EP4735829A1 - Mikroelektromechanische kopplungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung (100) zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten weist eine flexible Ringstruktur (110), die in Ruhe einen Kreis formt, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden kann und die zur Kopplung der mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist, und eine Mehrzahl von Federelementen (120) auf, die geeignet sind, die Ringstruktur (110) mit einem Substrat (200) zu verbinden. Hierbei weist jedes Federelement (120) zumindest eine Tangentialfeder (122), die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur (110) ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder (124) auf, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur (110) ausgelenkt werden kann. Die Tangentialfeder (122) und die Radialfeder (124) jedes Federelements (120) sind eigenständige Bauelemente sind und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder (122) und der Radialfeder (124) jedes Federelements (120) ist derart ausgestaltet, dass eine die Ringstruktur (110) verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur (110) translatorisch und/oder rotatorisch zum Substrat (200) verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen und/oder rotatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist.

Description

Mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten sowie ein Ringgyroskop mit einer derartigen Kopplungsvorrichtung.

In mikromechanischen Messvorrichtungen wie etwa Drehraten- oder Beschleunigungssensoren müssen häufig verschiedene mikromechanische Komponenten, wie z.B. Schwingungssysteme oder Massen, miteinander verbunden werden, um die jeweiligen Bewegungen miteinander zu koppeln.

Oftmals wäre hierbei eine Kopplung durch einen frei schwebenden, nicht gelagerten Ring wünschenswert, da dieser auf eine radiale Krafteinwirkung mit einer Auslenkung reagiert, die, unabhängig von der Stelle in Umfangsrichtung, an der die radiale Krafteinwirkung erfolgt, die gleiche Amplitude hat. Ebenso kann es vorteilhaft sein, einen frei schwebenden Ring als Drehratensensor zu verwenden, in dem einer Anregungsschwingung bei Drehung aufgrund der Corioliskraft eine Detektionsschwingung überlagert wird.

Problematisch hierbei ist aber, dass ohne jegliche Verbindung zu einem Substrat der Messvorrichtung translatorische Moden, Rotationsmoden, bei denen der Ring als Ganzes rotiert, oder weitere parasitäre Moden die ersten Eigenmoden bilden. Diese sind aber nicht erwünscht. Zudem ist die Herstellung eines nicht gelagerten Rings zur Kopplung von mikroelektromechanischen Komponenten fertigungstechnisch mit großem Aufwand verbunden.

Bekannt ist hier z.B. die Verwendung von Systemen mit mehreren Ringen, die durch steife, kurze Anbindungen (sogenannte Spokes) miteinander verbunden sind. Die Spokes für sich sind zwar sehr platzsparend. Durch die Notwendigkeit mehrere Ringe vorzuhalten, um eine entsprechende Lagerung zu erhalten, wird diese Platzersparnis aber zum Teil wieder kompensiert. Zudem haben die Spokes aufgrund ihrer Steifheit keine Resonanzen im Bereich von wenigen kHz. Auch ist mit diesem Aufbau ein homogenes Verhalten in Umfangsrichtung nur schwer zu erreichen. Alternativ werden extrem lange und damit platzraubende, aber auch sehr weiche Federn eingesetzt. Damit können zwar niedrige Resonanzfrequenzen realisiert werden, allerdings sind auch hier die Abweichungen zum idealen Ring sehr groß, da kein homogenes Verhalten in Umfangsrichtung erreicht werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine mikromechanische Kopplungsvorrichtung bzw. ein Ringgyroskop anzugeben, bei der die Anregung von translatorischen Moden unterdrückt und gleichzeitig Bauraum gegenüber den bekannten Lösungen eingespart werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Eine mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten weist eine flexible Ringstruktur, die in Ruhe einen Kreis formt, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden kann und die zur Kopplung der mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist; und eine Mehrzahl von Federelementen auf, die geeignet sind, die Ringstruktur mit einem Substrat zu verbinden. Hierbei weist jedes Federelement zumindest eine Tangentialfeder, die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder auf, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur ausgelenkt werden kann. Die Tangentialfeder und die Radialfeder jedes Federelements sind eigenständige Bauelemente und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder und der Radialfeder jedes Federelements ist derart ausgestaltet, dass eine die Ringstruktur verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur translatorisch und/oder rotatorisch zum Substrat verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen und/oder rotatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung.

Die Kopplungsvorrichtung weist also als Grundstruktur einen Ring auf, der über einem Substrat gelagert ist und z.B. die Form eines in sich geschlossenen Stegs aufweist, dessen Höhe senkrecht zum Substrat ein Vielfaches seiner Breite parallel zum Substrat aufweist. In der Ruhelage bildet dieser Ring einen Kreis im weitesten Sinn, d.h. eine geschlossene Kurve, der parallel zum Substrat liegt. Eine Verformung des Rings ist dann im Wesentlichen nur parallel zum Substrat möglich, d.h. Auslenkungen senkrecht zum Substrat sind für den Betrieb vernachlässigbar.

Um die translatorische und/oder rotatorische Mode bzw. Schwingung zu unterdrücken, ist die Ringstruktur über Federelemente mit dem Substrat verbunden, die aus Tangentialfedern und Radialfedern zusammengesetzt sind, d.h. aus Federn die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur bzw. senkrecht zur Ringstruktur ausgelenkt werden können. Die Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern können durch entsprechende Dimensionierung der Federn bei der Konzeption und Fertigung der Kopplungsvorrichtung unabhängig voneinander eingestellt werden. Auf diese Weise kann ein Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern jedes Federelementes eingestellt werden, bei dem die translatorische Mode oder anderen störenden Moden wie z. B. Rotationsmoden gegenüber zumindest einer „echten“, d.h. die Ringstruktur verformenden, Schwingungsmode, im Folgenden auch Biegemode genannt, energetisch benachteiligt ist. Damit wird sichergestellt, dass die Ringstruktur sich bei einer Anregung wie gewünscht verformt und nicht eine bloße Seitwärtsbewegung ausführt.

