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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung, ein Drehraten-Sensorarray und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2017/216010 A1 und der
US 2019/0078887 A1 sind eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung bekannt. Diese weist eine rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung und eine linear oszillierend antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung auf. Weitere Drehratensensoren sind bekannt aus
DE 10 2010 062 095 A1 ,
WO 96/39615 A1 ,
DE 10 2010 061 755 A1 und
DE 10 2011 006 394 A1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung nach Anspruch 1, ein mikromechanisches Drehraten-Sensorarray nach Anspruch 12 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 13.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die Erfindung schafft demnach eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung, welche aufweist: eine rotatorisch um eine erste Achse oszillierend durch eine Antriebseinrichtung über eine Antriebsrahmeneinrichtung antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung zum Erfassen einer ersten äußeren Drehrate um eine zweite Achse und einer zweiten äußeren Drehrate um eine dritte Achse, wobei die erste, zweite und dritte Achse senkrecht zueinander angeordnet sind; und eine linear oszillierend entlang der dritten Achse durch die Antriebseinrichtung über die Antriebsrahmeneinrichtung antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung zum Erfassen einer dritten äußeren Drehrate um die erste Achse. Die erste Drehratensensoreinrichtung ist über die Antriebsrahmeneinrichtung mit der zweiten Drehratensensoreinrichtung verbunden. Die Antriebsrahmeneinrichtung weist einen ersten Antriebsrahmen und einen zweiten Antriebsrahmen auf, welche durch die Antriebseinrichtung gegenphasig entlang der dritten Achse oszillierend antreibbar sind. Die rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung weist eine erste Rotoreinrichtung, welche um die erste Achse oszillierend antreibbar ist, und eine zweite Rotoreinrichtung, welche um die erste Achse gegenphasig zur ersten Rotoreinrichtung oszillerend antreibbar ist, auf. Die erste Rotoreinrichtung ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse und durch die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse verkippbar ist, wobei die zweite Rotoreinrichtung durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse antiparallel zur ersten Rotoreinrichtung verkippbar ist. Weiter weist die rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung eine erste Kopplungseinrichtung auf, die eine erste Federeinrichtung aufweist, über die die erste Rotoreinrichtung und die zweite Rotoreinrichtung derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die zweite Achse unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die zweite Achse ermöglicht ist, und eine zweite Kopplungseinrichtung, über die die erste Rotoreinrichtung und die zweite Rotoreinrichtung derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die dritte Achse unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die dritte Achse ermöglicht ist. Eine erste Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung um die zweite Achse, und eine zweite Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung um die dritte Achse. Die zweite Kopplungseinrichtung weist erste bis dritte Wippen auf, wobei die erste Wippe über Federeinrichtungen mit der ersten Rotoreinrichtung und dem ersten Antriebsrahmen verbunden ist, die zweite Wippe über Federeinrichtungen mit der zweiten Rotoreinrichtung und dem zweiten Antriebsrahmen verbunden ist, und die erste und zweite Wippe über Federeinrichtungen jeweils mit der dritten Wippe verbunden sind. Die zweite Kopplungseinrichtung weist vierte bis sechste Wippen auf, wobei die vierte Wippe über Federeinrichtungen mit der ersten Rotoreinrichtung und dem ersten Antriebsrahmen verbunden ist, die fünfte Wippe über Federeinrichtungen mit der zweiten Rotoreinrichtung und dem zweiten Antriebsrahmen verbunden ist, und die vierte und fünfte Wippe über Federeinrichtungen jeweils mit der sechsten Wippe verbunden sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt in der Verbindung eines einachsigen und eines zweiachsigen Drehratensensors über einen gemeinsamen Antriebsmechanismus. Der resultierende dreiachsige Drehratensensor ist robust gegenüber äußerer Linear- und Drehbeschleunigung, so dass insbesondere die Anforderungen für sicherheitsrelevante Anwendungen im Automotive-Umfeld erfüllt sind.
