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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor und einen Drehratensensor. Des Weiteren 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 2010 062 095 A1 ist ein Drehratensensor beschrieben, welcher ein Substrat mit einer Substratoberfläche, einen an der Substratoberfläche befestigten ersten Rotor und einen ebenfalls an der Substratoberfläche befestigten zweiten Rotor aufweist. Während der erste Rotor in eine erste harmonische Schwingbewegung um eine senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtete erste Rotationsachse versetzbar ist, ist der zweite Rotor in eine gegensinnig zu der ersten harmonischen Schwingbewegung verlaufende zweite harmonische Schwingbewegung um eine ebenfalls senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtete zweite Rotationsachse versetzbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Drehratensensor nach Anspruch 11 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, bzw. damit ausgebildete Drehratensensoren, welche sowohl zur Detektion einer Drehbewegung um eine senkrecht zu ihrer Substratoberfläche ausgerichtete erste Drehachse, als auch zur Detektion einer Drehbewegung um eine erste parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete zweite Drehachse und/oder um eine parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der zweiten Drehachse ausgerichtete dritte Drehachse verwendet werden können. Trotz ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit sind die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile, bzw. die damit realisierten Drehratensensoren, relativ vibrationsrobust. Außerdem weisen die erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile ein Design mit einer guten Flächennutzung auf, welches jedoch trotzdem ein Auskoppeln von Energie während eines Betriebs des jeweiligen mikromechanischen Bauteils unterbindet. Insbesondere weist das Design des jeweiligen erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils keine Asymmetrie auf, die zu einem Fehlsignal bei anliegenden Linear- oder Rotationsschwingungen führt. Ein weiterer Vorteil des Designs der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile liegt darin, dass es keine mechanische Brücke aufweist, weshalb die Herstellung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile vergleichsweise leicht ausführbar und relativ kostengünstig ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteile liegt darin, dass sie trotz ihrer relativ hohen Messsensitivität unempfindlich gegenüber elektrischen Messpulsen sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind das erste Hebelelement über eine an dem ersten Hebelelement verankerte erste Hebelstützfeder und das zweite Hebelelement über eine an dem zweiten Hebelelement verankerte zweite Hebelstützfeder an dem ersten Rotor angebunden. Die Anbindung zumindest des ersten Hebelelements über seine erste Hebelstützfeder und zumindest des zweiten Hebelelements über seine zweite Hebelstützfeder an den ersten Rotor verbessert die gewünschte Hebelwirkung des ersten Hebelelements und des zweiten Hebelelements.
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Bevorzugter Weise ist das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch ausgebildet mit einem dritten Hebelelement, dessen erstes Ende auf der ersten Seite über eine dritte Hebelanbindungsfeder an der ersten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf einer zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite liegenden vierten Seite des ersten Rotors erstreckt, einem vierten Hebelelement, dessen erstes Ende auf der zweiten Seite über eine vierte Hebelanbindungsfeder an der zweiten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf der vierten Seite des ersten Rotors erstreckt, und einer zweiten Hebelelementfeder, über welche das dritte Hebelelement und das vierte Hebelelement miteinander verbunden sind. Die hier beschriebene Ausstattung des ersten Rotors mit dem ersten Hebelelement, dem zweiten Hebelelement, dem dritten Hebelelement, dem vierten Hebelelement, der ersten Hebelelementfeder und der zweiten Hebelelementfeder realisiert eine Hebelstruktur an dem ersten Rotor, welche sowohl spiegelsymmetrisch bezüglich einer die erste seismische Masse und die zweite seismische Masse mittig schneidenden ersten Symmetrieachse als auch spiegelsymmetrisch bezüglicher einer zwischen der ersten seismischen Masse und der zweiten seismischen Masse verlaufenden zweiten Symmetrieachse ist.
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Als vorteilhafte Weiterbildung kann das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch ausgebildet sein mit einem auf der dritten Seite des ersten Rotors angeordneten zweiten Rotor, welcher auf der ersten Seite mit einer über mindestens eine dritte Masseanbindungsfeder an dem zweiten Rotor angebundenen dritten seismischen Masse und auf der zweiten Seite mit einer über mindestens eine vierte Masseanbindungsfeder an dem zweiten Rotor angebundenen vierten seismischen Masse ausgebildet ist, und welcher über zumindest eine zweite Rotoranbindungsfeder derart an der Substratoberfläche angebunden ist, dass der zweite Rotor zusammen mit der dritten seismischen Masse und der vierten seismischen Masse in eine zweite harmonische Schwingbewegung um eine senkrecht zu der Substratoberfläche und parallel zu der ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsache versetzbar ist, einem fünften Hebelelement, dessen erstes Ende auf der ersten Seite über eine fünfte Hebelanbindungsfeder an der dritten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf einer zu dem ersten Rotor ausgerichteten Seite des zweiten Rotors erstreckt, einem sechsten Hebelelement, dessen erstes Ende auf der zweiten Seite über eine sechste Hebelanbindungsfeder an der vierten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf der zu dem ersten Rotor ausgerichteten Seite des zweiten Rotors erstreckt, und einer dritten Hebelelementfeder, über welche das fünfte Hebelelement und das sechste Hebelelement miteinander verbunden sind. Die hier beschriebene Ausbildungsform des mikromechanischen Bauteils weist somit zwei zueinander spiegelsymmetrisch ausgebildete Rotoren auf, welche zu gegenphasigen Schwingbewegungen angeregt werden können. Beim Detektieren von Drehbewegungen der hier beschriebenen Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils können deshalb auch die Vorteile von Differenzsignalauswertungen genutzt werden.