Zusätzlich oder alternativ kann durch die Einstellung des Verhältnisses der Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern erreicht werden, dass sich die Eigenfrequenz der translatorischen Mode und/oder der Rotationsmode ausreichend von der nächstgelegenen Eigenfrequenz der Biegemode unterscheidet. Damit wird sichergestellt, dass ein z. B. die translatorische Mode anregender Kraftstoß auf die Kopplungsvorrichtung nicht in die eigentlich angestrebte Schwingungsmode einkoppelt und diese stört. Auf diese Weise können also Störungen einer Betriebsschwingung der Ringstruktur unterbunden werden.

Die Möglichkeit, die oben genannten Effekte durch das Vorsehen von unabhängig voneinander agierenden Tangential- und Radialfedern zu erreichen, kann wie folgt verstanden werden.

In der ersten nicht-translatorischen Schwingungsmode schwingt der Ring in Form einer Ellipse. Dabei bilden sich zu jedem Zeitpunkt zwei Schwingungsbäuche, d.h. Orte mit maximaler Amplitude aus. Diese Mode wird deshalb auch n = 2 Eigenmode genannt. Weitere Biege- Eigenmode mit mehreren Schwingungsbäuchen werden entsprechend als n = 3, 4, 5,... Eigenmoden bezeichnet.

Aufgrund der elliptischen Form der n = 2 Eigenmode lässt sich die Abweichung des Rings von der Kreisform in Zylinderkoordinaten für jeden Punkt wie folgt parametrisieren: <t> _r,i = cos(20) für die radiale Richtung und <t> e,i = - sin(26) für die tangentiale Richtung. Der Winkel 0 beschreibt dabei den umlaufenden Winkel.

Die Punkte auf dem Ring erfahren also neben einer radialen auch eine tangentiale Auslenkung. Die tangentiale Auslenkung ist dabei maximal halb so groß wie die radiale Auslenkung. Außerdem ist die Summe der radialen Auslenkung der Punkte größer als die Summe der tangentialen Auslenkung. Es findet also mehr radiale Auslenkung als tangentiale Auslenkung statt.

Es gibt Punkte, die nur eine radiale oder tangentiale Auslenkung, und Punkte, die eine überlagerte Auslenkung in radialer und tangentialer Richtung erfahren.

Verwendet man Federelemente zur Aufhängung einer Ringstruktur, die unabhängig voneinander auslenkbare Radial- und Tangentialfedern aufweisen, lassen sich über das Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangentialfedern und der Radialfedern jedes Federelements die Auslenkungen in radialer und tangentialer Richtung kontrollieren. Je größer die Federsteifigkeit in tangentialer Richtung im Vergleich zur Federsteifigkeit in radialer Richtung ist, desto weniger weit wird die Tangentialfeder bei gleichem Kraftaufwand im Vergleich zur Radialfeder ausgelenkt. Entsprechend lässt sich auch die Ringstruktur in tangentialer Richtung weniger leicht verformen als in radialer Richtung, wenn die Federsteifigkeit der T angentialfedern im Vergleich zu der Federsteifigkeit der Radialfedern groß ist.

Im Gegensatz zur n=2 Eigenmode verformt sich ein Ring bei einer translatorischen Bewegung nicht, sondern verhält sich näherungsweise wie ein Starrköper mit einer Masse. Bewegt sich die mittels der Federelemente ans Substrat gekoppelte Ringstruktur also rein translatorisch über das Substrat, so werden nur die Federelemente verformt, aber nicht die Ringstruktur. Die AuslenkungA/erformung der Federelemente unterscheidet sich dabei von der Auslenkung der Federelemente in der n=2 Eigenmode. Hier gilt nicht mehr, dass die tangentiale Auslenkung maximal die Hälfte der radialen Auslenkung beträgt. Außerdem ist die Summe der tangentialen Auslenkung der Punkte größer als im Falle der n=2 Eigenmode. Die Summe der radialen Auslenkungen bleibt dabei näherungsweise unverändert.

Analog verhält sich ein Ring bei einer Rotationsmode. Hier rotiert der Ring als Starrkörper um die Mittenachse und es werden lediglich die Federn ausgelenkt. Hierbei werden die Federn näherungsweise ausschließlich in tangentialer Richtung ausgelenkt.

Dementsprechend lässt sich die translatorische Mode und die Rotationsmoden der Ringstruktur durch eine Verwendung von unabhängigen Radial- und Tangentialfedern in jedem der Federelemente unterdrücken bzw. zu höheren Frequenzen verschieben, weil diese durch ihre separat einstellbaren Federsteifigkeiten eine Auslenkung der Ringstruktur in tangentialer Richtung um mehr als die Hälfte der Auslenkung in radialer Richtung unterdrücken können. Die n = 2 Eigenmode kann also gegenüber der translatorischen Mode und/oder Rotationsmode energetisch begünstigt werden.

Dasselbe gilt auch für die höheren Biegeeigenmoden (n=3, 4, 5, ...). Auch diese Moden können durch ein entsprechendes Design der Radial- und Tangentialfedern der Federelemente gegenüber der Translations-/Rotationsmode energetisch begünstigt werden. Entsprechend lassen sich durch Einstellen der Federsteifigkeiten auch die Eigenfrequenzen der Schwin- gungs-/Biegeeigenmoden von der Eigenfrequenz der translatorischen Mode und/oder Rotationsmode separieren.

Die Federelemente können derart ausgebildet sein, dass das Verhältnis der Federsteifigkeit der Tangentialfeder zu der Federsteifigkeit der Radialfeder in einem Bereich von 1 bis 3 liegt. Dies gewährleistet, dass die translatorische Mode und/oder Rotationsmode nicht die energetisch günstigste Mode ist bzw. dass ihre Eigenfrequenz ausreichend weit von den (oder zumindest einer) Eigenfrequenzen der Biegeeigenmoden liegt.

