist. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform, dass die dünnere zusätzliche Schicht in der Antriebsbewegung ruht und nicht belastet wird. Die Koppelstruktur 60 weist die gleichen oben beschriebenen Merkmale auf wie die weitere Koppelstruktur 63.