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Die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung mit dem gemeinsamen Antriebsmechanismus für alle drei Messachsen bietet mehrere Vorteile gegenüber drei einzelnen Drehratensensoren. Da es nur einen Antriebsmechanismus gibt, können im Sensorkern Antriebsstrukturen sowie Anschlusspads und die dazugehörigen Verdrahtungen eingespart werden. Somit kann auch der ASIC kompakt gebaut werden, weil nur ein Antriebsregelkreis zur Verfügung gestellt werden muss. Besonders vorteilhaft ist die Vermeidung von unterschiedlichen Antriebsfrequenzen für die verschiedenen Drehratensensoren, sodass eine gegenseitige Beeinflussung, z.B. durch parasitäres Übersprechen der Antriebskräfte, vermieden werden kann. Zudem wird die Verpackung einfacher, und mögliche Fehlstellungen der einzelnen Drehratensensoren zueinander sind durch das Design der erfindungsgemäßen Drehraten-Sensoranordnung ausgeschlossen.
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Störmoden, die auf verschiedene Arten zu einem Fehlsignal eines dreiachsigen Drehratensensors führen können, z.B. durch (resonante) Anregung mittels äußeren Kräften (Vibration), oder durch nichtlineares Übersprechen in der Mechanik oder der Elektrostatik des Systems, lassen sich vermeiden. Verwendet man hingegen drei identische einachsige Drehratensensoren, so haben alle Drehratensensoren die gleichen Störmoden, die prozessbedingt bei unterschiedlichen Frequenzen liegen, sodass sich insgesamt die Zahl der Störmoden in einem betrachteten Frequenzbereich verdreifacht. In einem mehrachsigen Drehratensensor ist es somit möglich, eine Reduzierung der Störmoden weiterhin dadurch zu erreichen, dass dieselben Detektionsstrukturen jeweils für mehr als nur eine Messachse sensitiv ausgelegt werden.
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Erfindungsgemäß sind zweimal jeweils drei Wippen vorgesehen, welche zusammen die erste Rotoreinrichtung, die zweite Rotoreinrichtung, den ersten Antriebsrahmen und den zweiten Antriebsrahmen verbinden. Die Wippen sind um parallele Achsen drehbar, wobei die mittlere Wippe antiparallel zu den äußeren Wippen verkippt wird. Ein derartiger Aufbau kann durch eine geringe Anzahl an Federeinrichtungen realisiert werden. Durch einen Aufbau mit weniger mäandrierenden Strukturen kann die Drehraten-Sensoranordnung kleiner ausgestaltet werden. Darüber hinaus können die Frequenzen der Verkippungen besser eingestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die linear antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung eine Rahmeneinrichtung mit einem ersten Teilrahmen und einem zweiten Teilrahmen auf, wobei der erste Teilrahmen und der zweite Teilrahmen entlang der dritten Achse oszillierend antreibbar sind. Die zweite Drehratensensoreinrichtung umfasst somit lediglich einen Detektionsrahmen, welcher in einen ersten Teilrahmen und einen zweiten Teilrahmen unterteilt ist. Der Detektionsrahmen bewegt sich bei einer Antriebsbewegung mit. Der erste und der zweite Teilrahmen sind durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse gegenphasig entlang der zweiten Achse oszillierend auslenkbar. Bevorzugt besteht die Rahmeneinrichtung aus genau zwei Teilrahmen. Durch Reduktion von mechanisch beweglichen Strukturen kann vorteilhafter Weise die Anzahl der bei niedrigen Frequenzen anregbaren Moden reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die linear antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung eine Rahmeneinrichtung mit einem ersten Rahmen und einem zweiten Rahmen auf, wobei der zweite Rahmen zumindest teilweise vom ersten Rahmen umgeben ist, wobei der erste Rahmen entlang der dritten Achse oszillierend antreibbar ist und wobei der zweite Rahmen entlang der dritten Achse gegenphasig zum ersten Rahmen oszillierend antreibbar ist, wobei der erste und zweite Rahmen durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse gegenphasig entlang der zweiten Achse oszillierend auslenkbar sind, und wobei der erste Rahmen einen ersten Teilrahmen und einen zweiten Teilrahmen