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Vorzugsweise ist das mikromechanische Bauteil zusätzlich noch ausgebildet mit einem siebten Hebelelement, dessen erstes Ende auf der ersten Seite über eine siebte Hebelanbindungsfeder an der dritten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf einer von dem ersten Rotor weg gerichteten Seite des zweiten Rotors erstreckt, einem achten Hebelelement, dessen erstes Ende auf der zweiten Seite über eine achte Hebelanbindungsfeder an der vierten seismischen Masse angebunden ist, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf der von dem ersten Rotor weg gerichteten Seite des zweiten Rotors erstreckt, und einer vierten Hebelelementfeder, über welche das siebte Hebelelement und das achte Hebelelement miteinander verbunden sind. Damit kann auch der zweite Rotor mit einer Hebelstruktur aus dem fünften Hebelelement, dem sechsten Hebelelement, dem siebten Hebelelement, dem achten Hebelelement, der dritten Hebelelementfeder und der vierten Hebelelementfeder ausgebildet werden, welche sowohl bezüglich einer die dritte seismische Masse und die vierte seismische Masse mittig schneidenden ersten Symmetrieachse als auch bezüglich einer zwischen der dritten seismischen Masse und der vierten seismischen Masse verlaufenden vierten Symmetrieachse spiegelsymmetrisch ist.
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Als weitere vorteilhafte Weiterbildung können die erste Hebelelementfeder und die dritte Hebelelementfeder über ein Federelement miteinander verbunden sein. Mittels des Federelements kann eine gewünschte Gegenphasigkeit der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors zusammen mit der dritten seismischen Masse und der vierten seismischen Masse zu der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors zusammen mit der ersten seismischen Masse und der zweiten seismischen Masse sichergestellt werden.
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Alternativ oder ergänzend können die erste seismische Masse und die dritte seismische Masse über ein erstes Wippenelement miteinander verbunden sein und die zweite seismische Masse und die vierte seismische Masse über ein zweites Wippenelement miteinander verbunden sein. Auch mittels des ersten Wippenelements und des zweiten Wippenelements kann die gewünschte Gegenphasigkeit der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors mit der dritten seismischen Masse und der vierten seismischen Masse zu der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors mit der ersten seismischen Masse und der zweiten seismischen Masse sichergestellt werden.
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Bevorzugter Weise sind an der Substratoberfläche genau vier Befestigungsstrukturen befestigt, welche aus mindestens einer die Substratoberfläche zumindest teilweise abdeckenden Materialschicht gebildet sind, wobei eine erste Befestigungsstruktur der vier Befestigungsstrukturen in eine in dem ersten Rotor ausgebildete erste Aussparung hineinragt und der erste Rotor über die mindestens eine erste Rotoranbindungsfeder an der ersten Befestigungsstruktur angebunden ist, eine zweite Befestigungsstruktur der vier Befestigungsstrukturen in eine in dem zweiten Rotor ausgebildete zweite Aussparung hineinragt und der zweite Rotor über die mindestens eine zweite Rotoranbindungsfeder an der zweiten Befestigungsstruktur angebunden ist, das erste Wippenelement über eine an dem ersten Wippenelement verankerte erste Wippenstützfeder an einer dritten Befestigungsstruktur der vier Befestigungsstrukturen angebunden ist und das zweite Wippenelement über eine an dem zweiten Wippenelement verankerte zweite Wippenstützfeder an einer vierten Befestigungsstruktur der vier Befestigungsstrukturen angebunden ist. Die resultierende Aufhängung der zwei Rotoren an den genau vier Befestigungsstrukturen stellt eine gewünschte Auslenkbarkeit der zwei Rotoren und ihrer seismischen Massen als Reaktion auf eine Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils sicher und verhindert gleichzeitig eine Einkopplung von mechanischem Stress.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist die in die erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste seismische Masse mittels einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtete erste Drehachse in eine parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete erste Auslenkrichtung in Bezug zu dem ersten Rotor verstellbar, während die in die erste harmonische Schwingbewegung versetzte zweite seismische Masse mittels der Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Drehachse in eine parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete und der ersten Auslenkrichtung entgegen gerichtete zweite Auslenkrichtung in Bezug zu dem ersten Rotor verstellbar ist. Alternativ oder ergänzend kann bei einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine parallel zu der Substratoberfläche ausgerichtete zweite Drehachse der in die erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste Rotor um eine parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der zweiten Drehachse ausgerichtete erste Kippachse in Bezug zu dem Substrat verkippbar sein, während bei einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der zweiten Drehachse ausgerichtete dritte Drehachse der in die erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste Rotor um eine parallel zu der Substratoberfläche und senkrecht zu der ersten Kippachse ausgerichtete zweite Kippachse in Bezug zu dem Substrat verkippbar ist. Zumindest der erste Rotor (und evtl. auch der zweite Rotor) kann somit vorteilhaft zum Detektieren von Drehbewegungen des mikromechanischen Bauteils eingesetzt werden.
