WO2019030036A1 - Drehratensensor, verfahren zur herstellung eines drehratensensors - Google Patents

Drehratensensor, verfahren zur herstellung eines drehratensensors Download PDF

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WO2019030036A1
WO2019030036A1 PCT/EP2018/070567 EP2018070567W WO2019030036A1 WO 2019030036 A1 WO2019030036 A1 WO 2019030036A1 EP 2018070567 W EP2018070567 W EP 2018070567W WO 2019030036 A1 WO2019030036 A1 WO 2019030036A1
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functional layer
extension direction
main extension
coupling
mass element
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PCT/EP2018/070567
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Reinhard Neul
Andreas Lassl
Jan-Timo Liewald
Niels Bode
Matthias Kuehnel
Burkhard Kuhlmann
Odd-Axel Pruetz
Nils Felix Kuhlmann
Peter Degenfeld-Schonburg
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Definitions

  • the invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1.
  • Rotation rate sensors on substrates are well known. These are special microelectromechanical systems (MEMS), mostly based on silicon, with which rotation rates can be measured.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • yaw rate sensors have different ones
  • Mass body on Such mass bodies are used as detection masses, drive masses and / or Coriolis masses.
  • the individual masses are coupled to each other and partially to the substrate.
  • the masses and springs are often formed in in-plane rotation rate sensors in a functional layer.
  • the spring elements are typically limited to bending and torsion elements, which generally have rather little design options and only limited possibilities for the coupling of masses and the
  • Main extension plane of the substrate generally or selectively can be suppressed while allowing movements perpendicular thereto.
  • the coupling structure is formed wholly or partly in a first functional layer.
  • spring elements which are designed to be stiff in particular in the first main extension direction and allow movements of mass elements perpendicular to the main extension plane, such as tilting and / or rotational movements.
  • Another object of the present invention is a
  • Main extension plane wherein the rotation rate sensor has at least a first and a second vibratable mass element, wherein a first main extension direction of the substrate from the first mass element to the second mass element, wherein in the first main extension direction between the first and second
  • Mass element is arranged a coupling structure, characterized
  • a first coupling region of the coupling structure is arranged in a first functional layer, wherein a first mass region of the first mass element is arranged in the first functional layer, wherein a second mass region of the first mass element is arranged in a second functional layer, wherein the first functional layer in an extension direction , is arranged perpendicular to the main extension plane, between the substrate and the second functional layer.
  • the first functional layer has a smaller extent than the second functional layer in the direction of extent perpendicular to the main extension plane, it is advantageously possible for the first coupling region and / or the entire coupling structure to move vertically from mass elements allow for the main extension plane, for example, tilting and / or rotational movements.
  • the first coupling region in the first main direction of extension has a higher rigidity than in the second main extension direction, it is possible that a first coupling region is made possible both in the extension direction perpendicular to the main plane of extension of the substrate and in the second main extension direction of the substrate is made less streaked than in the first main extension direction.
  • Main extension direction and the extension direction are movable relative to each other, but are rigidly coupled in the first main extension direction.
  • Main extension direction extends
  • Ground element is arranged in the first functional layer, wherein a further second ground region of the second ground element is arranged in the second functional layer, wherein in particular a further third ground region of the second ground element is arranged in the third functional layer.
  • Extending direction is essentially symmetrical.
  • Extension direction centered (based on the expansion of the masses in the direction of extent), since the coupling structure (for example, the hinge springs) are centrally connected to the mass elements.
  • the coupling structure for example, the hinge springs
  • a force applied in the main plane of extension does not lead to an evasive movement of the coupling structure in the negative or positive extension direction (perpendicular to the main extension plane). This can have an advantageous effect on the behavior of the rotation rate sensor.
  • Coupling structures for example, the hinge springs, push rods and / or push bands
  • the mass elements with respect to the extension direction
  • Main extension direction can be realized for the coupling structure.
  • a third coupling region of the coupling structure is arranged in the third functional layer.
  • rocker structures can be formed with particularly advantageous properties.
  • coupling structures can be realized which have a cross-shaped cross section.
  • cross-sections result in increased symmetry of the coupling structure / torsion element with respect to the torsion axis and also minimize asymmetric stiffnesses with respect to (undesired) bending movements in the main extension plane of the substrate and the extension direction perpendicular thereto.
  • a fourth functional layer is arranged in the direction of extension above the second functional layer, wherein in the fourth
  • Functional layer is arranged a further second mass element, wherein the coupling structure has a arranged in the second functional layer second coupling region and another coupling region, wherein the further coupling region is arranged in the fourth functional layer, wherein by means of the coupling structure, the first mass element and the further second mass element together mechanically are connected, it is possible that mass elements in different functional layers can be coupled to each other in an advantageous manner.
  • the further second mass element it is possible for the further second mass element to be arranged at least partially above the second mass element.
  • a further first mass element is arranged, wherein in the first main extension direction between the first and second mass element, an additional coupling structure is arranged, wherein the additional coupling structure has an additional coupling region and an additional further coupling region, wherein the additional coupling region in the first and second
  • Coupling region is formed in the fourth functional layer, wherein by means of the additional coupling structure, the second mass element and the further first mass element are mechanically connected to each other, it is advantageously possible third functional layer that each one above the other arranged mass elements have a crossed coupling, especially in the case the further first mass element is arranged at least partially above the first mass element.
  • the coupling structure has at least one, preferably two, anchors on the substrate, in particular such that the coupling structure a
  • Hinge element comprises, it is advantageously possible that the coupling structure is formed as a hinge. This makes it possible that unwanted bending movements can be suppressed. Additionally or alternatively, it is possible that the coupling structure is designed as a rocker structure.
  • Figure 1 shows schematically a part of a rotation rate sensor according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows part of a rotation rate sensor according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically shows part of a rotation rate sensor according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 5 schematically shows a part of a rotation rate sensor according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a sixth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 schematically shows part of a rotation rate sensor according to an eighth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a ninth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 schematically shows a part of a rotation rate sensor according to a tenth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows part of a rotation rate sensor according to an embodiment of the present invention. Shown are a first mass element 10 and a second mass element 20. The two mass elements 10, 20 are each partially in a first
  • Functional layer 1 and a second functional layer 2 are formed, in particular a first ground region 11 and a further first ground region 21 are arranged in the first functional layer 1 and a second ground region 12 and a further second ground region 22 in the second functional layer 2.
