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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor und einen Drehratensensor. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2017 216 010 A1 ist eine mikromechanische Drehraten-Sensoranordnung offenbart, welche zwei Rotormassen aufweist, die mittels einer Antriebsrahmeneinrichtung in Drehschwingbewegungen versetzbar sind. Dazu sind die zwei Rotormassen jeweils über Stege mit der Antriebsrahmeneinrichtung verbunden. Außerdem sind vier seismische Massen mittels der Antriebsrahmeneinrichtung in harmonische Mitschwingbewegungen versetzbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche sich jeweils vorteilhaft als zumindest Teil eines Drehratensensors, insbesondere eines 3-achsigen Drehratensensors, verwenden lassen. Aufgrund der Anbindung der mindestens einen Rotormasse eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils über eine „verlängerte Federstruktur“ an der mindestens einen ersten/zweiten Komponente ist eine Hebelübersetzung für eine Kraftübertragung auf die jeweilige Rotormasse realisiert, bei welcher der Angriffspunkt des jeweiligen Hebels näher am Schnittpunkt der jeweiligen Rotormasse mit ihrer Rotationsachse liegt. Dies verbessert eine Kraft- und/oder Drehmomentübertragung auf die jeweilige Rotormasse.
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Die verbesserte Kraft- und/oder Drehmomentübertragung auf die jeweilige Rotormasse kann auch zur Miniaturisierung der mindestens einen Rotormasse eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils und des jeweiligen mikromechanischen Bauteils genutzt werden. Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile benötigt deshalb nur relativ wenig Bauraum, weshalb die damit realisierten Drehratensensoren vielseitiger eingesetzt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das mikromechanische Bauteil zusätzlich eine einstückige zweite Rotormasse, welche bezüglich einer senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichteten und die erste Rotormasse und die zweite Rotormasse mittig schneidenden Symmetrieebene zu der ersten Rotormasse spiegelsymmetrisch ist und in eine um 180° zu der ersten Drehschwingbewegung phasenverschobene zweite Drehschwingbewegung um eine parallel zu der ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse versetzbar ist, wobei die zweite Rotormasse über mindestens ein zweites Federelement an der mindestens einen ersten Komponente und/oder an mindestens einer zweiten Komponente des mikromechanischen Bauteils angebunden ist, und wobei das mindestens eine zweite Federelement sich jeweils durch je eine seitliche Einbuchtung an der zweiten Rotormasse erstreckt und an einem zurückversetzten Randbereich der zweiten Rotormasse angebunden ist. Das mikromechanische Bauteil ist somit mit einem Doppelrotor realisierbar, dessen Vorteile unten aufgezählt sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind die beiden Rotormassen derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die beiden in ihre jeweilige Drehschwingbewegung versetzten Rotormassen jeweils um eine in der ersten Symmetrieebene liegende Drehachse und um je eine senkrecht zu der ersten Symmetrieebene ausgerichtete weitere Drehachse verkippbar sind. Die beiden Rotormassen können somit sowohl zum Detektieren einer ersten Drehbewegung des jeweiligen mikromechanischen Bauteils um eine in der ersten Symmetrieebene liegende und parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete erste Achse als auch zur Detektion einer zweiten Drehbewegung des jeweiligen mikromechanischen Bauteils um eine in der zweiten Symmetrieebene liegende und parallel zur Substratoberfläche ausgerichtete zweite Achse verwendet werden.
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Insbesondere kann das mikromechanische Bauteil als die mindestens eine erste Komponente mindestens eine parallel zu der Symmetrieebene ausgerichtete Wippenstruktur umfassen, an welcher die erste Rotormasse über das mindestens eine erste Federelement und die zweite Rotormasse über das mindestens eine zweite Federelement angebunden sind. Wie nachfolgend genauer erläutert wird, können mittels der mindestens einen Wippenstruktur unerwünschte Bewegungen der beiden Rotormassen gezielt unterdrück werden. Die mindestens eine Wippenstruktur wirkt somit einem Auftreten von unerwünschten Störmoden vorteilhaft entgegen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil als die mindestens eine erste Komponente ein erstes Paar von Antriebsstrukturen und als die mindestens eine zweite Komponente ein zweites Paar von Antriebsstrukturen auf, wobei die auf einer ersten Seite der Symmetrieebene liegenden ersten Antriebsstrukturen des ersten Paares und des zweiten Paares bezüglich der Symmetrieebene spiegelsymmetrisch zu den auf einer zweiten Seite der Symmetrieebene liegenden zweiten Antriebsstrukturen des ersten Paares und des zweiten Paares sind, und wobei die erste Antriebsstruktur des ersten Paares in eine parallel zu der Symmetrieebene ausgerichtete erste harmonische Schwingbewegung, die zweite Antriebsstruktur des ersten Paares in eine parallel zu der Symmetrieebene ausgerichtete und um 180° gegenüber der ersten harmonische Schwingbewegung phasenverschobene zweite harmonische Schwingbewegung, die erste Antriebsstruktur des zweiten Paares in die zweite harmonische Schwingbewegung und die zweite Antriebsstruktur des zweiten Paares in die ersten harmonische Schwingbewegung derart versetzbar sind, dass mittels der in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzten vier Antriebsstrukturen die beiden Rotormassen in ihre jeweilige Drehschwingbewegung versetzt sind. Eine Amplitude der Drehschwingbewegungen der beiden Rotormassen ist in diesem Fall aufgrund der „verlängerten Federstruktur“ gesteigert.