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Ebenso realisiert ein Drehratensensor mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil die vorausgehend erläuterten Vorteile.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch beim Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor gewährleistet. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von mikromechanischen Bauteilen 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;
- 2a bis 2e schematische Darstellungen 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 umfasst zumindest ein Substrat mit einer Substratoberfläche 10 und einen ersten Rotor 12a. Vorzugsweise ist das mikromechanische Bauteil auch noch mit einem zweiten Rotor 12b ausgebildet. Auf einer ersten Seite des ersten Rotors 12a und evtl. auch des zweiten Rotors 12b ist der erste Rotor 12a mit einer über mindestens eine erste Masseanbindungsfeder 14a an dem ersten Rotor 12a angebundenen ersten seismischen Masse 16a ausgebildet. Auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite des ersten Rotors 12a und evtl. auch des zweiten Rotors 12b weist der erste Rotor 12a außerdem eine über mindestens eine zweite Masseanbindungsfeder 14b an dem ersten Rotor 12a angebundene zweite seismische Masse 16b auf. Sofern vorhanden, ist der zweite Rotor 12b auf einer zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite liegenden dritten Seite des ersten Rotors 12a angeordnet. Gegebenenfalls ist der zweite Rotor 12b dann auf der ersten Seite mit einer über mindestens eine dritte Masseanbindungsfeder 14c an dem zweiten Rotor 12b angebundenen dritten seismischen Masse 16c und auf der zweiten Seite mit einer über mindestens eine vierte Masseanbindungsfeder 14d an dem zweiten Rotor 12b angebundenen vierten seismischen Masse 16d ausgebildet.
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Der erste Rotor 12a ist über zumindest eine erste Rotoranbindungsfeder 18a derart an der Substratoberfläche 10 angebunden, dass der erste Rotor 12a zusammen mit der ersten seismischen Masse 16a und der zweiten seismischen Masse 16b in eine erste harmonische Schwingbewegung um eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Rotationsachse versetzbar ist. Auch der zweite Rotor 12b kann über zumindest eine zweite Rotoranbindungsfeder 18b derart an der Substratoberfläche 10 angebunden sein, dass der zweite Rotor 12b zusammen mit der dritten seismischen Massen 16c und der vierten seismischen Masse 16d in eine zweite harmonische Schwingbewegung um eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10 und parallel zu der ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse versetzbar ist.
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Der erste Rotor 12a ist zumindest mit einem ersten Hebelelement 20a und einem zweiten Hebelelement 20b ausgestattet. Das erste Hebelelement 20a ist derart geformt, dass sich das erste Hebelelement 20a von seinem ersten Ende auf der ersten Seite bis zu seinem auf der dritten Seite des ersten Rotors 12a liegenden zweiten Ende erstreckt. Entsprechend erstreckt sich das zweite Hebelelement 20b von seinem ersten Ende auf der zweiten Seite bis zu seinem zweiten Ende auf der dritten Seite des ersten Rotors 12a. Während das erste Ende des ersten Hebelelements 20a über eine erste Hebelanbindungsfeder 22a an der ersten seismischen Masse 16a angebunden ist und das zweite Hebelelement 20b an seinem ersten Ende über eine zweite Hebelanbindungsfeder 22b an der zweiten seismischen Masse 16b angebunden ist, sind das erste Hebelelement 20a und das zweite Hebelelement 20b über eine erste Hebelelementfeder 24a miteinander verbunden. Insbesondere kann das zweite Ende des ersten Hebelelements 20a über die erste Hebelelementfeder 24a an dem zweiten Ende des zweiten Hebelelements 20b angebunden sein. Zumindest das erste Hebelelement 20a, das zweite Hebelelement 20b und die erste Hebelelementfeder 24a realisieren eine Hebelstruktur des ersten Rotors 12a, welche eine gewünschte Einhaltung der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors 12a zusammen mit der ersten seismischen Masse 16a und der zweiten seismischen Masse 16b verlässlich sicherstellt.
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Vorzugsweise umfasst die Hebelstruktur des ersten Rotors 12a noch ein drittes Hebelelement 20c, ein viertes Hebelelement 20d und eine zweite Hebelelementfeder 24b. Gegebenenfalls erstreckt sich das dritte Hebelelement 20c dann von seinem ersten Ende auf der ersten Seite zu seinem zweiten Ende auf einer zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite liegenden vierten Seite des ersten Rotors 12a. Auch das vierte Hebelelement 20d kann derart geformt sein, dass es von seinem ersten Ende auf der zweiten Seite bis zu seinem auf der vierten Seite des ersten Rotors 12a liegenden zweiten Ende verläuft. Zusätzlich können das erste Ende des dritten Hebelelements 20c über eine dritte Hebelanbindungsfeder 22c und das erste Ende des vierten Hebelelements 20d über eine vierte Hebelanbindungsfeder 22d an der ihnen jeweils benachbarten seismischen Masse 16a oder 16b angebunden sein. Über die zweite Hebelelementfeder 24b sind das dritte Hebelelement 20c und das vierte Hebelelement 20d, speziell bei dieser Ausführungsform das zweite Ende des dritten Hebelelements 20c und das zweite Ende des vierten Hebelelements 20d, miteinander verbunden. Die Hebelstruktur des ersten Rotors 12a ist damit spiegelsymmetrisch bezüglich einer die erste seismische Masse 16a und die zweite seismische Masse 16b schneidenden Symmetrieachse 26a des ersten Rotors 12a und bezüglich einer den ersten Rotor 12a und den zweiten Rotor 12b schneidenden ersten gemeinsamen Symmetrieachse 28 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b.