und der zweite Rahmen einen dritten Teilrahmen und einen vierten Teilrahmen aufweist. Eine dritte Kopplungseinrichtung, über die der erste Teilrahmen und der dritte Teilrahmen derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens entlang der dritten Achse unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens entlang der dritten Achse ermöglicht ist, und eine vierte Kopplungseinrichtung, über die der zweite Teilrahmen und der vierte Teilrahmen derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens entlang der dritten Achse unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens entlang der dritten Achse ermöglicht ist, sind vorgesehen. Eine dritte Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines gegenphasigen Auslenkens des ersten und zweiten Rahmens entlang der zweiten Achse. Eine derartige Drehratensensoreinrichtung kann gut mit der rotatorisch antreibbaren ersten Drehratensensoreinrichtung gekoppelt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine Kopplungseinrichtung zum Verbinden des ersten Teilantriebsrahmens und des dritten Teilantriebsrahmens und eine Kopplungseinrichtung zum Verbinden des zweiten Teilantriebsrahmens und des vierten Teilantriebsrahmens vorgesehen. So lässt sich eine effektive lineare Kopplung der weiteren Teilantriebsrahmen erzielen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebseinrichtung einen ersten Antrieb zum Antreiben des ersten Antriebsrahmens und einen zweiten Antrieb zum Antreiben des zweiten Antriebsrahmens auf. Dies ermöglicht einen symmetrischen Antrieb.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antriebseinrichtung einen einzigen gemeinsamen Antrieb zum Antreiben des ersten Antriebsrahmens und zum Antreiben des zweiten Antriebsrahmens auf. Dies spart Raum im Design.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste und/oder zweite Rotoreinrichtung eine oder mehrere Quadraturelektroden aufweisen, welche ausgestaltet sind, mit darunter befindlichen Quadraturelektroden zusammenzuwirken. Dies erhöht die Antriebsgenauigkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind unter der ersten und/oder zweiten Rotoreinrichtung weitere Elektroden angeordnet, mit denen Quadraturbewegungen ausgeglichen und/oder Testsignale aufgegeben werden können. Ein derartiger Aufbau kann insbesondere bei einer Open-Loop-Steuerung vorgesehen sein. Weiter können Elektroden zum Frequenztuning und zum Detektieren der Antriebsbewegung vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die erste Erfassungseinrichtung und die zweite Erfassungseinrichtung eine jeweilige Mehrzahl kapazitiver Plattenelektroden auf, welche unterhalb der ersten und zweiten Rotoreinrichtung angeordnet sind. So lässt sich das Verkippen zuverlässig detektieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die dritte Erfassungseinrichtung eine Mehrzahl von kapazitiven Kammelektroden auf, welche innerhalb des ersten und zweiten Rahmens angeordnet sind. So lässt sich das antisymmetrische Auslenken zuverlässig detektieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung eine weitere zweite Drehratensensoreinrichtung auf, wobei die erste Drehratensensoreinrichtung über die Antriebsrahmeneinrichtung mit der weiteren zweiten Drehratensensoreinrichtung verbunden ist. Der Aufbau der zweiten Drehratensensoreinrichtung und der weiteren zweite Drehratensensoreinrichtung kann identisch sein. Insbesondere ist die weitere zweite Drehratensensoreinrichtung ebenfalls linear oszillierend entlang der dritten Achse durch die Antriebseinrichtung über die Antriebsrahmeneinrichtung antreibbar, zum Erfassen einer dritten äußeren Drehrate um die erste Achse. Die zweite Drehratensensoreinrichtung und die weitere zweite Drehraten-Sensoreinrichtung sind vorzugsweise symmetrisch relativ zur ersten Drehraten-Sensoreinrichtung angebracht. Durch die Erhöhung der Symmetrie kann der Einfluss von Fertigungstoleranzen reduziert werden. Die gesamte Drehraten-Sensoreinrichtung ist symmetrisch zu zwei senkrechten Achsen, deren Kreuzungspunkt im Mittelpunkt der Drehraten-Sensoreinrichtung liegt.