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Bevorzugter Weise sind die beiden Rotormassen derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass, wenn die beiden Rotormassen in ihre jeweilige Drehschwingbewegung versetzt sind, eine Vektorsumme eines ersten Drehmoments der ersten Drehschwingbewegung der ersten Rotormasse und eines zweiten Drehmoments der zweiten Drehschwingbewegung der zweiten Rotormasse gleich Null ist. Damit ist auch eine unerwünschte Einkopplung eines der Drehmomente der beiden Rotormassen in das Sensordesign des jeweiligen mikromechanischen Bauteils selbst dann, wenn die beiden Rotormassen in ihre jeweilige Drehschwingbewegung versetzt sind, unterbunden.
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Bevorzugter Weise weist das mikromechanische Bauteil zusätzlich ein erstes Paar von seismischen Massen und ein zweites Paar von seismischen Massen auf, wobei die auf einer ersten Seite der Symmetrieebene liegenden ersten seismischen Masse des ersten Paares und des zweiten Paares bezüglich der Symmetrieebene spiegelsymmetrisch zu den auf einer zweiten Seite der Symmetrieebene liegenden zweiten seismischen Massen des ersten Paares und des zweiten Paares sind, und wobei mittels der beiden in ihre jeweilige Drehschwingbewegung versetzten Rotormassen und/oder mittels der vier in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzten Antriebsstrukturen die vier seismischen Massen in parallel zu der Symmetrieebene ausgerichtete harmonische Mitschwingbewegungen versetzbar sind. Eine Vektorsumme der Impulse der harmonischen Mitschwingbewegungen der vier seismischen Massen ist somit Null, sodass keine unerwünschte Einkopplung eines der Impulse der seismischen Massen in das Sensordesign des jeweiligen mikromechanischen Bauteils zu befürchten ist.
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Vorzugsweise sind die vier in ihre jeweilige harmonische Mitschwingbewegung versetzten vier seismischen Massen zusätzlich parallel zu der zweiten Symmetrieebene auslenkbar. Wie unten genauer erläutert wird, können in diesem Fall die vier seismischen Massen zur Detektion einer (weiteren) dritten Drehbewegung des jeweiligen mikromechanischen Bauteils um eine senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtete dritte Achse verwendet werden.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Drehratensensor mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Drehratensensor insbesondere ein 3-achsiger Drehratensensor sein kann. Unter einem 3-achsigen Drehratensensor ist in diesem Fall zu verstehen, dass mittels des jeweiligen Drehratensensors sowohl unter Nutzung der beiden Rotormassen eine erste Drehbewegung des Drehratensensors um eine in der ersten Symmetrieebene liegende und parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete erste Achse als auch unter Nutzung der beiden Rotormassen eine zweite Drehbewegung des Drehratensensors um eine in der zweite Symmetrieebene liegende und parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete zweite Achse und mittels der vier seismischen Massen eine dritte Drehbewegung des Drehratensensors um eine senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtete dritte Achse detektierbar sind. Unter einer Detektion der jeweiligen Drehbewegung kann in diesem Fall sowohl ein Nachweisen der jeweiligen Drehbewegung als auch ein Messen einer die jeweilige Drehbewegung wiedergebenden physikalischen Größe, wie beispielsweise einer Drehrate, einer Rotationsgeschwindigkeit und/oder einer Winkelgeschwindigkeit, verstanden werden.
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Des Weiteren schafft auch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor die vorausgehend beschriebenen Vorteile, wobei das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weitergebildet werden kann.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 2 eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 1 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist ein Substrat mit einer Substratoberfläche 10 auf. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat sein.