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Auch der zweite Rotor 12b kann mit einem fünften Hebelelement 20e, einem sechsten Hebelelement 20f und einer dritten Hebelelementfeder 24c ausgestattet sein. Gegebenenfalls erstreckt sich das fünfte Hebelelement 20e in diesem Fall von seinem ersten Ende auf der ersten Seite bis zu seinem zweiten Ende auf einer zu dem ersten Rotor 12a ausgerichteten Seite des zweiten Rotors 12b. Entsprechend kann auch das sechste Hebelelement 20f so ausgebildet sein, dass es sich von seinem ersten Ende auf der zweiten Seite zu seinem zweiten Ende auf der zu dem ersten Rotor 12a ausgerichteten Seite des zweiten Rotors 12b erstreckt. Vorzugsweise ist das erste Ende des fünften Hebelelements 20e über eine fünfte Hebelanbindungsfeder 22e an der dritten seismischen Masse 12c angebunden, während das erste Ende des sechsten Hebelelements 20f über eine sechste Hebelanbindungsfeder 22f an der vierten seismischen Masse 12d angebunden sein kann. Zusätzlich können das fünfte Hebelelement 20e und das sechste Hebelelement 20f, insbesondere ihre zweiten Enden, über die dritte Hebelelementfeder 24c miteinander verbunden sein. Der zweite Rotor 12b kann somit ebenfalls mit einer Hebelstruktur aus zumindest dem fünften Hebelelement 20e, dem sechsten Hebelelement 20f und der dritten Hebelelementfeder 24c ausgestattet sein, welche zur verlässlichen Einhaltung der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b zusammen mit der dritten seismischen Masse 16c und der vierten seismischen Masse 16d beiträgt. Das fünfte Hebelelement 20e, das sechste Hebelelement 20f und die dritte Hebelelementfeder 24c sind bevorzugter Weise bezüglich einer zwischen dem ersten Rotor 12a und dem zweiten Rotor 12b verlaufenden zweiten gemeinsamen Symmetrieachse 30 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b spiegelsymmetrisch zu dem ersten Hebelelement 20a, dem zweiten Hebelelement 20b und der erste Hebelelementfeder 24a.
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Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Hebelstruktur des zweiten Rotors 12b auch noch ein sich von seinem ersten Ende auf der ersten Seite zu seinem zweiten Ende auf einer von dem ersten Rotor 12a weg gerichteten Seite des zweiten Rotors 12b erstreckendes siebtes Hebelelement 20g, ein sich von seinem ersten Ende auf der zweiten Seite zu seinem zweiten Ende auf der von dem ersten Rotor 12a weg gerichteten Seite des zweiten Rotors 12b erstreckendes achtes Hebelelement 20h und eine vierte Hebelelementfeder 24d umfassen. Während das erste Ende des siebten Hebelelements 20g über eine siebte Hebelanbindungsfeder 22g an der dritten seismischen Masse 16c angebunden ist, kann das erste Ende des achten Hebelelements 20h über eine achte Hebelanbindungsfeder 22h an der vierten seismischen Masse 16d angebunden sein. Zusätzlich können das siebte Hebelelement 20g und das achte Hebelelement 20h, insbesondere ihre zweiten Enden, über die vierte Hebelelementfeder 24d miteinander verbunden sein. Das siebte Hebelelement 20g, das achte Hebelelement 20h und die vierte Hebelelementfeder 24d können bezüglich einer die dritte seismische Masse 16c und die vierte seismische Masse 16d schneidenden Symmetrieachse 26b des zweiten Rotors 12b spiegelsymmetrisch zu dem fünften Hebelelement 20e, dem sechsten Hebelelement 20f und der dritten Hebelelementfeder 24c sein. Vorzugsweise ist die Hebelstruktur des zweiten Rotors 12b auch spiegelsymmetrisch bezüglich der den ersten Rotor 12a und den zweiten Rotor 12b schneidenden ersten gemeinsamen Symmetrieachse 28 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b. Des Weiteren kann die Hebelstruktur des zweiten Rotors 12b bezüglich der zwischen dem ersten Rotor 12a und dem zweiten Rotor 12b verlaufenden gemeinsamen zweiten Symmetrieachse 30 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b spiegelsymmetrisch zu der Hebelstruktur des ersten Rotors 12a ausgebildet sein.
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Alle Hebelelemente 20a bis 20h bewirken eine vorteilhafte mechanische Kopplung der daran angebundenen seismischen Masse 16a bis 16d zu ihrem jeweiligen Rotor 12a oder 12b. Die mindestens eine Hebelelementfeder 24a bis 24a ist vorzugsweise jeweils eine biegeweiche Feder, wie z.B. eine biegeweiche Blattfeder.