  • the ground elements 10, 20 are coupled by means of a coupling structure 30 to each other.
  • the coupling structure 30 has a first coupling region 31, which is arranged in the first functional layer 1.
  • the coupling structure 30 is designed as a push rod and stiff in a first and a second main extension direction 110, 120 of the substrate.
  • the illustrated embodiment allows, for example, coupled movements of the two mass elements 10, 20 according to the
  • Another independent micromechanical element 70 may, for example, above the Coupling structure 30 are arranged. This is shown in FIG. 1 by the dashed body 70.
  • FIG. 2 shows schematically a part of the rotation rate sensor according to the first exemplary embodiment of the present invention shown in FIG.
  • first and second mass element 10, 20 acting from the outside mechanical stress, which may be caused for example by temperature effects. Since the first mass element 10 and the second mass element 20 are asymmetrically coupled with respect to the extension direction 200 by the coupling structure 30, such a stress coupling leads to an evasive movement of the
  • FIG. 3 schematically shows a part of the yaw rate sensor according to the first exemplary embodiment of the present invention shown in FIG.
  • Extension direction 200 perpendicular to the main extension plane 110, 120 of the substrate is - among other things - by the thickness (in
  • Extension direction 200 of the coupling structure 30 and thus determined by the ratio of the thicknesses of the first and second functional layer 1, 2 significantly.
  • Structural elements can be sufficiently rigid
  • Main extension direction 110, 120 are realized, for example, also in the case that an independent micromechanical element 70 is crossed.
  • the illustrated embodiment allows, for example, coupled movements of the two mass elements 10, 20 according to the arrows in the extension direction 200, wherein the masses can move both in phase opposition and in-phase.
  • FIG. 4 shows schematically a part of the rotation rate sensor according to a second exemplary embodiment of the present invention. Shown are a first mass element 10 and a second The two ground elements are each partially formed in a first functional layer 1 and a second functional layer 2, in particular a first ground region 11 and a further first ground region 21 are arranged in the first functional layer 1 and a second ground region 12 and a further second ground region 22 in the second functional layer 2.
  • the mass elements 10, 20 are coupled to one another by means of a coupling structure 30.
  • the coupling structure has a first coupling region 31, which is arranged in the first functional layer 1.
  • the coupling structure 31 is formed as a thin push rod and stiff in a first
  • Main extension direction 110 of the substrate The shown
  • Embodiment allows, for example, coupled movements of the two mass elements 10, 20 according to the dashed arrows shown, ie in particular in a second main extension direction 120 of the substrate and in the extension direction 200, which is perpendicular to the main extension plane 110, 120 of the substrate.
  • Another independent micromechanical element 70 can be arranged, for example, above the coupling structure 30. This is illustrated in FIG. 4 by the dashed body 70.
  • FIG. 5 shows schematically a part of the yaw rate sensor according to the second exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. The drawn thick full arrows
  • first and second mass element 10, 20 acting from the outside mechanical stress, which may be caused for example by temperature effects. Since the first mass element 10 and the second mass element 20 are asymmetrically coupled with respect to the extension direction 200 by the coupling structure 30, such a stress coupling leads to an evasive movement of the
  • FIG. 6 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a third exemplary embodiment of the present invention. Shown are a first mass element 10, a second mass element 20, another first mass element 10 'and a further second mass element 20'.
  • the first and second mass elements 10, 20 are formed in a first and second functional layer 1, 2.
  • the further first and the further second mass element 10 ', 20' are formed in a fourth functional layer 4.
  • the fourth functional layer 4 is arranged above the second functional layer 2. Furthermore, one is
  • the coupling structure 30 comprises a first coupling region 31, which is formed in the first functional layer 1, a second coupling region 32, which is formed in the second functional layer 2, and a further coupling region 34, which is formed in the fourth functional layer 4.
  • the coupling structure mechanically connects the first mass element 10 with the further second one
  • Mass element 20 Furthermore, an additional coupling structure 30 '.
  • the additional coupling structure 30 ' is partially in the first
  • Mass element 10, 20 arranged. It includes an additional
  • Coupling region 31 'and an additional additional coupling region 32' are in the first and second
  • the additional additional coupling region 32 ' is formed in the fourth functional layer 4. Due to the additional coupling structure 30 ', the second mass element 20 and the further first mass element 10' are mechanically connected to each other and coupled. By the illustrated embodiment are parallel movements of the respective coupled mass elements 10, 20 ', 10', 20 in the
  • Main extension plane 110, 120 possible, antiparallel movements are suppressed.
  • kinking movements in the direction of extension 200 are possible or otherwise suppressed, for example, for thick
  • FIG. 7 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a fourth exemplary embodiment of the present invention.
  • the embodiment shown comprises the components already shown in FIG.
  • a third functional layer 3 is shown, which is arranged between the substrate and the first functional layer 3.
  • the first mass element 10 comprises a third
  • the second mass element 20 comprises a further third mass region 23 which is likewise formed in the third functional layer 3. This makes it possible for a coupling structure 10, which connects the first and second mass element 10, 20, to be centered (both in relation to the first and second main extension directions 110, 120 and to the
  • Extending direction 200 perpendicular thereto) on the first and second mass element 10, 20 is arranged.
  • the drawn thick solid arrows symbolize a on the first and second mass element 10, 20 acting from the outside mechanical stress. Since the first mass element 10 and the second mass element 20 are symmetrically coupled with respect to the extension direction 200 by the coupling structure 30, there is no advantage even under such a stress coupling
  • FIG. 8 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a fifth exemplary embodiment of the present invention.