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Das mikromechanische Bauteil hat auch zumindest eine einstückige erste Rotormasse 12a. Optionaler Weise kann das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch eine einstückige zweite Rotormasse 12b aufweisen, wobei die zweite Rotormasse 12b vorzugsweise bezüglich einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichteten und die erste Rotormasse 12a und die zweite Rotormasse 12b mittig schneidenden ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrisch zu der ersten Rotormasse 12a ist. Unter der einstückigen Ausbildung der ersten/zweiten Rotormasse 12a oder 12b ist zu verstehen, dass die jeweilige erste/zweite Rotormasse 12a oder 12b als ein unterbrechungsfreies und in sich kompaktes Teil realisiert ist. Zumindest die erste Rotormasse 12a ist in eine erste Drehschwingbewegung 16a um eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Rotationsachse 18a versetzbar. Vorteilhafter Weise ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 1 außerdem die zweite Rotormasse 12b in eine zweite Drehschwingbewegung 16b um eine parallel zu der ersten Rotationsachse 18a ausgerichtete zweite Rotationsachse 18b versetzbar, wobei die zweite Drehschwingbewegung 16b um 180° zu der ersten Drehschwingbewegung 16a phasenverschoben ist.
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Lediglich beispielhaft weist bei der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils jede der beiden Rotormassen 12a und 12b eine innere Aussparung auf, durch welche die Rotationsachse 18a oder 18b der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b verläuft, wobei die jeweilige innere Aussparung von einem Innenseitenrand der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b begrenzt ist. Beispielhaft ist außerdem jede der beiden Rotormassen 12a und 12b über mindestens eine (nicht skizzierte) Rotormassen-Anbindungsfeder, welche sich jeweils von dem Innenseitenrand der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b bis einem an der Substratoberfläche 10 befestigten Verankerungsbereich erstreckt, an/in dem mikromechanischen Bauteil angebunden. Zusätzlich ist jede der beiden Rotormassen 12a und 12b noch über je eine Rotormassen-Anbindungsfeder 20, welche sich von einem Außenseitenrand der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b bis einem an der Substratoberfläche 10 befestigten Verankerungsbereich erstreckt, an/in dem mikromechanischen Bauteil angebunden.
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Das mikromechanische Bauteil umfasst auch mindestens eine erste Komponente 22a und 22b, an welcher die erste Rotormasse 12a über mindestens ein erstes Federelement 26a angebunden ist, wobei das mindestens eine erste Federelement 26a sich jeweils durch je eine seitliche Einbuchtung 28a an (dem Außenseitenrand) der ersten Rotormasse 12a erstreckt und an einem zurückversetzten Randbereich der ersten Rotormasse 12a angebunden ist. Vorteilhafter Weise kann zusätzlich die zweite Rotormasse 12b über mindestens ein zweites Federelement 26b an der mindestens einen ersten Komponente 22a und 22b und/oder an mindestens einer zweiten Komponente 24a und 24b des mikromechanischen Bauteils angebunden sein, wobei das mindestens eine zweite Federelement 26b in diesem Fall sich jeweils durch je eine seitliche Einbuchtung 28b an der zweiten Rotormasse 12b erstreckt und an einem zurückversetzten Randbereich der zweiten Rotormasse 12b angebunden ist.
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Zumindest die erste Rotormasse 12a ist somit über eine „verlängerte Federstruktur“ an der mindestens einen ersten Komponente 22a und 22b abgebunden. Als vorteilhafte Weiterbildung kann auch die zweite Rotormasse 12b über eine „verlängerte Federstruktur“ an der mindestens einen ersten Komponente 22a und 22b und/oder der mindestens einer zweiten Komponente 24a und 24b angebunden sein. Die „verlängerte Federstruktur“ realisiert in jedem Fall eine Hebelübersetzung für eine Kraftübertragung auf die jeweilige Rotormasse 12a oder 12b. Da der Angriffspunkt des jeweiligen Hebels durch die Ausbildung der jeweiligen seitlichen Einbuchtung 28a oder 28b und die Anbindung des jeweiligen Federelements 26a oder 26b an dem zurückversetzten Randbereich näher am Schnittpunkt der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b mit ihrer Rotationsachse 18a oder 18b liegt, ist die Kraft- und/oder Drehmomentübertragung auf die jeweilige Rotormasse 12a oder 12b verbessert. Beispiele zur Nutzung dieser Kraft- und/oder Drehmomentübertragung auf die jeweilige Rotormasse 12a oder 12b sind nachfolgend beschrieben.
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Die seitliche Einbuchtung 28a oder 28b kann auch als eine seitlich an der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b ausgebildete Einwölbung oder als eine seitlich an der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b ausgebildete Vertiefung der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b bezeichnet werden. Unter dem zurückversetzten Randbereich, welcher mittels ihrer seitlichen Einbuchtung 28a oder 28b an der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b ausgebildet ist, ist ein Bereich der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b zu verstehen, dessen Abstand zu dem Schnittpunkt der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b mit ihrer Rotationsachse 18a oder 18b kleiner als ein Mindestabstand des an einer Außengrenze der seitlichen Einbuchtung 28a oder 28b liegenden Außenrandbereichs der gleichen Rotormasse 12a oder 12b zu diesem Schnittpunkt ist.