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Besonders vorteilhaft umfasst das mikromechanische Drehraten-Sensorarray eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten und miteinander verbundenen mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnungen, welche jeweils eine zweite und eine weitere zweite Drehratensensoreinrichtung aufweisen. Der Gesamtaufbau kann dadurch weiter symmetrisiert werden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer alternativen zweiten Drehratensensoreinrichtung;
- 3 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7a)-c) schematische ebene Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Federaufhängungseinrichtungen für die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 8 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 9 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 10 eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung eines Drehraten-Sensorarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 100 eine rotatorisch um eine erste Achse (z-Achse) oszillierend antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung zum Erfassen einer ersten äußeren Drehrate um eine zweite Achse (y-Achse) und einer zweiten äußeren Drehrate um eine dritte Achse (x-Achse). Die erste, zweite und dritte Achse (z, y, x) sind senkrecht zueinander angeordnet.
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Die rotatorisch antreibbare erste Drehratensensoreinrichtung 100 weist eine erste Rotoreinrichtung 1a auf, welche um die erste Achse (z-Achse) oszillierend antreibbar ist, und eine zweite Rotoreinrichtung 1b, welche um die erste Achse (z-Achse) gegenphasig zur ersten Rotoreinrichtung 1a oszillierend antreibbar ist.
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Bei der vorliegenden ersten Ausführungsform sind die erste Rotoreinrichtung 1a und die zweite Rotoreinrichtung 1b scheibenförmig quadratisch gestaltet, wobei in einer jeweiligen zentralen Aussparung eine zugehörige erste bzw. zweite Aufhängungseinrichtung A1a, A1b angeordnet und verankert sind.
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Die erste Rotoreinrichtung 1a ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse (y-Achse) und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse (x-Achse) verkippbar. Die zweite Rotoreinrichtung 1b ist durch die erste äußere Drehrate um die zweite Achse (y-Achse) und die zweite äußere Drehrate um die dritte Achse (x-Achse) antiparallel zur ersten Rotoreinrichtung 1a verkippbar.
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Die erste und die zweite Rotoreinrichtung 1a, 1b sind über eine erste Federeinrichtung F13 als erste Kopplungseinrichtung derart gekoppelt, dass ein paralleles Verkippen um die zweite Achse (y-Achse) unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die zweite Achse (y-Achse) ermöglicht ist, und zwar aufgrund einer anisotropen Federkonstante.
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Weiterhin vorgesehen ist eine zweite Kopplungseinrichtung K1, K2, über die die erste Rotoreinrichtung 1a und die zweite Rotoreinrichtung 1b derart gekoppelt sind, dass ein paralleles Verkippen um die dritte Achse (x-Achse) unterdrückt und ein antiparalleles Verkippen um die dritte Achse (x-Achse) ermöglicht ist, und zwar ebenfalls aufgrund einer anisotropen Federkonstante der zweiten Kopplungseinrichtung K1, K2.
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Die zweite Kopplungseinrichtung K1, K2 weist einen ersten Teil K1 mit einer ersten Wippe 3a1 auf, welche über eine erste Federeinrichtung y3 und ein Verbindungselement 3c1 mit der ersten Rotoreinrichtung 1a verbunden ist. Die zweite Wippe 3a2 ist über eine zweite Federeinrichtung y4 und ein Verbindungselement 3c2 mit der zweiten Rotoreinrichtung 1b verbunden. Die erste und zweite Wippe 3a1, 3a2 sind über dritte bzw. vierte Federeinrichtungen y4, y6 jeweils mit einer dritten Wippe 3a verbunden. Die dritte Wippe 3a ist über eine erste elastische Aufhängung A1 an dem (nicht dargestellten) Substrat befestigt.