Die Ringstruktur kann geeignet sein, zu Schwingungen mit einer Amplitude, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 pm und 10 pm, angeregt zu werden, bei denen die Federsteifigkeiten der Tangentialfedern und der Radialfedern konstant bleiben. Das heißt, sowohl die Tangential- als auch die Radialfedern bleiben bei den durch die Ringstruktur bei Betrieb der Kopplungsvorrichtung auftretenden Schwingungen im linearen Bereich, in dem die Auslenkung direkt proportional zur auslenkenden Kraft ist, d.h. in dem die Federsteifigkeit konstant ist. Dies lässt sich insbesondere durch die separate Ausgestaltung der Tangential- und Radialfedern erreichen, die die Bewegungen in ihre entsprechende Vorzugsrichtung abfedern können.

Die Federelemente können eine radiale Ausdehnung von weniger als 25% des Radius der Ringstruktur im Ruhezustand haben. Dies wird ebenfalls durch die separate Auslegung von Tangential- und Radialfedern ermöglicht. Insbesondere können die Radialfedern in radialer Richtung der Ringstruktur schmal sein und z.B. nur 10% oder 5% des Radius der Ringstruktur einnehmen. Da die Tangentialfedern nur eine kleinere Auslenkung als die Radialfedern ermöglichen müssen/sollen, können auch diese kompakt ausgestaltet werden. Dadurch lässt sich eine kompakte Aufhängung der Ringstruktur und damit ein kompakter Aufbau der Kopplungsvorrichtung erreichen.

Die Federelemente können hierbei von außen mit der Ringstruktur verbunden sein. Dies erlaubt es, den Bauraum im Inneren der Ringstruktur freizuhalten, z.B. für weitere Bauteil mit zusätzlicher Funktionalität. Aufgrund des geringen Platzbedarfs der Federelemente wird hierbei auch im Außenbereich der Ringstruktur nicht viel Platz benötigt. Die Kopplungsvorrichtung kann dadurch kompakt und dennoch mit erhöhter Funktionalität ausgestattet sein.

Jedes Federelement kann derart ausgebildet sein, dass für Auslenkungen der Tangentialfeder in tangentiale Richtung weniger als die Hälfte an Raum zur Verfügung steht als für Auslenkungen der Radialfeder in radiale Richtung. Wie oben dargestellt sollen Schwingungen der Ringstruktur energetisch bevorzugt werden, bei denen der tangentiale Bewegungsanteil der Ringstruktur nur maximal halb so groß ist wie der radiale Bewegungsanteil. Entsprechend lässt sich der für die tangentialen Bewegungen freizuhaltenden Bauraum reduzieren und der freiwerdende Bauraum für andere Bauteile verwenden. Dadurch wird die Kopplungsvorrichtung kompakter und kann dennoch mit einer Vielzahl von Bauelementen ausgestattet sein.

In Umfangsrichtung der Ringstruktur können zwischen den Federelementen Elektroden zum Anregen und/oder zum Auslesen von Schwingungen der Ringstruktur angeordnet sein. Die Ringstruktur ist dadurch besonders kompakt ausgestaltet. Jede der Elektroden kann sich in Umfangsrichtung über einen von der Mitte der Ringstruktur aus gemessenen Winkel zwischen 10° und 45° erstrecken, vorzugsweise über einen Winkel zwischen 15° und 30° und weiter vorzugsweise über einen Winkel von 18°. Dadurch stehen die Elektroden mit großen, zusammenhängenden Abschnitten der Ringstruktur in Kontakt. Dadurch reduziert sich die für eine aufzubringende/auszulesende Kraft notwendige Spannung an den Elektroden. Dies macht den Betrieb der Kopplungsvorrichtung effizienter.

Die Federelemente können in Umfangsrichtung der Ringstruktur gleichmäßig verteilt sein. Dies erleichtert die Fertigung der Kopplungsvorrichtung.

Jedes Federelement kann die Ringstruktur über genau eine Ankerstruktur mit dem Substrat verbinden. Hierdurch wird der Dämpfungsmechanismus der sogenannten „Ankerverluste“ reduziert. Ankerverluste entstehen, wenn Kräfte über mehrere Punkte ins Substrat eingeleitet werden, die sich dann erst auf Ebene des Substrates ausgleichen können. Die „Ankerverluste“ beschreiben die Energie, welche durch Kräfte und Momente an den Ankern ins Substrat eingeleitet wird und über das Substrat in die Umgebung dissipiert und somit verloren geht. Dem kann entgegengewirkt werden, indem sich Kräfte und Momente ausgleichen und diese Kräfte und Momente an möglichst wenig und möglichst zentralen Punkten an das Substrat abgegeben werden. Dementsprechend verringert die Verwendung von nur einer Ankerstruktur das Auftreten von derartigen Ankerverlusten.

In jedem Federelement kann die Radialfeder eine doppelt gefaltete Biegenbalkenfeder aufweisen, die sich in tangentialer Richtung erstreckt und die in radialer Richtung an das Substrat und die Tangentialfeder angebunden ist, und die Tangentialfeder kann eine mehr als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder sein oder mindestens zwei doppelt gefaltete Biegebalkenfedern aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und die in radialer Richtung an die Radialfeder und die Ringstruktur angebunden sind. Dadurch lassen sich Federelemente, die dem oben gesagten entsprechen, in einfacher Weise herstellen.

Ein Ringgyroskop kann eine mikromechanische Kopplungsvorrichtung aufweisen, wie sie oben beschrieben wurde. Hierbei kann die Ringstruktur geeignet sein, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird. Die Federelemente stellen hierbei die mikroelektromechanischen Komponenten dar. Auf diese Weise kann ein Ringgyroskop realisiert werden, bei dem die unerwünschte translatorische Mode bzw. deren Eigenfrequenz ausreichend von den gewünschten Betriebsmoden bzw. deren Frequenzen getrennt werden können.