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Bei der Ausführungsform der 1 weist das mikromechanische Bauteil als die mindestens eine erste Komponente 22a und 22b ein erstes Paar von Antriebsstrukturen 22a und 22b und als die mindestens eine zweite Komponente 24a und 24b ein zweites Paar von Antriebsstrukturen 24a und 24b auf. Eine erste Antriebsstruktur 22a des erstens Paares und eine zweite Antriebsstruktur 22b des ersten Paares sind über je ein erstes Federelement 56a an der ersten Rotormasse 12a angebunden. Entsprechend sind eine erste Antriebsstruktur 24a des zweiten Paares und eine zweite Antriebsstruktur 24b des zweiten Paares über je ein zweites Federelement 26b an der zweiten Rotormasse 12b angebunden. Die auf einer ersten Seite der ersten Symmetrieebene 24 liegenden ersten Antriebsstrukturen 22a und 24a des ersten Paares und des zweiten Paares sind bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrisch zu den auf einer zweiten Seite der ersten Symmetrieebene 14 liegenden zweiten Antriebsstrukturen 22b und 24b des ersten Paares und des zweiten Paares.
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Die vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b sind jeweils derart ausgebildet/angeordnet, dass die erste Antriebsstruktur 22a des ersten Paares in eine parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichtete erste harmonische Schwingbewegung 30a, die zweite Antriebsstruktur 22b des ersten Paares in eine parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichtete und um 180° gegenüber der ersten harmonische Schwingbewegung 30a phasenverschobene zweite harmonische Schwingbewegung 30b, die erste Antriebsstruktur 24a des zweiten Paares in die zweite harmonische Schwingbewegung 30b und die zweite Antriebsstrukturen 24b des zweiten Paares in die ersten harmonische Schwingbewegung 30a versetzbar sind. Vorzugsweise sind die vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b jeweils mit (nicht skizzierten) Antriebs-Elektrodenelementen ausgebildet, welche jeweils mit je einer (nicht dargestellten) ortsfesten Antriebs-Elektrode, welche beispielsweise an der Substratoberfläche 10 befestigt ist, einen Kondensator bilden. Jede der vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b kann beispielsweise je ein Antriebsrahmen sein.
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Die vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b sind derart in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung 30a oder 30b versetzbar, dass mittels der in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung 30a oder 30b versetzten vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b die beiden Rotormassen 12a und 12b in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzt sind. Die harmonischen Schwingbewegungen 30a und 30b der vier Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b bewirken somit die jeweilige Drehschwingbewegung 16 oder 16b der beiden Rotormassen 12a und 12b. Aufgrund der mittels der „verlängerten Federstruktur“ realisierten Hebelübersetzung, wird die Antriebsamplitude der harmonischen Schwingbewegungen 30a oder 30b näher an dem Schnittpunkt der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b mit ihrer Rotationsachse 18a oder 18b übertragen. Während der Drehschwingbewegungen 16a und16b der beiden Rotormassen 12a und 12b ist deshalb die (maximale) Amplitude der Außenseitenränder der Rotormassen 12a und 12b größer als die Antriebsamplitude der harmonischen Schwingbewegungen 30a oder 30b. Die „verlängerte Federstruktur“ bewirkt somit eine Steigerung der Amplitude der Drehschwingbewegungen 16a und16b der Rotormassen 12a und 12b.
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Vorteilhafterweise ist außerdem jede der beiden in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzten Rotormassen 12a und 12b jeweils um eine in der ersten Symmetrieebene 14 liegende (und vorzugsweise parallel zu der Substratoberfläche 10) ausgerichtete (nicht skizzierte) erste Drehachse und um je eine senkrecht zu der ersten Symmetrieebene 14 (und vorzugsweise parallel zu der Substratoberfläche 10) ausgerichtete (nicht dargestellte) zweite Drehachse verkippbar. Das mikromechanische Bauteil der 1 eignet sich deshalb vorteilhaft als/für einen Drehratensensor. Zusätzlich können die erste Rotormasse 12a und das erste Paar von Antriebsstrukturen 22a und 22b bezüglich einer senkrecht zu der Substratoberfläche 10 und senkrecht zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichteten zweiten Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrisch zu der zweiten Rotormasse 12b und dem zweiten Paar von Antriebsstrukturen 24a und 24b sein.