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Die zweite Kopplungseinrichtung K1, K2 weist weiter vierte bis sechste Wippen 3b, 3b1, 3b2 auf, wobei die vierte Wippe 3b1 über eine fünfte Federeinrichtung y9 und ein Verbindungselement 3d1 mit der ersten Rotoreinrichtung 1a verbunden ist. Die fünfte Wippe 3a2 ist über eine sechste Federeinrichtung y10 und ein Verbindungselement 3d2 mit der zweiten Rotoreinrichtung 1b verbunden. Die vierte und fünfte Wippe 3b1, 3b2 sind über siebte bzw. achte Federeinrichtungen y11, y12 jeweils mit der sechsten Wippe 3b verbunden. Die sechste Wippe 3b ist über eine zweite elastische Aufhängung A2 am Substrat befestigt.
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Weiter sind die erste Wippe 3a1 und die zweite Wippe 3a2 über eine neunte und zehnte Federeinrichtung y1 und y2 mit einem ersten Teilantriebsrahmen RA1a und einem zweiten Teilantriebsrahmen RA1b verbunden, wobei der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b Teil eines ersten Antriebsrahmens RA1a, RA1b sind.
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Schließlich sind die vierte Wippe 3b1 und die fünfte Wippe 3b2 über eine elfte und zwölfte Federeinrichtung y7 und y8 mit einem dritten Teilantriebsrahmen RA2a und einem vierten Teilantriebsrahmen RA2b verbunden, wobei der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b Teil eines zweiten Antriebsrahmens RA2a, RA2b sind.
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Eine erste Erfassungseinrichtung CPY, CNY, CPY', CNY' dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b um die zweite Achse (y-Achse). Eine zweite Erfassungseinrichtung CPX, CNX, CPX', CNX' dient zum Erfassen eines antiparallelen Verkippens der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b um die dritte Achse (x-Achse).
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Die erste Erfassungseinrichtung CPY, CNY, CPY', CNY' und die zweite Erfassungseinrichtung CPX, CNX, CPX', CNX' weisen beispielsweise eine jeweilige Mehrzahl kapazitiver Plattenelektroden oder weitere Elektroden auf, mit denen Quadraturbewegungen ausgeglichen und/oder Testsignale aufgegeben werden können, und welche unterhalb der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b angeordnet sind, wie in 1 durch jeweilige Kreise schematisch angedeutet.
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Eine Antriebseinrichtung AT1, AT2, beispielsweise eine (nur schematisch dargestellte) Kammantriebseinrichtung, welche einen ersten Antrieb AT1 und einen zweiten Antrieb AT2 aufweist, ist für einen linear oszillierenden Antrieb entlang der dritten Achse (x-Achse) vorgesehen.
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Die erste Antrieb AT1 ist mit dem ersten Antriebsrahmen RA1a, RA1B verbunden.
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Die zweite Antrieb AT2 ist mit dem zweiten Antriebsrahmen RA2a, RA2b verbunden.
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Der erste Antriebsrahmen RA1a, RA1b und der zweite Antriebsrahmen RA2a, RA2b sind winkelförmig ausgestaltet und verlaufen seitlich von der ersten Rotoreinrichtung 1a in deren Ebene.
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Der erste Teilantriebsrahmen RA1a ist über Federn F1, F2 mit einem (nicht dargestellten) Substrat verbunden. Der zweite Teilantriebsrahmen RA1b ist über Federn F3, F4 mit dem Substrat verbunden. Weiterhin sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b über eine Feder F5 miteinander verbunden. Die Federn F1 bis F5 sind derart gestaltet, dass eine oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x-Achse) bevorzugt ist.
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Der dritte Teilantriebsrahmen RA2a ist über Federn F6, F7 mit dem (nicht dargestellten) Substrat verbunden. Der vierte Teilantriebsrahmen RA2b ist über Federn F8, F9 mit dem Substrat verbunden. Weiterhin sind der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b über eine Feder F10 miteinander verbunden. Die Federn F6 bis F10 sind ebenfalls derart gestaltet, dass eine oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x Achse) bevorzugt ist.
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Die Federn F10, F14 verbinden den dritten Teilantriebsrahmen RA2a und den vierten Teilantriebsrahmen RA2b.