Hierbei kann der sogenannte „Angular gain“ der zweiten Eigenschwingung der Ringstruktur, welcher sich aus dem Verhältnis von Coriolismasse zur doppelten modalen Masse bildet, in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,4, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,4 und weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,4 liegen, wobei die Endpunkte Teil der angegebenen Bereiche sind. Die modale Masse beschreibt hierbei die anteilige Masse an der zugehörigen Eigenschwingung, d.h. einer effektiven Masse der entsprechenden Eigenschwingung. Sie ergibt sich aus dem Eigenvektor der entsprechenden Mode und der Massenverteilung. Die Coriolismasse setzt sich aus allen Massepunkten zusammen, die sich bei einer angeregten Schwingung in Richtung der anregenden Schwingung bewegen und während der Detektion in Richtung der Detektions-Schwingung. Aus dem Verhältnis von Coriolismasse und modaler Masse lässt sich der sog. „angular gain“ bestimmen. Der theoretisch maximale angular gain liegt bei 1 (Foucaultsches Pendel). Ein großer angular gain ist vorteilhaft und lässt sich als Verstärkungsfaktor des Drehratensignals verstehen. Theoretisch beträgt der angular gain eines Ringgyroskops in der n = 2 Eigenmode 0,4. Mit der oben beschriebenen, als Ringgyroskop betriebenen Kopplungsvorrichtung lässt sich ein angular gain erzielen, der diesem theoretischen Betrag äußerst nahekommt.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren weiter beschrieben. Die Figuren und ihre Beschreibung sind dabei rein beispielhaft. Die vorliegende Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:

Fig. 1A und 1 B eine schematische Darstellung einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines aus einer Kombination einer Tangentialfeder und einer Radialfeder ausgebildeten Federelements; Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen der Auslenkungen der Radialfeder und der Tangentialfeder der Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines aus einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung aufgebauten Ringgyroskops;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines weiteren Ringgyroskops; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung der Anordnung von Elektroden und Federelementen in einer Kopplungsvorrichtung.

Die Fig. 1A und 1 B zeigen eine schematische Darstellung einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung 100, die zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist, wie sie z.B. in mikroelektromechanischen Messvorrichtungen, wie Drehraten- und/oder Beschleunigungssensoren verwendet werden. Die mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung 100 kann auch die Grundstruktur eines ringförmigen Drehratensensors bilden. Die Fig. 1 B ist hierbei ein Schnitt durch die Fig. 1A entlang der Linie l-l.

Die Kopplungsvorrichtung 100 weist eine flexible Ringstruktur 110 sowie eine Mehrzahl von Federelementen 120 auf. Die Ringstruktur formt wie in der Fig. 1A gezeigt in Ruhe einen Kreis und kann im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden. Wie aus der Fig. 1 B ersichtlich hat die Ringstruktur 110 senkrecht zur Kreisebene bzw. senkrecht zu einem Substrat 200 über dem die Ringstruktur 110 gelagert ist, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit senkrecht zum Substrat 200 stehenden Längsseiten, die um ein Vielfaches länger sind als die parallel zum Substrat 200 stehenden kurzen Seiten. Die Ringstruktur 110 kann also z.B. als in sich geschlossene Biegebalkenfeder betrachtet werden, die sich parallel zum Substrat 200 verformen kann, wobei Verformungen senkrecht zum Substrat 200 (in erster Näherung) vernachlässigbar sind. Die gezeigte Form der Ringstruktur 110 ist hierbei rein beispielhaft. Die Ringstruktur 110 kann jede Form haben, die eine Verformung im Wesentlichen nur parallel zur Substratebene begünstigt. Auch kann die Ringstruktur 110 in der Ruhelage eine entartete Kreisform aufweisen und z.B. als Ellipse oder als Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Derartige entartete Kreisformen sollen also durch den Bezug auf die kreisförmige Ringstruktur 110 mit abgedeckt sein.

An der Ringstruktur 110 sind Kopplungsstellen 112 angedeutet, an denen die zu koppelnden mikroelektromechanischen Komponenten angreifen bzw. an denen diese Komponenten mit der Ringstruktur 110 verbunden sind. Durch die Kopplung können Bewegungen zwischen den mikroelektromechanischen Komponenten übertragen oder abgestimmt werden. Insbesondere kann die Kopplungsvorrichtung 100 eine kräfte- und momentenfreie Gegentaktschwingung zwischen den Komponenten vermitteln. Bei den mikroelektromechanischen Komponenten kann es sich z.B. um Sensormassen oder Schwingungssysteme handeln. Im Prinzip sind die Art, Struktur und Größe der zu koppelnden Komponenten 200 aber beliebig. Ebenso kann die Anzahl der zu Komponenten 200 größer als zwei sein.

Die Kopplung kann hierbei auch über die Federelemente 120 erfolgen. Dann fehlen die Kopplungsstellen 112. Insbesondere wenn die Kopplungsvorrichtung 100 Teil eines ringförmigen mikroelektromechanischen Drehratensensors, etwa eines Ringgyroskops, ist, können die Federelemente 120 die mikroelektromechanischen Komponenten darstellen. Die Ringstruktur ist hierbei geeignet, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur 110 eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird.

Die Ringstruktur 110 ist über eine Mehrzahl von Federelementen 120 mit dem Substrat 200 verbunden. Die Federelemente 120 greifen hierbei an verschiedenen Stellen der Ringstruktur 110 an und halten diese über dem Substrat 200. Wie in den Fig. 1A und 1 B gezeigt, können die Federelemente 120 mit Ankerstrukturen 125 verbunden sein und die Ringstruktur 110 so direkt mit dem Substrat 200 verbinden. Die Ankerstrukturen 125 können hierbei eine beliebige

Form aufweisen, solange sie eine feststehende Verbindung zum Substrat 200 erlauben.