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Bei einer ersten Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine in der ersten Symmetrieebene 14 liegende und parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Achse A1 bewirkt die Corioliskraft erste Kippbewegungen der beiden in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzten Rotormassen 12a und 12b um ihre jeweilige erste Drehachse, wobei die ersten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b aufgrund des Phasenwinkels von 180° zwischen der ersten Drehschwingbewegung 16a und der zweiten Drehschwingbewegung 16b bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrisch sind. Derartige bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrische Bewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b werden von externen Linear- und Drehbeschleunigungen nicht ausgelöst.
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Aufgrund der mittels der „verlängerten Federstruktur“ realisierten Steigerung der Amplitude der Drehschwingbewegungen 16a und16b der Rotormassen 12a und 12b sind die ersten Kippbewegungen außerdem gut detektierbar. Jeder der beiden Rotormassen 12a und 12b kann beispielsweise je ein (nicht skizziertes) erstes Paar von Sensorelektroden zugeordnet sein, welches sich jeweils entlang der ersten Symmetrieebene 14 benachbart zu der zugeordneten Rotormasse 12a oder 12b erstreckt, wobei jede der Sensorelektroden der ersten Paare mit der zugeordneten Rotormasse 12a oder 12b einen Kondensator bildet. Die ersten Paare von Sensorelektroden können beispielsweise an der Substratoberfläche 10 befestigt sein. Die Spiegelsymmetrie der ersten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 bewirkt bei einer differentiellen Auswertung der mittels der ersten Paare von Sensorelektroden ermittelten Signale eine Verstärkung der von der ersten Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Achse A1 ausgelösten Signale, während auf externe Linear- und Drehbeschleunigungen des mikromechanischen Bauteils zurückführbare Fehlsignale der ersten Paare von Sensorelektroden mittels der differentiellen Auswertung automatisch herauskorrigiert/„herausgefiltert“ werden. Die erste Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Achse A1 ist deshalb verlässlich mittels der beiden Rotormassen 12a und 12b detektierbar.
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Entsprechend bewirkt die Corioliskraft bei einer zweiten Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine innerhalb der zweiten Symmetrieebene 32 liegende und parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete zweite Achse A2 zweite Kippbewegungen der in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzten Rotormassen 12a und 12b, wobei die zweiten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b aufgrund des Phasenwinkels von 180° zwischen der ersten Drehschwingbewegung 16a und der zweiten Drehschwingbewegung 16b punktsymmetrisch bezüglich einer Schnittlinie der ersten Symmetrieebene 14 mit der zweiten Symmetrieebene 32 sind. Derartige bezüglich der Schnittlinie punktsymmetrische Bewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b werden von externen Linear- und Drehbeschleunigungen nicht ausgelöst.
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Auch in diesem Fall sind die zweiten Kippbewegungen aufgrund der mittels der „verlängerten Federstruktur“ realisierten Steigerung der Amplitude der Drehschwingbewegungen 16a und16b der Rotormassen 12a und 12b gut detektierbar. Jeder der beiden Rotormassen 12a und 12b kann z.B. auch je ein (nicht dargestelltes) zweites Paar von Sensorelektroden zugeordnet sein, welches sich jeweils entlang einer parallel zu der zweiten Symmetrieebene 32 ausgerichteten Linie benachbart zu der zugeordneten Rotormasse 12a oder 12b erstreckt, wobei jede der Sensorelektroden der zweiten Paare mit der zugeordneten Rotormasse 12a oder 12b einen Kondensator bildet. Auch die zweiten Paare von Sensorelektroden können insbesondere an der Substratoberfläche 10 befestigt sein. Die Punktsymmetrie der zweiten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b bewirkt bei einer differentiellen Auswertung der mittels der zweiten Paare von Sensorelektroden ermittelten Signale eine Verstärkung der auf die zweite Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Achse A2 zurückführbaren Signale, während auf externen Linear- und Drehbeschleunigungen des mikromechanischen Bauteils basierende Fehlsignale der zweiten Paare von Sensorelektroden mittels der differentiellen Auswertung automatisch herauskorrigiert/„herausgefiltert“ werden. Auch die zweite Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Achse A2 ist deshalb mittels der beiden Rotormassen 12a und 12b verlässlich detektierbar.
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Die beiden Rotormassen 12a und 12b können somit als ein Doppelrotor bezeichnet werden, welcher zur Ausführung von vibrationsrobusten Messungen für die erste Achse A1 und die zweite Achse A2 vorteilhaft verwendet werden kann. Die mittels der „verlängerten Federstruktur“ realisierte Steigerung der Amplitude der Drehschwingbewegungen 16a und16b der Rotormassen 12a und 12b trägt vorteilhaft zur Steigerung einer Sensitivität des Doppelrotors selbst bei dessen vergleichsweise kleinen Ausbildung bei. Außerdem ist bei der hier beschriebenen Ausbildung der beiden Rotormassen 12a und 12b auch sichergestellt, dass, selbst wenn die beiden Rotormassen 12a und 12b in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzt sind, eine Vektorsumme eines ersten Drehmoments der ersten Drehschwingbewegung 16a der ersten Rotormasse 12a und eines zweiten Drehmoments der zweiten Drehschwingbewegung 16b der zweiten Rotormasse 12b (im Wesentlichen immer) gleich Null ist. Eine unerwünschte Einkopplung eines der Drehmomente einer der beiden Rotormassen 12a und 12b muss somit auch dann nicht befürchtet werden, wenn die beiden Rotormassen 12a und 12b in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzt sind.