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Der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b umgeben die zweite Rotoreinrichtung 1b und eine linear oszillierend entlang der dritten Achse (x-Achse) antreibbare zweite Drehratensensoreinrichtung 200 zum Erfassen einer dritten äußeren Drehrate um die erste Achse (z-Achse), welche weiter unten erläutert wird.
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Weiterhin erstrecken sich der dritte Teilantriebsrahmen RA2a und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b in einen Zwischenraum zwischen der ersten Drehratensensoreinrichtung 100 und der zweiten Drehratensensoreinrichtung 200, wo sie über die Feder F14 miteinander verbunden sind.
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Weiterhin sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a über eine Feder F11 verbunden, und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b sind über eine Feder F12 miteinander verbunden. Die Federn F11, F12 sind derart ausgestaltet, dass eine gegenphasig oszillierende Bewegung entlang der dritten Achse (x-Achse) bevorzugt ist und eine gleichphasige Bewegung unterdrückt wird. Die jeweilige Richtung der Antriebsbewegung AB des ersten und zweiten Antriebsrahmens RA1a, RA1b, RA2a, RA2b ist durch entsprechende Pfeile dargestellt.
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Die zweite Drehratensensoreinrichtung 200 weist eine Rahmeneinrichtung mit einem ersten Rahmen R1a, R1b und einem zweiten Rahmen R2a, R2b auf, wobei der erste Rahmen R1a, R1b einen ersten Teilrahmen R1a und einen zweiten Teilrahmen R1b und der zweite Rahmen R2a, R2b einen dritten Teilrahmen R2a und einen vierten Teilrahmen R2b aufweist. Der zweite Rahmen R2a, R2b ist an drei benachbarten Seiten vom ersten Rahmen R1a, R1b umgeben.
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Der erste Rahmen R1a, R1b ist entlang der dritten Achse x vom zweiten Antrieb AT2 über dritten und vierten Teilantriebsrahmen RA2a, RA2b und eine Federeinrichtung F20-F23, F30-F33 oszillierend antreibbar.
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Der zweite Rahmen R2a, R2b ist mittelbar durch den ersten Rahmen R1a, R1b entlang der dritten Achse x gegenphasig zum ersten Rahmen R1a, R1b oszillierend antreibbar, da eine Federeinrichtung F71-F74 vorgesehen ist, über die der erste Teilrahmen R1a und der dritte Teilrahmen R2a derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens R1a, R2a entlang der dritten Achse x unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des ersten und dritten Teilrahmens R1a, R2a entlang der dritten Achse x ermöglicht ist. Über eine analoge Federeinrichtung F81-F84 sind der zweite Teilrahmen R1b und der vierte Teilrahmen R2b derart gekoppelt sind, dass ein gleichphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens R1b, R2b entlang der dritten Achse x unterdrückt und ein gegenphasiges Auslenken des zweiten und vierten Teilrahmens R1b, R2b entlang der dritten Achse x ermöglicht ist.
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Eine anisotrope Federeinrichtung F24, F25, F91, F92 verbindet den dritten Teilrahmen R2a mit dem Substrat, eine anisotrope Federeinrichtung F26, F27, F93, F94 verbindet den vierten Teilrahmen R2b mit dem Substrat, und eine anisotrope Federeinrichtung F15 verbindet das Substrat mit dem dritten Teilrahmen R2a und dem vierten Teilrahmen R2b und den dritten Teilrahmen R2a und den vierten Teilrahmen R2b gegenseitig.
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Der erste und zweite Rahmen R1a, R1b, R2a, R2b sind durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse z gegenphasig entlang der zweiten Achse y oszillierend auslenkbar. Die Richtung der Antriebsbewegung AB und die Richtung der Detektionsbewegung DB sind durch entsprechende Pfeile dargestellt.