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Bevorzugter Weise ist jedes Hebelelement 20a bis 20h zusätzlich über eine an dem jeweiligen Hebelelement 20a bis 20h verankerte Hebelstützfeder 32a bis 32h an dem zugeordneten Rotor 12a oder 12b angebunden. Die jeweilige Hebelstützfeder 32a bis 32h verbessert die Hebelfunktion des damit ausgestatteten Hebelelements 20a bis 20h. Als die mindestens eine Hebelstützfeder 32a bis 32h kann z.B. jeweils eine biegeweiche Feder, speziell eine biegeweiche Blattfeder, eingesetzt sein.
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Auch als die mindestens eine Hebelanbindungsfeder 22a bis 22h kann je eine biegeweiche Feder, insbesondere eine biegeweiche Blattfeder, verwendet werden. Bevorzugter Weise sind bei jedem der Hebelelemente 20a bis 20h die an dem jeweiligen Hebelelement 20a bis 20h verankerte Hebelanbindungsfeder 22a bis 22h und die an dem gleichen Hebelelement 20a bis 20h verankerte Hebelstützfeder 32a bis 32h um einen Neigungswinkel zwischen 30° und 90° geneigt zueinander, insbesondere senkrecht zueinander, ausgerichtet. Dies verbessert eine Hebelwirkung der Hebelelemente 20a bis 20h.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Hebelelementfeder 24a und die dritte Hebelelementfeder 24c über ein Federelement 34 miteinander verbunden sind. Mittels des Federelements 34 kann die gewünschte Einhaltung einer Phasenverschiebung von 180° zwischen der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors 12a und der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b sichergestellt werden. In diesem Fall ist die erste harmonische Schwingbewegung des ersten Rotors 12a gegenphasig zu der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b. Das Federelement 34 kann z.B. zwei parallel zu der zweiten gemeinsamen Symmetrieachse 30 ausgerichtete torsionsweichen Federn, wie speziell zwei parallel zu der zweiten gemeinsamen Symmetrieachse 30 ausgerichtete Blattfedern, umfassen, wobei jeweils die ersten Enden der torsionsweichen Federn/Blattfedern und die zweiten Enden der torsionsweichen Federn/Blattfedern über je einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind.
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Alternativ oder ergänzend können die erste seismische Masse 12a und die dritte seismische Masse 12c über ein erstes Wippenelement 36a miteinander verbunden sein, während die zweite seismische Masse 12b und die vierte seismische Masse 12d über ein zweites Wippenelement 36b miteinander verbunden sind. Auch mittels der Wippenelement 36a und 36b kann für die gewünschte Einhaltung der Phasenverschiebung von 180° zwischen der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors 12a und der zweiten harmonischen Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b gesorgt werden. Beispielsweise kann das erste Wippenelement 36a über eine erste Wippenanbindungsfeder 38a an der ersten seismischen Masse 12a und über eine dritte Wippenanbindungsfeder 38c an der dritten seismischen Masse 12c angebunden sein. Entsprechend kann das zweite Wippenelement 36b über eine zweite Wippenanbindungsfeder 38b an der zweiten seismischen Masse 12b und über eine vierte Wippenanbindungsfeder 38d an der vierten seismischen Masse 12d angebunden sein. Jede der Wippenanbindungsfedern 38a bis 38d ist vorzugsweise eine biegeweiche oder torsionsweiche Feder, wie z.B. eine biegeweiche oder torsionsweiche Blattfeder. Zur Verbesserung ihrer Wippenfunktion können das erste Wippenelement 36a zumindest über eine an dem ersten Wippenelement 36a verankerte erste Wippenstützfeder 40a und das zweite Wippenelement 36b zumindest über eine an dem zweiten Wippenelement 36b verankerte zweite Wippenstützfeder 40b an der Substratoberfläche 10 angebunden sein. Als Wippenstützfedern 40a und 40b können z.B. je eine torsionsweiche Federn, insbesondere je eine torsionsweiche Blattfeder, genutzt werden.
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Vorzugsweise ist der erste Rotor 12a zentral (d.h. in seinem Masseschwerpunkt) über seine mindestens eine erste Rotoranbindungsfeder 18a an der Substratoberfläche 10 aufgehängt. Speziell ist dazu bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine erste Befestigungsstruktur 42a an der Substratoberfläche 10 befestigt, welche in eine in dem ersten Rotor 12a ausgebildete erste Aussparung hineinragt. Der erste Rotor 12a kann dann über seine mindestens eine an einem Rand der ersten Aussparung verankerte erste Rotoranbindungsfeder 18a an der ersten Befestigungsstruktur 42a angebunden sein. Beispielsweise kann die erste Befestigungsstruktur 42a kardanisch zwischen den zwei ersten Rotoranbindungsfedern 18a des ersten Rotors 12a liegen. Evtl. ragt auch eine an der Substratoberfläche 10 befestigte zweite Befestigungsstruktur 42b in eine zweite Aussparung des zweiten Rotors 12b so hinein, dass der zweite Rotor 12b über die mindestens eine an einem Rand der zweiten Aussparung verankerte zweite Rotoranbindungsfeder 18b an der zweiten Befestigungsstruktur 42b angebunden ist. Auch die zweite Befestigungsstruktur 42b kann kardanisch zwischen zwei zweiten Rotoranbindungsfedern 18b des zweiten Rotors 12b angeordnet sein.