  • the fifth exemplary embodiment is similar to the fourth exemplary embodiment (FIG. 7), with the difference that the coupling structure 30 in the first main extension direction 110 is a clearly larger one
  • FIG. 9 shows schematically a part of a rotation rate sensor according to a sixth exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 a further independent micromechanical element 70 is shown, which partially surrounds the coupling structure 30.
  • the dashed arrows symbolize the possible movements of the first and second mass element 10, 20 in the extension direction 200 and the second main extension direction 120 in this embodiment.
  • FIG. 10 shows schematically a part of a rotation rate sensor according to a seventh exemplary embodiment of the present invention.
  • a first and a second mass element 10, 20 are mechanically coupled by means of a coupling structure 30.
  • the two ground elements 10, 20 are each partially formed in a first functional layer 1 and a second functional layer 2, wherein a first ground region 11 and a further first ground region 21 are arranged in the first functional layer 1 and a second ground region 12 and a further second ground region 22 in the second functional layer 2.
  • the coupling structure 30 comprises a first coupling region 31, formed in the first
  • the first and second coupling region 31, 32 have in the first main extension direction 110 has a larger
  • Extension direction 200 oscillations of the mass elements 10, 20 in the extension direction 200 are possible (shown by the solid arrows that show in the positive and negative direction of extension 200).
  • the coupling structure 30 comprises two anchors 50, by means of which the coupling structure 30 can be coupled to the substrate.
  • Main extension direction of the anchors 50 coincides with the second Main extension direction 120 of the substrate together.
  • Anchors 50 are formed in the first and second functional layers 1, 2. Furthermore, the anchors 50 are arranged centrally (with respect to the first main extension direction 110) between the first and second mass element and thus also centrally on the first and second coupling region 31, 32, resulting in a shape of a
  • Rocker structure formed with a hinge (which allows movements along the curved curved full arrows). In the embodiment shown, movements are in the first one
  • Anchorages 50 in this direction 110 have only a small extent, and thus a comparatively low rigidity. This is shown by the dashed arrows.
  • FIG. 11 shows schematically a part of a rotation rate sensor according to an eighth exemplary embodiment of the present invention.
  • the eighth exemplary embodiment is similar to the seventh exemplary embodiment (FIG. 10).
  • the anchors 50 which are formed as part of the coupling structure 30, however, have in this
  • Embodiment on a T-shaped cross-sectional area is possible, in particular, in that the anchors 50 in the first functional layer 1 have a first anchoring area widened in the first main extension direction 110 (which is wider in the first main extension direction 110 than one in the second main direction
  • the coupling structure 30 is stiffer in the first main extension direction 110 than in the seventh exemplary embodiment (FIG. 10) and oscillates in the first main extension direction 110
  • FIG. 12 schematically shows part of a rotation rate sensor according to a ninth exemplary embodiment of the present invention.
  • the illustrated ninth exemplary embodiment is similar to the eighth exemplary embodiment shown in FIG. However, in the ninth exemplary embodiment, a third one is
  • Function layer 3 available. In this third functional layer 3, both a third mass region 13 of the first mass element 10, a further third mass region 23 of the second mass element 20 and a third coupling region 33 of the coupling structure 30 are arranged.
  • anchors 50 each include a third one
  • Anchoring area which is formed in the third functional layer 50. In particular, this results in a cross-shaped cross-section of the anchors 50. The entire arrangement shown is
  • Coupling structure 30 extends.
  • FIG. 13 shows schematically a part of a rotation rate sensor according to a tenth exemplary embodiment of the present invention.
  • the (further) coupling structures 30, 30" are arranged in the first main extension direction 110 next to one another and directly adjacent to one another.
  • the coupling structure 30 comprises a first coupling region 31, arranged in a first coupling region
  • the coupling structure 30 comprises two anchors 50 on the substrate, which extend primarily in the second main direction of extent 120.
  • the anchors 50 are also partially formed in the first and second functional layer 1, 2 and have a T-shaped cross-section.
  • the further coupling structures are 30 "identical in essence to the coupling structure 30.
  • the shown (further) coupling structures 30, 30" enable local Movements, which are represented by the full arrows.
  • the hinge springs result in an arrangement of coupling structures 30, 30 ", which only favors movements in the extension direction 200. Adjacent connection nodes between the coupling structures 30, 30" move in opposite phases (symbolized by the solid arrows in the positive and negative extension directions 200).

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor mit einem Substrat beansprucht, wobei das Substrat eine Haupterstreckungsebene (110, 120) aufweist, wobei der Drehratensensor mindestens ein erstes und ein zweites in Schwingung versetzbares Masseelement aufweist (10, 20), wobei eine erste Haupterstreckungsrichtung (110) des Substrats von dem ersten Masseelement (10) zum zweiten Masseelement (20) zeigt, wobei in die erste Haupterstreckungsrichtung (110) zwischen dem ersten und zweiten Masseelement (10, 20) eine Koppelstruktur (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Koppelbereich (31) der Koppelstruktur (30) in einer ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein erster Massebereich (11) des ersten Masseelements (10) in der ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein zweiter Massebereich (12) des ersten Masseelements (10) in einer zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht (1) in eine Erstreckungsrichtung (200), senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110, 120), zwischen dem Substrat und der zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei eine zweite Haupterstreckungsrichtung (120) senkrecht auf der ersten Haupterstreckungsrichtung (110) steht, wobei der erste Koppelbereich (31) in die erste Haupterstreckungsrichtung (110) eine größere Ausdehnung aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung (120).

Description

Beschreibung Titel
Drehratensensor, Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Drehratensensoren auf Substraten sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um spezielle mikroelektromechanische Systeme (MEMS), meist auf Siliziumbasis, mit welchen Drehraten gemessen werden können.