Wie in der Vergrößerung der Fig. 1A schematisch dargestellt, weist jedes Federelement 120 zumindest eine Tangentialfeder 122, die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur 110 ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder 124 auf, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur 110 ausgelenkt werden kann.

Die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 sind in der Fig. 1A vollkommen schematisch durch Spiralfedersymbole dargestellt. Diese Federn können jede beliebige Form aufweisen, solange die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 jedes Federelements 120 eigenständige Bauelemente sind und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder 122 und der Radialfeder 124 jedes Federelements 120 derart ausgestaltet ist, dass eine die Ringstruktur 110 verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur 110 translatorisch zum Substrat 200 verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung.

Die Federelemente 120 bestehen also aus im Wesentlichen unabhängig voneinander verformbaren Federn, die die GesamtbewegungAverformung der Federelemente 120 in eine radiale Komponente und eine tangentiale Komponente aufteilen, indem die radiale Komponente durch die Verformung der Radialfeder 124 generiert wird und die tangentiale Komponente durch eine Verformung der Tangentialfeder 122. Die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 sind dabei jeweils voneinander separierte Baugruppen, deren Abmessungen und Eigenschaften während des Herstellungsprozesses der Kopplungsvorrichtung 100 separat eingestellt werden können. Insbesondere können die Massen und die Dicken der Tangentialfedern 122 und der Radialfedern 124 unterschiedlich ausgebildet werden, z.B. in einem Ätzprozess, um hierdurch unterschiedliche Federsteifigkeiten zu erzielen. Auf diese Weise können die Verhältnisse der Federsteifigkeiten der Tangentialfedern 122 zu den Radialfedern 124 derart eingestellt werden, dass eine translatorische oder rotatorische Schwingung der Ringstruktur 110, d.h. eine Schwingung ohne Verformung der Ringstruktur 110, energetisch ungünstiger wird als eine Schwingung, die die Ringstruktur 110 verformt. Bevorzugt soll die zweite Eigenschwingung der frei schwebenden Ringstruktur 110, d.h. die n = 2 Eigenmode, bei der sich zwei Schwingungsbäuche formen, durch die Anbindung an die Federelemente 120 energetisch günstiger werden, als die Translation bzw. Translationsmode und/oder Rotationsmode. Das Verhältnis der Federsteifigkeiten in den einzelnen Federelementen 120 kann dabei auch derart eingestellt werden, dass die Eigenmoden der frei schwebenden Ringstruktur 110 umgeordnet werden, d.h. dass z.B. die n = 3 Eigenmode der frei schwebenden Ringstruktur 110 durch die Kopplung mit den Federelementen 120 energetisch günstiger wird als die n = 2 Eigenmode. Hierzu können die Verhältnisse der Federsteifigkeiten in den einzelnen Federelementen 120 auch unterschiedlich ausgestaltet sein.

Anstatt eine Umordnung der Anregungsenergien der einzelnen Eigenmoden der frei schwebenden Ringstruktur 110 zu erreichen (oder zusätzlich hierzu), kann das Verhältnis der Federsteifigkeiten von Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 auch derart eingestellt werden, dass die Eigenfrequenzen der Eigenmoden ausreichend weit auseinander liegen. Insbesondere soll die Eigenfrequenz der Translationsmode und/oder Rotationsmode ausreichend weit von der zunächst liegenden Eigenfrequenz einer die Ringstruktur 110 verformenden Biegemode liegen, um zu gewährleisten, dass die Translationsmode anregende Kraftstöße nicht in diese Biegemode einkoppeln und sie stören. Hierzu können die Eigenfrequenzen z.B. einen Abstand von mehr als 5 % der Eigenfrequenz der Biegemode haben. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung.

Die Federelemente 120 können hierbei insbesondere derart ausgebildet sein, dass das Verhältnis der Federsteifigkeit der Tangentialfeder 122 zu der Federsteifigkeit der Radialfeder 124 in einem Bereich von 1 bis 3 liegt. Wählt man die Federsteifigkeit der Tangentialfeder 122 größer als die der Radialfeder 124 sind tangentiale Bewegungen unterdrückt. Dies bevorzugt Bewegungsmuster wie die der n = 2 Eigenmode, bei der die maximale tangential Auslenkung kleiner ist als die maximale radiale Auslenkung. Aus dem gleichen Grund kann jedes Federelement 120 auch derart ausgebildet sein, dass für Auslenkungen der Tangentialfeder 122 in tangentiale Richtung weniger als die Hälfte an Raum zur Verfügung steht als für Auslenkungen der Radialfeder 124 in radiale Richtung. Dies unterdrückt zum einen selbst die translatorische Mode. Zum anderen wird der Raum in tangentialer Richtung bei entsprechender Einstellung der Federelemente 120 nicht benötigt und kann für die Platzierung anderer Komponenten, wie etwa von Elektroden verwendet werden.

Insbesondere soll die Ringstruktur 110 mit einer derart geringen Amplitude schwingen, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 pm und 10 pm, dass die Federsteifigkeiten der Tangentialfedern 122 und der Radialfedern 124 konstant bleiben. Die Federelemente 120 verhalten sich also im Auslenkungsbereich der Ringstruktur 110 wie Linearfedern. Die Linearität der Federelemente 120 ist hierbei auch auf die Trennung von Tangentialfedern 122 und Radialfedern 124 zurückzuführen. Durch diese Trennung kann die parallel zum Substrat 200 stattfindende Auslenkungen in jede Richtung in einen Radial- und einen Tangentialteil aufgespalten und durch die entsprechende Feder aufgenommen werden. Dadurch wird verhindert, dass Teile der Federelemente 120 nicht in ihren Vorzugsrichtungen ausgelenkt werden, d.h. in Richtungen, in denen sie bereits bei kleinen Auslenkungen den Linearitätsbereich verlassen. Dadurch wird die Schwingung der Ringstruktur 110 leichter kontrollierbar.