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Als vorteilhafte Weiterbildung sind die beiden Rotormassen 12a und 12b zusätzlich über eine (optionale) Zwischenfeder 34 aneinander gekoppelt, welche den von der ersten Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Achse A1 ausgelösten und bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrischen ersten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b nicht entgegenwirkt, jedoch bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 asymmetrische Bewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b um ihre erste Drehachse, welche herkömmlicherweise von externen Linear- und Drehbeschleunigungen des mikromechanischen Bauteils ausgelöst werden, unterdrückt. In dem Beispiel der 1 weist die Zwischenfeder 34 einen ersten Endabschnitt mit einer an der ersten Rotormasse 12a angebundenen Aufgabelung, einen zweiten Endabschnitt mit einer an der zweiten Rotormasse 12b angebundenen Aufgabelung und einen zwischen den beiden Endabschnitten liegenden stegförmigen Zwischenabschnitt auf. Die in 1 dargestellte Form der Zwischenfeder 34 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Alternativ kann die Zwischenfeder 34 z.B. auch eine O-Feder sein, welche einen (an der ersten Rotormasse 12a angebundenen) stegförmigen ersten Endabschnitt, einen (an der zweiten Rotormasse 12b angebundenen) stegförmigen zweiten Endabschnitt und einen zwischen den beiden Endabschnitten liegenden Zwischenabschnitt umfasst, wobei vier stegförmige Federabschnitte in O-Form oder Rechteck-Form den Zwischenabschnitt bilden.
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Als zusätzliche (optionale) Weiterbildung ist jede der beiden Rotormassen 12a und 12b außerdem über je eine erste Feder 36a an einer parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichteten ersten Wippenstruktur 38a und über je eine zweite Feder 36b an einer parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichteten zweiten Wippenstruktur 38a angebunden. Jede der Wippenstrukturen 38a und 38b ist um eine in der zweiten Symmetrieebene 32 liegende (und vorzugsweise parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete) Wippenachse verkippbar. Jede der Wippenstrukturen 38a und 38b kann z.B. über mindestens eine Wippenstruktur-Anbindungsfeder 35, welche sich jeweils von der jeweiligen Wippenstruktur 38a oder 38b bis zu einem an der Substratoberfläche 10 befestigten Verankerungsbereich erstrecken kann, an/in dem mikromechanischen Bauteil angebunden sein. Die Wippenstrukturen 38a und 38b wirken den punktsymmetrischen zweiten Kippbewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b nicht entgegen, während bezüglich der zweiten Symmetrieebene 32 spiegelsymmetrische Bewegungen der beiden Rotormassen 12a und 12b um ihre jeweilige zweite Drehachse von den beiden Wippenstrukturen 38a und 38b unterdrückt werden.
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Außerdem umfasst das mikromechanische Bauteil der 1 ein erstes Paar von seismischen Massen 40a und 40b und ein zweites Paar von seismischen Massen 42a und 42b, welche bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrisch sind. Die vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b sind mittels der beiden in ihre jeweilige Drehschwingbewegung 16a oder 16b versetzten Rotormassen 12a und 12b und/oder mittels der vier in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzten Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b in parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichtete harmonische Mitschwingbewegungen versetzbar. Vorteilhafterweise sind/ werden eine erste seismische Masse 40a des ersten Paares in eine parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichtete erste harmonische Mitschwingbewegung, eine bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 zu der ersten seismischen Masse 40a des ersten Paares spiegelsymmetrische zweite seismische Masse 40b des ersten Paares in eine parallel zu der ersten Symmetrieebene 14 ausgerichtete zweite harmonische Mitschwingbewegung, eine erste seismische Masse 42a des zweiten Paares in die zweite harmonische Mitschwingbewegung und eine bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 zu der ersten seismischen Masse 42a des zweiten Paares spiegelsymmetrische zweite seismische Masse 42b des zweiten Paares in die erste harmonische Mitschwingbewegung versetzbar/versetzt. Ein wesentlicher Vorteil der hier beschriebenen Anregung der harmonischen Mitschwingbewegungen der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b liegt darin, dass die erste harmonische Mitschwingbewegung um 180° phasenverschoben zu der zweiten harmonischen Mitschwingbewegung ist.