Typischerweise weisen Drehratensensoren dabei verschiedene
Massekörper auf. Solche Massekörper werden als Detektionsmassen, Antriebsmassen und/oder Coriolismassen verwendet. Hierfür sind die einzelnen Massen untereinander und teilweise mit dem Substrat gekoppelt. Die Massen und Federn werden bei in-plane Drehratensensoren häufig in einer Funktionsschicht ausgebildet. Die Federelemente sind dabei jedoch typischerweise auf Biege- und Torsionselemente beschränkt, welche generell eher nur geringe Gestaltungsmöglichkeiten aufweisen und nur beschränkte Möglichkeiten für die Kopplung von Massen und die
Ermöglichung/Unterdrückung von bestimmten relativen
Schwingungsrichtungen und -moden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor mit einem Substrat vorzuschlagen, bei dem verbesserte und/oder erweiterte Möglichkeiten zur Kopplung verschiedener Massen vorliegen,
beispielsweise derart, dass Bewegungen der Massen in der
Haupterstreckungsebene des Substrats generell oder selektiv unterdrückbar sind, während Bewegungen senkrecht dazu ermöglicht werden.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die Verwendung einer ersten und zweiten Funktionsschicht und die Anordnung von
Massebereichen eines ersten Masseelements in beiden
Funktionsschichten, voreilhafte Möglichkeiten für die Erzeugung eines gewünschten Schwingverhaltens der beiden Masseelemente möglich sind. Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Koppelstruktur gänzlich oder teilweise in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich beispielsweise in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass Federelemente realisierbar sind, welche insbesondere in die erste Haupterstreckungsrichtung steif ausgeführt sind und Bewegungen von Masseelementen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zulassen, beispielsweise Kippbewegungen und/oder Drehbewegungen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein
Drehratensensor mit einem Substrat, wobei das Substrat eine
Haupterstreckungsebene aufweist, wobei der Drehratensensor mindestens ein erstes und ein zweites in Schwingung versetzbares Masseelement aufweist, wobei eine erste Haupterstreckungsrichtung des Substrats von dem ersten Masseelement zum zweiten Masseelement zeigt, wobei in die erste Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten und zweiten
Masseelement eine Koppelstruktur angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass ein erster Koppelbereich der Koppelstruktur in einer ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein erster Massebereich des ersten Masseelements in der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein zweiter Massebereich des ersten Masseelements in einer zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht in eine Erstreckungsrichtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene, zwischen dem Substrat und der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die erste Funktionsschicht in die Erstreckungsrichtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene, eine geringere Ausdehnung aufweist als die zweite Funktionsschicht, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der erste Koppelbereich und/oder die ganze Koppelstruktur Bewegungen von Masseelementen senkrecht zur Haupterstreckungsebene zulassen, beispielsweise Kippbewegungen und/oder Drehbewegungen.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der erste Koppelbereich in die erste Haupterstreckungsrichtung eine höhere Steifigkeit aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung, ist es möglich, dass ein erster Koppelbereich ermöglicht wird, der sowohl in die Erstreckungsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats als auch in die zweite Haupterstreckungsrichtung des Substrats weniger streif ausgeführt ist als in die erste Haupterstreckungsrichtung. Hierdurch ist es möglich, eine Koppelstruktur zu realisieren, mit deren Hilfe Masseelemente derart koppelbar sind, dass sie in die zweite
Haupterstreckungsrichtung und die Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats) relativ zueinander bewegbar sind, jedoch in die erste Haupterstreckungsrichtung steif gekoppelt sind.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine dritte Funktionsschicht in der Erstreckungsrichtung zwischen dem Substrat und der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein dritter Massebereich des ersten Masseelements in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist, ist es möglich, gekoppelte Masseelemente zu realisieren, welche unter Stresseinprägung in der Haupterstreckungsebene des Substrats keine dominante Ausgleichsbewegung ausführen. Insbesondere ist es möglich, dass eine Anordnung aus erstem Masseelement, zweitem Masseelement und Koppelstruktur symmetrisch (in Bezug auf eine
Symmetrieebene, welche sich in die Erstreckungsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats und in die erste
Haupterstreckungsrichtung erstreckt) ausgeführt wird. Dies ist besonders dann möglich, wenn ein weiterer erster Massebereich des zweiten
Masseelements in der ersten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei ein weiterer zweiter Massebereich des zweiten Masseelements in der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei insbesondere ein weiterer dritter Massebereich des zweiten Masseelements in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist. Insbesondere ist es gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass ein Abknicken der verbundenen (ersten und zweiten) Masseelemente in positive Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene) und negative
Erstreckungsrichtung im Wesentlichen symmetrisch erfolgt.
Insbesondere ist dies möglich, wenn der über die Scharnier- Federn definierte Krafteintrag bei Auslenkung der Massen in die
Erstreckungsrichtung mittig (bezogen auf die Ausdehnung der Massen in Erstreckungsrichtung) erfolgt, da die Koppelstruktur (beispielsweise die Scharnierfedern) mittig mit den Masseelementen verbindbar sind. Somit ist es möglich, dass eine in der Haupterstreckungsebene eingeprägte Kraft nicht zu einer Ausweichbewegung der Koppelstruktur in negative oder positive Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Haupterstreckungsebene) führt. Dies kann sich vorteilhaft auf das Verhalten des Drehratensensors auswirken.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass weitere Funktionsschichten (bzw. Strukturebenen) vorgesehen sind. Die Erweiterung auf mehrere Strukturebenen erlaubt es, die
Koppelstrukturen (beispielsweise die Scharnierfedern, Schubstangen und/oder Schubbänder) mittig an den Masseelementen (bezüglich der Erstreckungsrichtung) zu platzieren. Insbesondere bei drei oder einer anderen ungeraden Anzahl an Funktionsschichten sind in sich
symmetrische mikromechanische Koppelstrukturen sowie symmetrisch an den Masseelementen angebrachte Koppelstrukturen in vorteilhafter Weise möglich. Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein zweiter Koppelbereich der Koppelstruktur in der zweiten
Funktionsschicht angeordnet ist, ist es möglich, dass verschiedene vorteilhafte Querschnittsflächen (senkrecht zur ersten
Haupterstreckungsrichtung) für die Koppelstruktur realisierbar sind.