Die oben beschriebene Ausgestaltung der Kopplungsvorrichtung erlaubt es, Anregungen der translatorischen Mode gegenüber Anregungen von Biegemoden effektiv zu unterdrücken. Die Trennung der Federelemente 120 in Tangentialfedern 122 und Radialfedern 124 erlaubt zudem eine kompakte Gestaltung der Federelemente 120, sodass die Unterdrückung der translatorischen Mode zusammen mit einer kompakten Gestaltung der Kopplungsvorrichtung 100 erreicht werden kann.

Die Federelemente 120 können insbesondere eine radiale Ausdehnung von weniger als 25% des Radius der Ringstruktur 110 im Ruhezustand haben, wodurch die Kopplungsvorrichtung 100 besonders kompakt wird. Dies ermöglicht es, in oder um die Ringstruktur 110 herum weitere Komponenten zu platzieren. Die Federelemente 120 können wie in der Fig. 1A gezeigt von innen mit der Ringstruktur 110 verbunden sein. Durch ihren kompakten Aufbau bleibt hierbei ein Großteil des Inneren der Ringstruktur 110 frei. Sie können aber auch von außen mit der Ringstruktur 110 verbunden sein, da ihre geringe Größe hierdurch dennoch nicht zu einer übermäßigen Vergrößerung der Kopplungsvorrichtung führt. Hierdurch kann das Innere der Ringstruktur 110 vollständig frei für die Anordnung weiterer Komponenten gemacht werden, was z.B. bei Ausführungen aus dem Stand der Technik nicht möglich ist, in denen die Ringstruktur durch lange, zentral geankerte Federn oder durch große Rahmenstrukturen gehalten wird.

Die Federelemente 120 können, wie in der Fig. 1A gezeigt, im Prinzip unregelmäßig entlang der Ringstruktur 110 verteilt sein, wenn dies für die beabsichtigte Unterdrückung der translatorischen Mode von Vorteil ist. Bevorzugt sind die Federelemente in Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 aber gleichmäßig verteilt, da dies die Fertigung erleichtert. Zudem lässt sich die Ringstruktur 110 hierdurch leichter homogen anregen.

Wie in den Fig. 1A und 1 B gezeigt verbindet jedes Federelement 120 die Ringstruktur 110 über genau eine Ankerstruktur 125 mit dem Substrat 200. Hierdurch werden Ankerverluste vermieden. Diese entstehen, wenn Kräfte über mehrere Punkte ins Substrat eingeleitet werden, die sich dann erst auf Ebene des Substrates ausgleichen können. Die Ankerverluste beschreiben die Energie, welche durch Kräfte und Momente an den Ankern ins Substrat eingeleitet wird und über das Substrat in die Umgebung dissipiert und somit verloren geht. Dem kann entgegengewirkt werden, indem sich Kräfte und Momente ausgleichen und diese Kräfte und Momente an möglichst wenig und möglichst zentralen Punkten an das Substrat abgegeben werden. Dementsprechend verringert die Verwendung von nur einer Ankerstruktur das Auftreten von derartigen Ankerverlusten.

Wie in der Fig. 1A gezeigt, kann die Kopplungsvorrichtung 110 eine Vielzahl von Federelementen 120 aufweisen. Die Anzahl der Federelemente 120 kann aber auch anders sein. Zum Beispiel können 4, 8, 16, 24 oder 32 Federelemente 120 verwendet werden.

In den Fig. 2 bis 8 sind verschiedene Varianten von Federelementen 120 gezeigt. Diesen Varianten ist gemein, dass in den Federelementen 120 die Radialfeder 124 eine doppelt gefaltete Biegenbalkenfeder aufweist, die sich in tangentialer Richtung erstreckt und die in radialer Richtung an das Substrat 200 und die Tangentialfeder 122 angebunden ist, und die Tangentialfeder 122 eine mehr als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ist oder mindestens zwei doppelt gefaltete Biegebalkenfedern aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und die in radialer Richtung an die Radialfeder 124 und die Ringstruktur 110 angebunden sind. Prinzipiell sind natürlich auch andere Ausgestaltungen möglich, solange sich Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 getrennt darstellen lassen. Zum Beispiel ist es möglich, die Radialfeder 124 an der Ringstruktur zu befestigen und die Tangentialfeder 122 am Substrat 200.

Die Fig. 2 zeigt ein Federelement 120, bei dem die Radialfeder 124 als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ausgebildet ist, die eine Verbindung zwischen einem Ankerpunkt 125 und der Tangentialfeder 122 herstellt. Das heißt, ein Biegebalken, der sich in tangentialer Richtung erstreckt, ist, vorzugsweise in seiner Mitte, mit der Ankerstruktur 125 verbunden. An jedem Ende ist der Biegebalken um 360° gefaltet, d.h. er läuft parallel wieder zurück und bildet so einen zweiten Biegebalken, der parallel zum ersten Biegebalken läuft. Die beiden Biegebalken sind an ihren Enden verbunden. Eine derartige Struktur kann in an sich bekannter Weise durch ein Ätzverfahren hergestellt werden.

Die Tangentialfeder 122 besteht aus einer Biegebalkenfeder, die in radialer Richtung von einer (bevorzugt mittig gelegenen) Verbindungsstelle mit der Radialfeder 124 zur Ringstruktur 110 läuft. Am Ende dieser Biegebalkenfeder schließen sich eine doppelt gefaltete Biegebalkenfeder an, die derart in sich gefaltet ist, dass sie serpentinenartig verläuft. Die Langseiten der Serpentinen laufen hierbei parallel zur zentral liegenden Biegebalkenfeder, d.h. in radialer Richtung. Im Beispiel der Fig. 2 sind 3 Serpentinen vorhanden, wobei die Anbindung an die Radialfeder 124 und die Ringstruktur 110 an zentraler Stelle erfolgt. Es sind aber auch andere Anzahlen von Serpentinen möglich

Die Auslenkungen dieses Federelements 120 sind in stark übertriebener Form in den Fig. 3A und 3B gezeigt. Die Fig. 3A zeigt die Auslenkung in radialer Richtung r, bei der im Wesentlichen nur die Radialfeder 124 verformt wird. Die Fig. 3B zeigt die Auslenkung in tangentialer Richtung t, bei der im Wesentlichen nur die Tangentialfeder 122 verformt wird. Durch die geeignete Wahl der Abmessungen der Biegebalkenfedern, die die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 formen, z.B. durch die Wahl der Ätzparameter während der Herstellung, kann die Federsteifigkeit der Federn unabhängig voneinander eingestellt werden. Das in der Fig. 2 gezeigte Federelement 120 ist zudem äußerst kompakt. Seine Verwendung in einer Kopplungsvorrichtung 100, wie sie oben beschrieben wurde, erlaubt also, die translatorische Mode zu unterdrücken ohne übermäßig Bauraum zu verbrauchen.