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Dazu ist das erste Paar von seismischen Massen 40a und 40b (indirekt) an der ersten Rotormasse 12a angebunden, während das zweite Paar von seismischen Massen 42a und 42b (indirekt) an der zweiten Rotormasse 12b angebunden ist. Lediglich beispielhaft sind in der Ausführungsform der 1 außerdem die erste seismische Masse 40a des ersten Paares (direkt) an einer von der ersten Rotormasse 12a weg gerichtete Seite der ersten Antriebsstruktur 22a des ersten Paares, die zweite seismische Masse 40b des ersten Paares (direkt) an einer von der ersten Rotormasse 12a weg gerichtete Seite der zweiten Antriebsstruktur 22b des ersten Paares, die erste seismische Masse 42a des zweiten Paares (direkt) an einer von der zweiten Rotormasse 12b weg gerichtete Seite der ersten Antriebsstruktur 24a des zweiten Paares und die zweite seismische Masse 42b des zweiten Paares (direkt) an einer von der zweiten Rotormasse 12b weg gerichtete Seite der zweiten Antriebsstruktur 24b des zweiten Paares angebunden. Man kann dies als eine „äußere Anbindung“ der Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b an die beiden Rotormassen 12a und 12b und als eine „äußere Anbindung“ jeder seismischen Masse 40a, 40b, 42a und 42b an jeweils eine der Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b umschreiben.
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Zusätzlich sind die in ihre jeweilige harmonische Mitschwingbewegung versetzten vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b senkrecht zu der ersten Symmetrieebene 14 auslenkbar/verstellbar. Bei einer dritten Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete (nicht skizzierte) dritte Achse lenkt die Corioliskraft deshalb die in ihre jeweilige harmonische Mitschwingbewegung versetzten vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b senkrecht zu der ersten Symmetrieebene 14 aus, wobei der Phasenwinkel von 180° zwischen der ersten harmonischen Mitschwingbewegung und der zweiten harmonischen Mitschwingbewegung eine erste Verstellbewegung 44a der ersten seismischen Masse 40a des ersten Paares und der zweiten seismischen Masse 42b des zweiten Paares und eine der ersten Verstellbewegung 44a entgegen gerichtete zweite Verstellbewegung 44b der zweiten seismischen Masse 40b des ersten Paares und der ersten seismischen Masse 42a des zweiten Paares bewirkt. Die von der Corioliskraft ausgelösten Verstellbewegungen 44a und 44b der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a, und 42b sind deshalb bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrisch. Externe Linear- und Drehbeschleunigungen des mikromechanischen Bauteils lösen derartige bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrische Verstellbewegungen 44a und 44b der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a, und 42b nicht aus. Darum ist auch die dritte Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die dritte Achse mittels der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a, und 42b verlässlich detektierbar.
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Vorzugsweise sind deshalb die seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b mit (nicht skizzierten) Detektions-Elektrodenelementen ausgebildet, welche jeweils einen Kondensator mit je einer (nicht dargestellten) ortsfesten Detektions-Elektrode, welche beispielsweise an der Substratoberfläche 10 befestigt ist, bilden. Die Spiegelsymmetrie der Verstellbewegungen 44a und 44b der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a, und 42b bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 bewirkt bei einer differentiellen Auswertung der mittels ihrer Detektions-Elektrodenelemente und der zugeordneten ortsfesten Detektions-Elektroden ermittelten Signale eine Verstärkung der auf die dritte Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die dritte Achse zurückführbaren Signale, während auf externen Linear- und Drehbeschleunigungen des mikromechanischen Bauteils basierende Fehlsignale der Detektions-Elektrodenelemente und der ortsfesten Detektions-Elektroden mittels der differentiellen Auswertung automatisch herauskorrigiert/„herausgefiltert“ werden.
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In der Ausführungsform der 1 sind die vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b lediglich beispielhaft Rahmenstrukturen. Optionaler Weise können die zwei ersten seismischen Massen 40a und 42a über je ein Federelement 46 an einer ersten Koppelwippe 48a und die zwei zweiten seismischen Massen 40b und 42b über je ein Federelement 46 an einer zweiten Koppelwippe 48b angebunden sein. Bevorzugter Weise ist in diesem Fall jede der beiden Koppelwippen 48a und 48b um eine die jeweilige Koppelwippe 48a oder 48b mittig schneidende und senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete Wippenachse verkippbar. Die Koppelwippen 48a oder 48b wirken in diesem Fall den bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 spiegelsymmetrischen Verstellbewegungen 44a und 44b der vier seismischen Massen 40a, 40b, 42a, und 42b nicht entgegen, während bezüglich der ersten Symmetrieebene 14 asymmetrische Bewegungen der ersten Symmetrieebene 14 von den beiden Koppelwippen 48a oder 48b unterdrückt werden.