Beispielsweise ist es möglich, L-, T- oder U-förmige Querschnittsflächen zu realisieren.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass ein dritter Koppelbereich der Koppelstruktur in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist. Hierdurch können Wippenstrukturen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften ausgebildet werden. Beispielsweise können Koppelstrukturen realisiert werden, die einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen. Derartige
Querschnitte führen beispielsweise zu einer erhöhten Symmetrie der Koppelstruktur/des Torsionselementes hinsichtlich der Torsionsachse und minimieren auch asymmetrische Steifigkeiten hinsichtlich (ungewünschter) Biegebewegungen in die Haupterstreckungsebene des Substrats und die Erstreckungsrichtung senkrecht dazu.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vierte Funktionsschicht in der Erstreckungsrichtung oberhalb der zweiten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei in der vierten
Funktionsschicht ein weiteres zweites Masseelement angeordnet ist, wobei die Koppelstruktur einen in der zweiten Funktionsschicht angeordneten zweiten Koppelbereich und einen weiteren Koppelbereich aufweist, wobei der weitere Koppelbereich in der vierten Funktionsschicht angeordnet ist, wobei mithilfe der Koppelstruktur das erste Masseelement und das weitere zweite Masseelement miteinander mechanisch verbunden sind, ist es möglich, dass Masseelemente in verschiedenen Funktionsschichten in vorteilhafter Weise miteinander koppelbar sind. Beispielsweise ist es möglich, dass das weitere zweite Masseelement zumindest teilweise oberhalb des zweiten Masseelements angeordnet ist.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der vierten Funktionsschicht ein weiteres erstes Masseelement angeordnet ist, wobei in der ersten Haupterstreckungsrichtung zwischen dem ersten und zweiten Masseelement eine zusätzliche Koppelstruktur angeordnet ist, wobei die zusätzliche Koppelstruktur einen zusätzlichen Koppelbereich und einen zusätzlichen weiteren Koppelbereich aufweist, wobei der zusätzliche Koppelbereich in der ersten und zweiten
Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei der zusätzliche weitere
Koppelbereich in der vierten Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei mithilfe der zusätzlichen Koppelstruktur das zweite Masseelement und das weitere erste Masseelement miteinander mechanisch verbunden sind, ist es dritte Funktionsschicht in vorteilhafter Weise möglich, dass jeweils übereinander angeordnete Masseelemente eine gekreuzte Kopplung aufweisen, insbesondere für den Fall, dass das weitere erste Masseelement zumindest teilweise oberhalb des ersten Masseelements angeordnet ist.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Koppelstruktur mindestens eine, bevorzugt zwei, Verankerungen am Substrat aufweist, insbesondere derart, dass die Koppelstruktur ein
Scharnierelement umfasst, ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die Koppelstruktur als Scharnier ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass unerwünschte Biegebewegungen unterdrückbar sind. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Koppelstruktur als Wippenstruktur ausgebildet ist.
Insgesamt ist es erfindungsgemäß durch die Verwendung mehrerer Funktionsschichten möglich, dass gekoppelte Masseelemente mit verschiedensten gewünschten (gekoppelten) Schwingungseigenschaften realisierbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik die bereits im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Drehratensensor oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors beschriebenen Vorteile. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 6 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 7 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 8 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 9 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 10 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 11 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 12 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 13 zeigt schematisch einen Teil eines Drehratensensors gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In Figur 1 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10 und ein zweites Masseelement 20. Die beiden Masseelemente 10, 20 sind jeweils teilweise in einer ersten
Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, insbesondere sind ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Masseelemente 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 aneinander gekoppelt. Die Koppelstruktur 30 weist einen ersten Koppelbereich 31 auf, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet ist. Die Koppelstruktur 30 ist als Schubstange ausgebildet und steif in eine erste und eine zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 des Substrats. Die gezeigte Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der
eingezeichneten gestrichelten Pfeile. Ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 kann beispielsweise oberhalb der Koppelstruktur 30 angeordnet werden. Dies ist in Figur 1 durch den gestrichelten Körper 70 dargestellt.
In Figur 2 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in Figur 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile
symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung, welche beispielsweise durch Temperatureffekte bedingt sein kann. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 asymmetrisch gekoppelt sind, führt eine derartige Stresseinkoppplung zu einer Ausweichbewegung der
Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten gezeigten Anordnung in Richtung des dicken gestrichelten Pfeils (also in negative Erstreckungsrichtung 200).
In Figur 3 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in Figur 1 gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Steifigkeit der Koppelstruktur 30 in eine
Erstreckungsrichtung 200 senkrecht auf der Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats ist - unter anderem - durch die Dicke (in
Erstreckungsrichtung 200) der Koppelstruktur 30 und damit durch das Verhältnis der Dicken der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 maßgeblich bestimmt. Bei passender Dimensionierung der
Strukturelemente können so ausreichend steife
Verbindungen/Koppelstrukturen 30 in die erste und zweite
Haupterstreckungsrichtung 110, 120 realisiert werden, beispielsweise auch für den Fall, dass ein unabhängiges mikromechanisches Element 70 gekreuzt wird. Die gezeigte Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der eingezeichneten Pfeile in die Erstreckungsrichtung 200, wobei sich die Massen sowohl gegenphasig als auch gleichphasig bewegen können.
In Figur 4 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10 und ein zweites Masseelement 20. Die beiden Masseelemente sind jeweils teilweise in einer ersten Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, insbesondere sind ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Masseelemente 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 aneinander gekoppelt. Die Koppelstruktur weist einen ersten Koppelbereich 31 auf, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet ist. Die Koppelstruktur 31 ist als dünne Schubstange ausgebildet und steif in eine erste
Haupterstreckungsrichtung 110 des Substrats. Die gezeigte
Ausführungsform erlaubt beispielsweise gekoppelte Bewegungen der beiden Masseelemente 10, 20 gemäß der eingezeichneten gestrichelten Pfeile, also insbesondere in eine zweite Haupterstreckungsrichtung 120 des Substrats und in die Erstreckungsrichtung 200, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats verläuft. Ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 kann beispielsweise oberhalb der Koppelstruktur 30 angeordnet werden. Dies ist in Figur 4 durch den gestrichelten Körper 70 dargestellt.