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Eine dritte Erfassungseinrichtung EK1, EK2, beispielsweise eine kapazitive Kammstruktur, dient zum Erfassen eines gegenphasigen Auslenkens des ersten und zweiten Rahmens R1a, R1b, R2a, R2b entlang der zweiten Achse y, wobei beim vorliegenden Beispiel nur die gegenseitige Auslenkung des dritten Teilrahmens R2a und vierten Teilrahmens R2b durch die dritte Erfassungseinrichtung EK1, EK2 erfasst werden.
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2 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer alternativen zweiten Drehratensensoreinrichtung 200'. Diese umfasst eine Rahmeneinrichtung R1a', R1b' mit einem ersten Teilrahmen R1a' und einem zweiten Teilrahmen R1b', wobei der erste Teilrahmen R1a', R1b' und der zweite Teilrahmen R1b' entlang der dritten Achse x oszillierend antreibbar sind. Der erste und zweite Teilrahmen R1a', R1b' sind durch die dritte äußere Drehrate um die erste Achse z gegenphasig entlang der zweiten Achse y oszillierend auslenkbar. Insbesondere besteht die Rahmeneinrichtung R1a', R1b' aus genau zwei Teilrahmen R1a', R1b' anstatt der in 1 gezeigten vier Teilrahmen R1a, R2a R1b, R2b.
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3 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die zweite Ausführungsform ist analog zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform gemäß 1 aufgebaut und unterscheidet sich lediglich davon, dass der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a nicht direkt miteinander verbunden sind und auch der zweite Teilantriebsrahmen RA1b und der vierte Teilantriebsrahmen RA2b nicht direkt miteinander verbunden sind. Der erste Teilantriebsrahmen RA1a ist durch eine Feder F2a mit dem Substrat verbunden, der zweite Teilantriebsrahmen RA1b ist über eine Feder F4a mit dem Substrat verbunden, der dritte Teilantriebsrahmen RA2a ist über eine Feder F7a mit dem Substrat verbunden, und der vierte Teilantriebsrahmen ist über eine Feder F9a mit dem Substrat verbunden.
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Eine mittelbare Verbindung des ersten Antriebsrahmens RA1a, RA1b und des zweiten Antriebsrahmens RA2a, RA2b ist bei der zweiten Ausführungsform über die oben beschriebenen Komponenten y1-y6, 3a, 3a1, 3a2 auf der einen Seite der ersten Drehratenerfassungseinrichtung 100 und durch die oben beschriebenen Komponenten y7-y12, 3b, 3b1, 3b2 auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
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4 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer ersten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der ersten alternativen Kopplungsart weisen der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der dritte Teilantriebsrahmen RA2a jeweils ein gewinkeltes Ende E1 bzw. E2 auf, wobei zwischen die Enden E1, E2 eine quadratische Feder F12b eingesetzt und im Substrat verankert ist.
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5 zeigt eine vergrößerte Ausschnittdarstellung einer zweiten alternativen Kopplungsart des ersten und zweiten Antriebsrahmens der Drehraten-Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten alternativen Kopplungsart weisen der erste Teilantriebsrahmen RA1a und der zweite Teilantriebsrahmen RA2a ebenfalls jeweils ein gewinkeltes Ende E1 bzw. E2 auf, wobei zwischen die Enden E1, E2 eine u-förmige Feder F12c gesetzt und im Substrat verankert ist. Zusätzlich vorgesehen sind eine im Substrat verankerte Feder F1c am ersten Ende E1 und eine im Substrat verankerte Feder F2c des zweiten Endes im Substrat.
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6 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform sind der erste Teilantriebsrahmen RA1a' und der zweite Teilantriebsrahmen RA1b' nicht winkelförmig ausgeführt, sondern geradlinig und nicht miteinander verbunden, da die Feder F5 entfällt.
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Insbesondere ist bei dieser dritten Ausführungsform lediglich ein Antrieb, hier der zweite Antrieb AT2, vorgesehen, welcher bereits oben beschrieben wurde.
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Im Übrigen kann der erste Antrieb AT1 bei sämtlichen Ausführungsformen weggelassen werden, wo der erste Antriebsrahmen RA1a, RA1b und der zweite Antriebsrahmen RA2a, RA2b linear miteinander gekoppelt sind.