Das in der Fig. 4 gezeigte Federelement 120 entspricht der Ausgestaltung der Fig. 2, bis auf die Verwendung von zwei doppelt gefalteten Biegebalkenfedern in der Radialfeder 124. Dadurch lassen sich die Parameter der Radialfeder 124 noch flexibler einstellen.

Das in der Fig. 5 gezeigte Federelement 120 verwendet als Tangentialfeder 122 gabelförmig angeordnete Paare von Biegebalkenfedern, d.h. an einem Ende verbundene Paare von Biegebalkenfedern, die an ihrem anderen Ende untereinander verbunden sind. Auch diese Ausgestaltung erlaubt es, die Federparameter von Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 unabhängig voneinander einzustellen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei Varianten einer „zweizackigen Biegebalkengabel“, die über einen einzelnen Biegebalken mit der Radialfeder 124 bzw. der Ringstruktur 110 verbunden ist. Diese Ausgestaltungen sind in Tangentialrichtung besonders kompakt.

Die Fig. 8 zeigt eine Variante, bei der die Tangentialfeder 122 aus zwei doppelt gefalteten Biegebalkenfedern besteht, die durch einen Rahmen mit der Radialfeder 124 und einer an der Ringstruktur 110 geankerten Biegebalkenfeder verbunden sind. Zudem ist die als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ausgestaltete Radialfeder 124 hier nicht durchgängig, sondern geht in den Rahmen über.

Die Beispiele der Fig. 2 bis 8 sollten verdeutlichen, dass es eine Vielzahl von verschiedenen Ausgestaltungen für die Federelemente 120 gibt, die erlauben, das Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangentialfeder 122 und der Radialfeder 124 im Rahmen der Fertigungsbedingungen frei einzustellen, um damit die translatorische Mode zu unterdrücken. Die Fig. 9 zeigt eine Kopplungsvorrichtung 100, bei der die gekoppelten mikroelektromechanischen Komponenten die Federelemente 120 sind. Das heißt, die Kopplungsvorrichtung 100 entspricht einem gefedert über dem Substrat 200 gelagerten, verformbaren Ring. Dieser kann als Ringgyroskop 300 verwendet werden, da die Ringstruktur 110 geeignet ist, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur 110 eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird. Wird die Ringstruktur 110 also, z.B. durch die Verwendung von Anregeelektroden in eine Schwingung versetzt, führt eine Drehung der Ringstruktur 110 zu einer Veränderung dieser Schwingung, die, z.B. über Detektionselektroden, ausgelesen werden kann, um daraus die Drehrate der Drehung zu bestimmen.

Hier ist die Unterdrückung der translatorischen Mode, bzw. die Absonderung der Eigenfrequenz der translatorischen Mode von der Betriebsfrequenz/Anregungsfrequenz des Ringgyroskops 300 besonders vorteilhaft, da dadurch Störungen der Messung reduziert werden können. Hierdurch verbessert sich die Messgenauigkeit des Ringgyroskops 300.

Wie in der Fig. 10 gezeigt, können auch mehrere konzentrische Ringe, die untereinander mit kurzen Federn, z.B. mit kurzen radialen Biegebalken oder Stegen, verbunden sind, als Ringstruktur 110 eines Ringgyroskops 300 verwendet werden, z.B. um die Masse der schwingenden Ringstruktur 110 zu vergrößern.

Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, sind die Federelemente 120 im Vergleich zu den Abmessungen der Ringstruktur 110 kompakt ausgestaltet (kleiner als 1/4 des Radius) und vergrößern daher den Bauraum für das Ringgyroskop 300 im Vergleich zur Ringstruktur 110 ohne Federelemente 120 kaum.

Elektroden 140 zum Anregen und/oder zum Auslesen von Schwingungen der Ringstruktur 110 können sowohl bei der Verwendung als Ringgyroskop 300 als auch allgemein in Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 zwischen den Federelementen 120 angeordnet sein. Dies ist beispielhaft in der Fig. 11 gezeigt. Auf diese Weise können Schwingungen der Ringstruktur 110 in kompakter Weise angeregt bzw. gemessen werden. Zudem können die Elektroden 140 die Ringstruktur 110 in Umfangsrichtung nahezu vollständig umgeben, wodurch ein homogenes Ansprechverhalten der Ringstruktur 110 erreicht werden kann. Wie in der Fig. 11 gezeigt, können die Elektroden 140 relativ nahe an die Tangentialfedern 122 herangerückt werden, da diese aufgrund der unterdrückten Translationsmode nur vergleichsweise wenig ausgelenkt werden. Dies verbessert die Wechselwirkung zwischen Elektroden 140 und Ringstruktur 110 und damit das Ansprechverhalten der Ringstruktur 110. Zudem reduziert sich die für eine aufzubringende/auszulesende Kraft notwendige Spannung an den Elektroden.