In Figur 5 ist schematisch ein Teil des Drehratensensors gemäß der in Figur 4 gezeigten zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile
symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung, welche beispielsweise durch Temperatureffekte bedingt sein kann. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 asymmetrisch gekoppelt sind, führt eine derartige Stresseinkoppplung zu einer Ausweichbewegung der
Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten gezeigten Anordnung in Richtung des dicken gestrichelten Pfeils (also in negative Erstreckungsrichtung 200).
In Figur 6 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dargestellt sind ein erstes Masseelement 10, ein zweites Masseelement 20, ein weiteres erstes Masseelement 10' und ein weiteres zweites Masseelement 20'. Das erste und zweite Masseelement 10, 20 sind in einer ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet. Das weitere erste und das weitere zweite Masseelement 10', 20' sind in einer vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet. Die vierte Funktionsschicht 4 ist oberhalb der zweiten Funktionsschicht 2 angeordnet. Des Weiteren ist eine
Koppelstruktur 30 dargestellt. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbreich 31, welcher in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet ist, einen zweiten Koppelbereich 32, welcher in der zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet ist, und einen weiteren Koppelbereich 34, welcher in der vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet ist. Die Koppelstruktur verbindet das erste Masseelement 10 mechanisch mit dem weiteren zweiten
Masseelement 20'. Des Weiteren ist eine zusätzliche Koppelstruktur 30'. Die zusätzliche Koppelstruktur 30' ist teilweise in der ersten
Haupterstreckungsrichtung 110 zwischen dem ersten und zweiten
Masseelement 10, 20 angeordnet. Sie umfasst einen zusätzlichen
Koppelbereich 31' und einen zusätzlichen weiteren Koppelbereich 32'. Der zusätzliche Koppelbereich 31' ist in der ersten und zweiten
Funktionsschicht 1, 2 angeordnet. Der zusätzliche weitere Koppelbereich 32' ist in der vierten Funktionsschicht 4 ausgebildet. Durch die zusätzlichen Koppelstruktur 30' sind das zweite Masseelement 20 und das weitere erste Masseelement 10' miteinander mechanisch verbunden und gekoppelt. Durch die dargestellte Ausführungsform sind parallele Bewegungen der jeweils gekoppelten Masseelemente 10, 20', 10', 20 in der
Haupterstreckungsebene 110, 120 möglich, antiparallele Bewegungen werden unterdrückt. Abhängig vom Dickenverhältnis der ersten und zweiten Funktionsschichten 1, 2 zur vierten Funktionsschicht 4 sind insbesondere Knickbewegungen in die Erstreckungsrichtung 200 möglich oder werden andernfalls unterdrück, beispielsweise für dicke
Funktionsschichten 1, 2, 4. Mit der gezeigten Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, Masseelemente zu realisieren, die übereinander (in Erstreckungsrichtung 200) angeordnet sind und in die erste oder zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 gegeneinander schwingen können Mögliche Schwingungsrichtungen der einzelnen Masseelemente 10, 10', 20, 20' sind durch die vollen und gestrichelten Pfeile dargestellt. In Figur 7 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform umfasst die bereits in Figur 1 dargestellten Komponenten. Des Weiteren ist eine dritte Funktionsschicht 3 dargestellt, welche zwischen dem Substrat und der ersten Funktionsschicht 3 angeordnet ist. Das erste Masseelement 10 umfasst einen dritten
Massebereich 13, der in der dritten Funktionsschicht 3 ausgebildet ist. Das zweite Masseelement 20 umfasst einen weiteren dritten Massebereich 23, welcher ebenso in der dritten Funktionsschicht 3 ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass eine Koppelstruktur 10, welche das erste und zweite Masseelement 10, 20 verbindet mittig (sowohl in Bezug auf die erste und zweite Haupterstreckungsrichtung 110, 120 als auch auf die
Erstreckungsrichtung 200 senkrecht dazu) an dem ersten und zweiten Masseelement 10, 20 angeordnet ist. Die eingezeichneten dicken vollen Pfeile symbolisieren eine auf das erste und zweite Masseelement 10, 20 von außen wirkende mechanische Spannung. Da das erste Masseelement 10 und das zweite Masseelement 20 bezogen auf die Erstreckungsrichtung 200 durch die Koppelstruktur 30 symmetrisch gekoppelt sind, findet selbst unter einer solchen Stresseinkopplung in vorteilhafter Weise keine
Ausgleichsbewegung der Koppelstruktur 30 bzw. der gesamten
dargestellten Anordnung statt (dicke gestrichelte Pfeile).
In Figur 8 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die fünfte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der vierten beispielhaften Ausführungsform (Figur 7) mit dem Unterschied, dass die Koppelstruktur 30 in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 eine klar größere
Ausdehnung aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120. Hierdurch ist es möglich, zwei Masseelemente 10, 20 miteinander zu koppeln, sodass diese eine relative Bewegung in die Erstreckungsrichtung 200 und die zweite Haupterstreckungsrichtung 120 ausführen können, jedoch dennoch unter Stresseinkopplung von außen (dicke volle Pfeile) keine Ausgleichsbewegung in Erstreckungsrichtung 200 stattfindet (dicke gestrichelte Pfeile). In Figur 9 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die sechste beispielhafte Ausführungsform ähnelt der fünften
beispielhaften Ausführungsform (Figur 8). Es ist zusätzlich ein weiteres unabhängiges mikromechanisches Element 70 dargestellt, welches die Koppelstruktur 30 teilweise umgibt. Des Weiteren symbolisieren die gestrichelten Pfeile die in dieser Ausführungsform möglichen Bewegungen des ersten und zweiten Masseelements 10, 20 in die Erstreckungsrichtung 200 und die zweite Haupterstreckungsrichtung 120.