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Weiterhin schematisch dargestellt ist eine an die erste Rotoreinrichtung 1a angesetzte Quadraturelektrode Q1, welche mit einer darunter befindlichen Quadraturelektrode Q2 kapazitiv zusammenwirkt, um Bewegungen außerhalb der xy-Ebene zu verhindern, indem eine entsprechende Spannung angelegt wird. Selbstverständlich können derartige Quadraturelektroden an verschiedenen Stellen beider Rotoreinrichtungen 1a, 1b vorgesehen werden, um den Betrieb der ersten Drehratenerfassungseinrichtung zu stabilisieren.
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7a)-c) zeigen schematische ebene Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Federaufhängungseinrichtungen für die mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 7a)-c) sind insbesondere drei verschiedene Ausgestaltungen A', A'' und A'' der ersten und zweiten Aufhängungseinrichtung A1a, A1b der ersten und zweiten Rotoreinrichtung 1a, 1b gezeigt.
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Die erste Ausgestaltung weist eine erste gefaltete Feder L1 auf, welche um die erste Achse (z-Achse) rotieren kann und um die zweite Achse (y-Achse) und dritte Achse (x-Achse) kippen kann.
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Die zweite Ausgestaltung weist eine unterschiedliche gefaltete Feder L2 auf, welche die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist.
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Die dritte Ausgestaltung A1''' weist eine Kombination von elastischen Federn L3a, L3b, L3c auf, welche über starre gekrümmte Bogenelemente RK1, RK2 miteinander verbunden sind. Auch die dritte Ausgestaltung A1''' kann um die erste Achse (z-Achse) rotieren und um die zweite Achse (y-Achse) und dritte Achse (x Achse) kippen.
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Jeweils zentral sind die Aufhängungseinrichtungen A', A'', A''' am (nicht dargestellten) Substrat verankert.
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8 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die vierte Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform, wobei der zweite AntriebAT2' nicht außerhalb des zweiten Antriebsrahmens RA2a', RA2b' angeordnet ist, sondern innerhalb des zweiten Antriebsrahmens RA2a', RA2b'.
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Weiterhin ist der zweite Antriebsrahmen unterbrochen, wobei die Randbereiche RA2a", RA2b" lediglich über die Federn F7, F9 mit dem Substrat verbunden sind, aber nicht direkt mit dem zweiten AntriebAT2'.
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9 zeigt eine schematisch ebene Darstellung zur Erläuterung einer mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese weist zwei zweite Drehratensensoreinrichtungen 200 auf, wobei die erste Drehratensensoreinrichtung 100 über Antriebsrahmeneinrichtungen RA1', RA2' mit den zweiten Drehratensensoreinrichtungen 200 verbunden ist. Die beiden zweiten Drehratensensoreinrichtungen 200 sind symmetrisch zu den Rotoreinrichtungen 1a', 1b' der ersten Drehratensensoreinrichtung 100 angeordnet.
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Die Abbildung ist schematisch zu verstehen. Insbesondere kann es sich bei den ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtungen 100, 200 und den Antriebsrahmeneinrichtungen RA1', RA2' um beliebige der oben gezeigten Ausführungsformen handeln.
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10 zeigt eine schematische ebene Darstellung zur Erläuterung eines Drehraten-Sensorarrays gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das mikromechanische Drehraten-Sensorarray weist eine Vielzahl von arrayförmig angeordneten und miteinander verbundenen mikromechanischen Drehraten-Sensoranordnungen auf, wie in 9 gezeigt. Die Drehraten-Sensoranordnungen sind über starre Verbindungen V1, V2 miteinander verbunden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Die Geometrie und Symmetrie der gezeigten ersten und zweiten Drehratensensoreinrichtung in den obigen Ausführungsformen nur beispielhaft und kann bedarfsweise variiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017/216010 A1 [0002]
- US 2019/0078887 A1 [0002]
- DE 102010062095 A1 [0002]
- WO 9639615 A1 [0002]
- DE 102010061755 A1 [0002]
- DE 102011006394 A1 [0002]