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2 zeigt eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil der 2 als seine mindestens eine erste Komponente die jeweils parallel zu der ersten Symmetrieebene ausgerichteten Wippenstrukturen 38a und 38b auf, an welchen die erste Rotormasse 12a über das mindestens eine erste Federelement 26a und die zweite Rotormasse 12b über das mindestens eine zweite Federelement 26b angebunden sind. Somit können die Vorteile der mittels der „verlängerten Federstruktur“ realisierten Hebelübersetzung auch für die Anbindung der beiden Rotormassen 12a und 12b an die beiden Wippenstrukturen 38a und 38 genutzt werden.
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Bei dem in 2 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil sind die beiden Rotormassen 12a und 12b jeweils kreuzförmig oder plus-förmig ausgebildet. Darunter kann verstanden werden, dass jede der beiden Rotormassen 12a und 12b je vier von ihrem Zentrum nach Außen ragende Arme aufweist. In die Zwischenräume zwischen zwei benachbarten Armen der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b ist entweder eine der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b zugeordnete Antriebsstruktur 22a, 22b, 24a oder 24b oder eine der jeweiligen Rotormasse 12a oder 12b zugeordnete seismische Masse 40a, 40b, 42a oder 42b eingefügt. Die Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b und die seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b sind jeweils über Federn an die zugeordnete Rotormasse 12a oder 12b gekoppelt. Zusätzlich können die Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b und die seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b jeweils über mindestens eine Anbindungsfeder an/in dem mikromechanischen Bauteil, insbesondere an der Substratoberfläche 10, angebunden sein.
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Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 2 und ihrer Vorteile wird auf die Ausführungsform der 1 verwiesen.
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Bei den oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen können die Rotormassen 12a und 12b, die Antriebsstrukturen 22a, 22b, 24a und 24b, die seismischen Massen 40a, 40b, 42a und 42b, die Wippenstrukturen 38a und 38b, die Koppelwippen 48a und 48b und alle Federn aus einer über der Substratoberfläche 10 abgeschiedenen Halbleiterschicht, wie insbesondere einer Siliziumschicht, herausstrukturiert sein.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst jedes Federelement 26a und 26b je einen aus seiner benachbarten seitlichen Einbuchtung 28a oder 28b herausragenden ersten stegförmigen Abschnitt und je einen senkrecht zu dem ersten stegförmigen Abschnitt ausgerichteten zweiten stegförmigen Abschnitt, an welchem der erste stegförmige Abschnitt verankert ist, wobei die beiden Enden des zweiten stegförmigen Abschnitts an der zugeordneten Rotormasse 12a oder 12b angebunden sind. Diese Ausbildung der Federelemente 26a und 26b ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile eignen sich zur Verwendung als (zumindest Teil von einem) Drehratensensor, wie insbesondere einem 3-achsigen Drehratensensor, mittels welchem sowohl die erste Drehbewegung um die erste Achse A1, die zweite Drehbewegung um die zweite Achse A2 als auch die dritte Drehbewegung um die senkrecht zur Substratoberfläche 10 ausgerichtete dritte Achse detektierbar sind. Unter einer Detektion der jeweiligen Drehbewegung kann sowohl ein Nachweisen der jeweiligen Drehbewegung als auch ein Messen einer die jeweilige Drehbewegung wiedergebenden physikalischen Größe, wie beispielsweise einer Drehrate, einer Rotationsgeschwindigkeit und/oder einer Winkelgeschwindigkeit, verstanden werden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird eine einstückige erste Rotormasse des mikromechanischen Bauteils derart ausgebildet/angeordnet, dass die erste Rotormasse in eine erste Drehschwingbewegung um eine senkrecht zu einer Substratoberfläche eines Substrats des mikromechanischen Bauteils ausgerichtete erste Rotationsachse versetzbar ist. Als Verfahrensschritt S2 wird noch mindestens eine erste Komponente des mikromechanischen Bauteils ausgebildet/angeordnet, wobei die erste Rotormasse über mindestens ein erstes Federelement an der mindestens einen ersten Komponente angebunden wird. Außerdem wird das mindestens eine erste Federelement, welches sich jeweils durch je eine seitliche Einbuchtung an der ersten Rotormasse erstreckt, an einem zurückversetzten Randbereich der ersten Rotormasse angebunden. Beispiele für die mindestens eine erste Komponente sind oben schon beschrieben. Damit bewirkt auch ein Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens die oben genannten Vorteile.
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Die Verfahrensschritte S1 und S2 können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge, gleichzeitig oder zeitlich überschneidend ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017216010 A1 [0002]