In Figur 10 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein erstes und ein zweites Masseelement 10, 20 sind mittels einer Koppelstruktur 30 mechanisch gekoppelt. Die beiden Masseelemente 10, 20 sind jeweils teilweise in einer ersten Funktionsschicht 1 und einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet, wobei ein erster Massebereich 11 und ein weiterer erster Massebereich 21 in der ersten Funktionsschicht 1 angeordnet sind und ein zweiter Massebereich 12 und ein weiterer zweiter Massebereich 22 in der zweiten Funktionsschicht 2. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbereich 31, ausgebildet in der ersten
Funktionsschicht 1, und einen zweiten Koppelbereich 32, ausgebildet in der zweiten Funktionsschicht 2. Der erste und zweite Koppelbereich 31, 32 besitzen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 eine größere
Ausdehnung als in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120.
Insbesondere grenzt nur der erste Koppelbereich 31 und nicht der zweite Koppelbereich 32 direkt an die Masseelemente 10, 20. Dadurch (und durch die geringe Ausdehnung des ersten Koppelbereichs 31 in die
Erstreckungsrichtung 200) sind Schwingungen der Masseelemente 10, 20 in die Erstreckungsrichtung 200 möglich (dargestellt durch die vollen Pfeile, die in positive und negative Erstreckungsrichtung 200 zeigen). Des
Weiteren umfasst die Koppelstruktur 30 zwei Verankerungen 50, mittels derer die Koppelstruktur 30 an das Substrat koppelbar ist. Die
Haupterstreckungsrichtung der Verankerungen 50 fällt mit der zweiten Haupterstreckungsrichtung 120 des Substrats zusammen. Die
Verankerungen 50 sind in der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet. Des Weiteren sind die Verankerungen 50 mittig (mit Bezug auf die erste Haupterstreckungsrichtung 110) zwischen dem ersten und zweiten Masseelement angeordnet und damit ebenso mittig an dem ersten und zweiten Koppelbereich 31, 32, wodurch sich eine Form eines
Torsionsbalkens ergibt. Dadurch ist die gezeigte Anordnung als
Wippenstruktur mit einem Scharnier ausgebildet (die Bewegungen entlang der eingezeichneten gebogenen vollen Pfeile ermöglicht). Bei der gezeigten Ausführungsform sind Bewegungen in die erste
Haupterstreckungsrichtung 110 nur teilweise unterdrückt, da die
Verankerungen 50 in diese Richtung 110 nur eine geringe Ausdehnung aufweisen, und somit eine vergleichsweise geringe Steifigkeit. Dies ist durch die gestrichelten Pfeile dargestellt.
In Figur 11 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer achten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die achte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der siebten beispielhaften Ausführungsform (Figur 10). Die Verankerungen 50, welche als Teil der Koppelstruktur 30 ausgebildet sind, weisen jedoch in dieser
Ausführungsform eine T-förmige Querschnittsfläche auf. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Verankerungen 50 in der ersten Funktionsschicht 1 einen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 verbreiterten ersten Verankerungsbereich aufweisen (welcher in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 breiter ist als ein in der zweiten
Funktionsschicht 2 angeordneter zweiter Verankerungsbereich der
Verankerungen 50). Dadurch ist die Koppelstruktur 30 in der achten beispielhaften Ausführungsform in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 steifer als in der siebten beispielhaften Ausführungsform (Figur 10) und Schwingungen in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 sind
unterdrückt. Die Aufhängung der Wippe durch einen Torsionsbalken mit T- Profil ist insbesondere in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 und die Erstreckungsrichtung 200 biegesteif (im Verhältnis zur Torsionssteif igkeit). In Figur 12 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer neunten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gezeigte neunte beispielhafte Ausführungsform ähnelt der in Figur 11 gezeigten achten beispielhaften Ausführungsform. Bei der neunten beispielhaften Ausführungsform ist jedoch eine dritte
Funktionsschicht 3 vorhanden. In dieser dritten Funktionsschicht 3 sind sowohl ein dritter Massebereich 13 des ersten Masseelements 10, ein weiterer dritter Massebereich 23 des zweiten Masseelements 20 als auch ein dritter Koppelbereich 33 der Koppelstruktur 30 angeordnet. Des
Weiteren umfassen die Verankerungen 50 jeweils einen dritten
Verankerungsbereich, der in der dritten Funktionsschicht 50 ausgebildet ist. Insbesondere ergibt sich dadurch ein kreuzförmiger Querschnitt der Verankerungen 50. Die gesamte dargestellte Anordnung ist
spiegelsymmetrisch ausgebildet mit Bezug auf eine Symmetrieebene, welche parallel zur Haupterstreckungsebene 110, 120 des Substrats angeordnet ist und mittig durch die Masseelemente 10, 20 und die
Koppelstruktur 30 verläuft.
In Figur 13 ist schematisch ein Teil eines Drehratensensors gemäß einer zehnten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere sind eine Koppelstruktur 30, und zwei weitere Koppelstrukturen 30" dargestellt. Die (weiteren) Koppelstrukturen 30, 30"sind in die erste Haupterstreckungsrichtung 110 nebeneinander und direkt aneinander angrenzend angeordnet. Die Koppelstrukturen 30, 30" ergeben zusammen eine mechanische Verbindung zwischen zwei
Masseelementen, welche nicht dargestellt sind. Die Koppelstruktur 30 umfasst einen ersten Koppelbereich 31, angeordnet in einer ersten
Funktionsschicht 1, und einen zweiten Koppelbereich 32, angeordnet in einer zweiten Funktionsschicht 2. Des Weiteren umfasst die Koppelstruktur 30 zwei Verankerungen 50 am Substrat, welche sich vornehmlich in die zweite Haupterstreckungsrichtung 120 erstrecken. Die Verankerungen 50 sind ebenfalls teilweise in der ersten und zweiten Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet und besitzen einen T-förmigen Querschnitt. Die weiteren Koppelstrukturen sind 30" gleichen im Wesentlichen der Koppelstruktur 30. Die gezeigten (weiteren) Koppelstrukturen 30, 30" ermöglichen lokale Bewegungen, welche durch die vollen Pfeile dargestellt sind. Durch die Scharnierfedern ergibt sich eine Anordnung von Koppelstrukturen 30, 30", die ausschließlich Bewegungen in die Erstreckungsrichtung 200 begünstigt. Benachbarte Verbindungsknoten zwischen den Koppelstrukturen 30, 30"bewegen sich gegenphasig (symbolisiert durch die vollen Pfeile in positive und negative Erstreckungsrichtung 200).