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Zusätzlich können das erste Wippenelement 36a über die erste Wippenstützfeder 40a an einer dritten Befestigungsstruktur 42c und das zweite Wippenelement 36b über die zweite Wippenstützfeder 40b an einer vierten Befestigungsstruktur 42d angebunden sein. Bevorzugter Weise sind nur die vier Befestigungsstrukturen 42a bis 42d an der Substratoberfläche 10 befestigt. Die Aufhängung der Rotoren 12a und 12b an der Substratoberfläche 10 über lediglich die vier Befestigungsstrukturen 42a bis 42d gewährleistet eine vorteilhafte Verstellbarkeit der Rotoren 12a und 12b und/oder ihrer seismischen Massen 16 bis 16d als Reaktion auf Drehbewegungen des mikromechanischen Bauteils. Zur Realisierung der vorteilhaften Anbindung der vier Befestigungsstrukturen 42a bis 42d an der Substratoberfläche 10 können die Befestigungsstrukturen 42a bis 42d aus mindestens einer die Substratoberfläche 10 zumindest teilweise abdeckenden Materialschicht gebildet sein. Die vier Befestigungsstrukturen 42a bis 42d können relativ zentral und symmetrisch zueinander angeordnet sein. Das mikromechanische Bauteil reagiert in diesem Fall deutlich weniger empfindlich auf Verbiegungen seines Substrats.
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Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil kann vorteilhaft für einen Drehratensensor eingesetzt werden. Zur Erläuterung der harmonischen Schwingbewegungen seiner Rotoren 12a und 12b und der Reaktionen der Rotoren 12a und 12b und/oder der seismischen Massen 16a bis 16d auf Drehbewegungen des mikromechanischen Bauteils wird auf die Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsform verwiesen.
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2a bis 2e zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 2a in seiner Ruhestellung gezeigte mikromechanische Bauteil weist die Komponenten der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform auf. Bezüglich der Merkmale dieser Komponenten und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen.
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In der 2b sind mittels der Pfeile 50a die erste harmonische Schwingbewegung des ersten Rotors 12a zusammen mit seiner ersten seismischen Masse 16a und seiner zweiten seismischen Masse 16b um die erste Rotationsachse 52a und mittels der Pfeile 50b die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b zusammen mit seiner dritten seismischen Masse 16c und seiner vierten seismischen Masse 16d um die zweite Rotationsachse 52b wiedergegeben. Erkennbar ist, dass die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Rotors 12b zusammen mit seiner dritten seismischen Masse 16c und seiner vierten seismischen Masse 16d gegenphasig (d.h. um 180° phasenverschoben) zu der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Rotors 12a zusammen mit seiner ersten seismischen Masse 16a und seiner zweiten seismischen Masse 16 ist. Der erste Rotor 12a und der zweite Rotor 12b bilden somit einen gegenphasig schwingenden Doppelrotor. Der erste Rotor 12a und der zweite Rotor 12b können zusammen mit ihren seismischen Massen 16a bis 16d mittels einer nicht bildlich dargestellten Aktoreinrichtung in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzt werden. Da Ausführungsbeispiele für eine derartige Aktoreinrichtung aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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2c zeigt das mikromechanische Bauteil, bei welchem der erste Rotor 12a und der zweite Rotor 12b zusammen mit ihren seismischen Massen 16a bis 16d in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzt sind, bei einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Drehachse. (Da die erste Drehachse senkrecht zu der die Substratoberfläche 10 wiedergebenden Bildebene der 2c ausgerichtet ist, ist sie nicht bildlich dargestellt.)
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Wie in 2c mittels der Pfeile 54a bildlich wiedergegeben ist, bewirkt die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die senkrecht zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Drehachse eine Verstellbewegung der in die erste harmonische Schwingbewegung versetzten ersten seismischen Masse 16a in eine parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete erste Auslenkrichtung in Bezug zu dem ersten Rotor 12a. Demgegenüber wird, wie mittels der Pfeile 54b angezeigt ist, die in die erste harmonische Schwingbewegung versetzten zweite seismische Masse 16b durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Drehachse in eine parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete und der ersten Auslenkrichtung entgegen gerichtete zweite Auslenkrichtung in Bezug zu dem ersten Rotor 12a verstellt. Aufgrund der entgegen gerichteten Auslenkrichtungen der seismischen Massen 16a und 16b können ihre durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Drehachse ausgelösten Verstellbewegungen deutlich von beschleunigungsausgelösten Auslenkbewegungen der seismischen Massen 16a und 16b in eine gemeinsame Richtung unterschieden werden.