Jede der Elektroden 140 kann sich in Umfangsrichtung über einen von der Mitte der Ringstruktur 110 aus gemessenen Winkel zwischen 10° und 45° erstrecken, je nach der Anzahl der verwendeten Federelemente 120. Als bevorzugt hat sich hierbei ein Winkelbereich zwischen 15° und 30° erwiesen, bei einer Verwendung von 10 bis 20 Federelementen 120. Zum Beispiel können 16 in Umfangsrichtung gleichmäßig entlang der Ringstruktur 110 verteilte Federelemente 120 verwendet werden und die Elektroden 140 können einen Winkel von jeweils 18° einnehmen. Auf diese Weise können 80% der Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 mit Elektroden 140 versehen werden. Allgemein kann eine Anordnung von Elektroden 140 in einem Bereich on 70% bis 90% der Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 als vorteilhaft für das Ansprechverhalten der Ringstruktur 110 angesehen werden.

In dem Ringgyroskop 300 kann der Angular gain (das Verhältnis von Coriolismasse zu zweimal modaler Masse) der zweiten Eigenschwingung, d.h. der n = 2 Eigenmode, der Ringstruktur 110 in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,4, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,4 und weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,4 liegen (Endpunkte eingeschlossen.

Die modale Masse beschreibt hierbei die anteilige Masse an der zugehörigen Eigenschwingung, d.h. eine effektive Masse der entsprechenden Eigenschwingung. Sie ergibt sich aus dem Eigenvektor der entsprechenden Mode und der Massenverteilung. Die Coriolismasse setzt sich aus allen Massepunkten zusammen, die sich bei einer angeregten Schwingung in Richtung der anregenden Schwingung bewegen und während der Detektion in Richtung der Detektions-Schwingung. Aus dem Verhältnis von Coriolismasse und modaler Masse lässt sich der sog. „angular gain“ bestimmen. Der theoretisch maximale angular gain liegt bei 1 (Foucaultsches Pendel). Ein großer angular gain ist vorteilhaft und lässt sich als Verstärkungs- faktor des Drehratensignals verstehen. Theoretisch beträgt der angular gain eines Ringgyroskops in der n = 2 Eigenmode 0,4. Mit der oben beschriebenen, als Ringgyroskop 300 betriebenen Kopplungsvorrichtung 100 lässt sich ein angular erzielen, der diesem theoretischen Betrag äußert nahekommt. Dies ist auf die Unterdrückung der translatorischen Mode zurückzu- führen.

Claims

Ansprüche

1. Mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung (100) zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten, aufweisend eine flexible Ringstruktur (110), die in Ruhe einen Kreis formt, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden kann und die zur Kopplung der mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist; und eine Mehrzahl von Federelementen (120), die geeignet sind, die Ringstruktur (110) mit einem Substrat (200) zu verbinden; wobei jedes Federelement (120) zumindest eine Tangentialfeder (122), die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur (110) ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder (124) aufweist, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur (110) ausgelenkt werden kann; die Tangentialfeder (122) und die Radialfeder (124) jedes Federelements (120) eigenständige Bauelemente sind; und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder (122) und der Radialfeder (124) jedes Federelements (120) derart ausgestaltet ist, dass eine die Ringstruktur (110) verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur (110) translatorisch und/oder rotatorisch zum Substrat (200) verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen und/oder rotatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist.

2. Kopplungsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Federelemente (120) derart ausgebildet sind, dass das Verhältnis der Federsteifigkeit der Tangentialfeder (122) zu der Federsteifigkeit der Radialfeder (124) in einem Bereich von 1 bis 3 liegt.

3. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ringstruktur (110) geeignet ist, zu Schwingungen mit einer Amplitude, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 pm und 10 pm, angeregt zu werden, bei denen die Federsteifigkeiten der Tangentialfedern (122) und der Radialfedern (124) konstant bleiben.

4. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federelemente (120) eine radiale Ausdehnung von weniger als 25% des Radius der Ringstruktur (110) im Ruhezustand haben.

5. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federelemente (120) von außen mit der Ringstruktur (110) verbunden sind.

6. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Federelement (120) derart ausgebildet ist, dass für Auslenkungen der Tangentialfeder (122) in tangentiale Richtung weniger als die Hälfte an Raum zur Verfügung steht als für Auslenkungen der Radialfeder (124) in radiale Richtung.

7. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in Umfangsrichtung der Ringstruktur zwischen den Federelementen (120) Elektroden (140) zum Anregen und/oder zum Auslesen von Schwingungen der Ringstruktur (110) angeordnet sind.

8. Kopplungsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei jede der Elektroden (140) sich in Umfangsrichtung über einen von der Mitte der Ringstruktur (110) aus gemessenen Winkel zwischen 10° und 45° erstreckt, vorzugsweise über einen Winkel zwischen 15° und 30° und weiter vorzugsweise über einen Winkel von 18°.

9. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Federelemente (120) in Umfangsrichtung der Ringstruktur (110) gleichmäßig verteilt sind.

10. Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Federelement (120) die Ringstruktur (110) über genau eine Ankerstruktur mit dem Substrat (200) verbindet.

11 . Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in jedem Federelement (120) die Radialfeder (124) eine doppelt gefaltete Biegenbalkenfeder aufweist, die sich in tangentialer Richtung erstreckt und die in radialer Richtung an das Substrat (200) und die Tangentialfeder (122) angebunden ist, und die Tangentialfeder (122) eine mehr als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ist oder mindestens zwei doppelt gefaltete Biegebalkenfedern aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und die in radialer Richtung an die Radialfeder (124) und die Ringstruktur (110) angebunden sind.

12. Ringgyroskop (300) mit der mikromechanischen Kopplungsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Ringstruktur (110) geeignet ist, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur (110) eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird; und die Federelemente (120) die mikroelektromechanischen Komponenten darstellen.

13. Ringgyroskop (300) Anspruch 12, wobei der Angular gain, d.h. das Verhältnis von Coriolismasse zur doppelten modalen Masse, der zweiten Eigenschwingung der Ringstruktur (110) in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,4, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,4 und weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,4 liegt, wobei die Endpunkte Teil der angegebenen Bereiche sind.