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Die gegenphasigen harmonischen Schwingbewegungen der Rotoren 12a und 12b und ihrer seismischen Massen 16a bis 16d bewirken außerdem, dass durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die erste Drehachse die in die zweite harmonische Schwingbewegung versetzte dritte seismische Masse 16c in die zweite Auslenkrichtung (siehe Pfeile 54c) und die ebenfalls in die zweite harmonische Schwingbewegung versetzte vierte seismische Masse 16d in die erste Auslenkrichtung (siehe Pfeile 54d) in Bezug zu dem zweiten Rotor 12b verstellt werden. Die Masseanbindungsfedern 14a bis 14d, über welche die seismischen Massen 16a bis 16d an ihrem jeweiligen Rotor 12a oder 12b angebunden sind, können vergleichsweise weich in Richtung der ersten Auslenkrichtung und der zweiten Auslenkrichtung ausgebildet sein. Für die Federn 14a bis 14d können z.B. Blattfedern eingesetzt sein.
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Die mittels der Pfeile 54a bis 54d wiedergegebenen Verstellbewegungen der seismischen Massen 16a bis 16d in ihre jeweilige Auslenkrichtung können aufgrund der vorteilhaften Symmetrie des mikromechanischen Bauteils bezüglich der gemeinsamen Symmetrieachse 28 und 30 unter Verwendung von symmetrischen Detektionselektroden und durch Auswertung mindestens eines von den Detektionselektroden bereitgestellten Differenzsignals verlässlich detektiert werden. Das mikromechanische Bauteil kann deshalb vorteilhaft zum Nachweisen einer Drehbewegung um die erste Drehachse und/oder zum Messen einer ersten Drehrate einer Drehbewegung um die erste Drehachse eingesetzt werden.
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2d zeigt das mikromechanische Bauteil, bei welchem der erste Rotor 12a und der zweite Rotor 12b zusammen mit ihren seismischen Massen 16a bis 16d in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzt sind, bei einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine parallel zu der Substratoberfläche 10 ausgerichtete zweite Drehachse D2. Lediglich beispielhaft ist die zweite Drehachse D2 gleich der ersten gemeinsamen Symmetrieachse 28 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b.
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Erkennbar ist, dass durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Drehachse D2 der in die erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste Rotor 12a um eine erste Kippachse 56a in Bezug zu dem Substrat verkippt wird. Die erste Kippachse 56a ist parallel zu der Substratoberfläche 10, jedoch senkrecht zu der zweiten Drehachse D2 ausgerichtet. Entsprechend löst die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Drehachse D2 auch eine Kippbewegung des in die zweite harmonische Schwingbewegung versetzten zweiten Rotors 12b um eine zweite Kippachse 56b aus, wobei die zweite Kippachse 56b parallel zu der ersten Kippachse 56a ausgerichtet ist. Insbesondere kann die erste Kippachse 56a des ersten Rotors 12a auf der Symmetrieachse 26a des ersten Rotors 12a liegen, während sich die zweite Kippachse 56b des zweiten Rotors mit der Symmetrieachse 26b des zweiten Rotors 12b deckt.
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Aufgrund der gegenphasigen harmonischen Schwingbewegungen der Rotoren 12a und 12b und ihrer seismischen Massen 16a bis 16d sind die durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Drehachse D2 ausgelösten Kippbewegungen der Rotoren 12a und 12b um ihre jeweilige Kippachse 56a und 56b außerdem spiegelsymmetrisch bezüglich der parallel zu den Kippachsen 56a und 56b verlaufenden zweiten gemeinsamen Symmetrieachse 30 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b. Deshalb können die von der Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die zweite Drehachse D2 ausgelösten Kippbewegungen der Rotoren 12a und 12b um ihre jeweilige Kippachse 56a oder 56b mittels einer Auswertung des mindestens einen von den symmetrischen Detektionselektroden bereitgestellten Differenzsignals verlässlich detektiert werden. Das mikromechanische Bauteil kann darum vorteilhaft zum Nachweisen einer Drehbewegung um die zweite Drehachse D2 und/oder zum Messen einer zweiten Drehrate einer Drehbewegung um die zweite Drehachse D2 eingesetzt werden.
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2e zeigt das mikromechanische Bauteil, bei welchem der erste Rotor 12a und der zweite Rotor 12b zusammen mit ihren seismischen Massen 16a bis 16d in ihre jeweilige harmonische Schwingbewegung versetzt sind, während einer Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um eine parallel zu der Substratoberfläche 10 und senkrecht zu der zweiten Drehachse D2 ausgerichtete dritte Drehachse D3. Die dritte Drehachse D3 kann beispielsweise gleich der zweiten gemeinsamen Symmetrieachse 30 des ersten Rotors 12a und des zweiten Rotors 12b sein.
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Durch die Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die dritte Drehachse D3 werden der in seine erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste Rotor 12a und der in seine zweite harmonische Schwingbewegung versetzte zweite Rotor 12b jeweils um eine parallel zu der Substratoberfläche 10 und senkrecht zu der dritten Drehachse D3 ausgerichtete gemeinsame Kippachse 58 in Bezug zu dem Substrat verkippt. Aufgrund der Phasenverschiebung von 180° zwischen den harmonischen Schwingbewegungen wird jedoch der in seine erste harmonische Schwingbewegung versetzte erste Rotor 12a in eine erste Drehrichtung 60a um die Kippachse 58 in Bezug zu dem Substrat verkippt, während der in seine zweite harmonische Schwingbewegung versetzte zweite Rotor 12b in einer der ersten Drehrichtung 60a entgegen gerichteten zweiten Drehrichtung 60b um die Kippachse in Bezug zu dem Substrat gedreht wird. Darum können die von der Drehbewegung des mikromechanischen Bauteils um die dritte Drehachse D3 ausgelösten Kippbewegungen der Rotoren 12a und 12b um die Kippachse 58 mittels einer Auswertung des mindestens einen von den symmetrischen Detektionselektroden bereitgestellten Differenzsignals verlässlich detektiert werden. Damit kann das mikromechanische Bauteil auch vorteilhaft zum Nachweisen einer Drehbewegung um die dritte Drehachse D3 und/oder zum Messen einer dritten Drehrate einer Drehbewegung um die dritte Drehachse D3 genutzt werden.
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Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können zur Realisierung von vibrationsrobusten oder hochsensitiven Drehratensensoren genutzt werden. Ein derartiger Drehratensensor kann insbesondere in Bereichen mit hohen Vibrationen, wie beispielsweise in einem Fahrzeug, auf einer Pumpe oder auf einem Ventiltrieb, verbaut werden. Selbst wenn ein derartiger Drehratensensor für Consumer-Anwendungen eingesetzt wird, sind trotz Vibrationsalarm und Lautsprecherbetrieb noch Drehraten verlässlich messbar. Der durch die Rotoren 12a und 12b realisierte gegenphasig schwingende Doppelrotor kann trotz seiner platzsparenden Ausbildung zur Detektion von Drehbewegungen um drei Raumrichtungen D2 und D3 eingesetzt werden.
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Das Design der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile erleichtert auch ihre Miniaturisierung. Eine Modendichte des Designs ist deutlich geringer als beim Stand der Technik, wodurch ein Drehratensensor mit deutlich weniger und besser steuerbaren Modensprüngen realisiert werden kann. Auch ein Closed-Loop-Konzept kann an dem jeweiligen Drehratensensor realisiert sein.
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Aufgrund seiner vergleichsweise geringen Gesamt-Anzahl von Masseelementen weist jedes der oben erläuterten mikromechanischen Bauteile außerdem vergleichsweise wenige Störmoden bei hohen Frequenzen auf. Es ist deshalb weniger anfällig für Störungen.
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Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Design der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile keine mechanische Brücke benötigt. Es treten deshalb bei den mikromechanischen Bauteilen auch keine durch mechanische Brücken bedingte Massenasymmetrien auf. Aufgrund seiner Symmetrie bezüglich der gemeinsamen Symmetrieachsen 28 und 30 tritt bei keinem der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile eine unerwünschte Auskopplung von Energie oder eine systematische Offset-Verschiebung auf.
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Die symmetrischen Detektionselektroden werden vorzugsweise zwischen den Hebelelementen 20a bis 20h und dem Substrat angeordnet. Die Hebelelemente 20a bis 20h können somit auch noch als Detektionsflächen genutzt 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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Mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahren können beispielsweise die oben erläuterten mikromechanischen Bauteile produziert werden. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens nicht auf das Produzieren eines dieser Bauteile beschränkt ist.
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In einem Verfahrensschritt S1 wird ein Rotor gebildet, welcher auf einer ersten Seite mit einer über mindestens eine erste Masseanbindungsfeder an dem Rotor angebundenen ersten seismischen Masse und auf einer von der ersten Seite weg gerichteten zweiten Seite mit einer über mindestens eine zweite Masseanbindungsfeder an dem Rotor angebundenen zweiten seismischen Masse ausgebildet wird. Zusätzlich wird der Rotor über zumindest eine Rotoranbindungsfeder derart an einer Substratoberfläche eines Substrats angebunden, dass der Rotor zusammen mit der ersten seismischen Masse und der zweiten seismischen Masse in eine harmonische Schwingbewegung um eine senkrecht zu der Substratoberfläche ausgerichtete Rotationsache versetzbar ist.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird ein erstes Hebelelement geformt, dessen erstes Ende auf der ersten Seite über eine erste Hebelanbindungsfeder an der ersten seismischen Masse angebunden wird, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf einer zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite liegenden dritten Seite des Rotors erstreckt. Entsprechend wird in einem Verfahrensschritt S3 ein zweites Hebelelement gebildet, dessen erstes Ende auf der zweiten Seite über eine zweite Hebelanbindungsfeder an der zweiten seismischen Masse angebunden wird, und welches sich von seinem ersten Ende zu seinem zweiten Ende auf der dritten Seite des Rotors erstreckt. Mittels einer als Verfahrensschritt S4 gebildeten ersten Hebelelementfeder werden das erste Hebelelement und das zweite Hebelelement miteinander verbunden.
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Das hier beschriebene Herstellungsverfahren ist ein einfacher und kostengünstig ausführbarer Herstellungsprozess. Dabei können die Verfahrensschritte S1 bis S4 in beliebiger Reihenfolge, zeitlich überschneidend oder gleichzeitig ausgeführt werden. Das mittels des Herstellungsverfahrens produzierte mikromechanische Bauteil ist sehr kompakt ausführbar, leicht miniaturisierbar und kann trotzdem eine hohe Messsensitivität aufweisen. Außerdem kann das hier beschriebene Herstellungsverfahren gemäß den ober erläuterten mikromechanischen Bauteilen weitergebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062095 A1 [0002]