Claims

Ansprüche
Drehratensensor mit einem Substrat, wobei das Substrat eine
Haupterstreckungsebene (110, 120) aufweist, wobei der Drehratensensor mindestens ein erstes und ein zweites in Schwingung versetzbares Masseelement aufweist (10, 20), wobei eine erste
Haupterstreckungsrichtung (110) des Substrats von dem ersten
Masseelement (10) zum zweiten Masseelement (20) zeigt, wobei in die erste Haupterstreckungsrichtung (110) zwischen dem ersten und zweiten Masseelement (10, 20) eine Koppelstruktur (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Koppelbereich (31) der Koppelstruktur (30) in einer ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein erster Massebereich (11) des ersten Masseelements (10) in der ersten
Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein zweiter Massebereich (12) des ersten Masseelements (10) in einer zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei die erste Funktionsschicht (1) in eine
Erstreckungsrichtung (200), senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110, 120), zwischen dem Substrat und der zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei eine zweite Haupterstreckungsrichtung (120) senkrecht auf der ersten Haupterstreckungsrichtung (110) steht, wobei der erste Koppelbereich (31) in die erste Haupterstreckungsrichtung (110) eine größere Ausdehnung aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung (120).
Drehratensensor nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite
Masseelement (10, 20) mithilfe der Koppelstruktur (30) mechanisch verbunden sind.
Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Funktionsschicht (1) in die Erstreckungsrichtung (200), senkrecht zur Haupterstreckungsebene (110, 120), eine geringere Ausdehnung aufweist als die zweite Funktionsschicht (2).
4. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Koppelbereich (31) in die erste Haupterstreckungsrichtung (110) eine höhere Steifigkeit aufweist als in die zweite Haupterstreckungsrichtung (120).
Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine dritte Funktionsschicht (3) in der Erstreckungsrichtung (200) zwischen dem Substrat und der ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein dritter Massebereich (13) des ersten Masseelements (10) in der dritten Funktionsschicht angeordnet ist.
Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein weiterer erster Massebereich (21) des zweiten Masseelements (20) in der ersten Funktionsschicht (1) angeordnet ist, wobei ein weiterer zweiter
Massebereich (22) des zweiten Masseelements (20) in der zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei insbesondere ein weiterer dritter Massebereich (23) des zweiten Masseelements (20) in der dritten
Funktionsschicht (3) angeordnet ist.
Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein zweiter Koppelbereich (32) der Koppelstruktur (30) in der zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei insbesondere ein dritter Koppelbereich (33) der Koppelstruktur (30) in der dritten Funktionsschicht (3) angeordnet ist.
Drehratensensor nach Anspruch 7, wobei eine zweite
Haupterstreckungsrichtung (120) senkrecht auf der ersten
Haupterstreckungsrichtung (110) steht, wobei der zweite Koppelbereich (32) in die zweite Haupterstreckungsrichtung (120) eine geringere
Ausdehnung aufweist als der erste Koppelbereich (31), wobei
insbesondere der dritte Koppelbereich (33) in die zweite
Haupterstreckungsrichtung (120) eine geringere Ausdehnung aufweist als der erste Koppelbereich (31).
Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, eine vierte Funktionsschicht in der Erstreckungsrichtung (200) oberhalb der zweiten Funktionsschicht (2) angeordnet ist, wobei in der vierten Funktionsschicht (4) ein weiteres zweites Masseelement (20') angeordnet ist, wobei die Koppelstruktur (30) einen in der zweiten Funktionsschicht (2) angeordneten zweiten Koppelbereich (32) und einen weiteren Koppelbereich (34) aufweist, wobei der weitere Koppelbereich (34) in der vierten
Funktionsschicht (4) angeordnet ist, wobei mithilfe der Koppelstruktur (30) das erste Masseelement (10) und das weitere zweite Masseelement (20') miteinander mechanisch verbunden sind
10. Drehratensensor nach Anspruch 9, wobei in der vierten Funktionsschicht (4) ein weiteres erstes Masseelement (10') angeordnet ist, wobei in der ersten Haupterstreckungsrichtung (110) zwischen dem ersten und zweiten
Masseelement (10, 20) eine zusätzliche Koppelstruktur (30') angeordnet ist, wobei die zusätzliche Koppelstruktur (30') einen zusätzlichen
Koppelbereich (31') und einen zusätzlichen weiteren Koppelbereich (32') aufweist, wobei der zusätzliche Koppelbereich (31') in der ersten und zweiten Funktionsschicht (1, 2) ausgebildet ist, wobei der zusätzliche weitere Koppelbereich (32') in der vierten Funktionsschicht (4) ausgebildet ist, wobei mithilfe der zusätzlichen Koppelstruktur (30') das zweite
Masseelement (20) und das weitere erste Masseelement (10') miteinander mechanisch verbunden sind.
11. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Koppelstruktur (30) mindestens eine, bevorzugt zwei, Verankerungen (50) am Substrat aufweist, insbesondere derart, dass die Koppelstruktur (30) ein Scharnierelement umfasst.
12. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Koppelstruktur (30) als Wippenstruktur ausgebildet ist.
13. Drehratensensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der
Drehratensensor mindestens eine, insbesondere mindestens zwei, weitere
Koppelstruktur (30") aufweist, wobei die weitere Koppelstruktur (30") im Wesentlichen gleich ausgebildet ist wie die Koppelstruktur (30), wobei die Koppelstruktur (30) und die weitere Koppelstruktur (30") nebeneinander, insbesondere aneinander angrenzend, in der ersten Haupterstreckungsrichtung (110) des Substrats angeordnet sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
PCT/EP2018/070567 2017-08-08 2018-07-30 Drehratensensor, verfahren zur herstellung eines drehratensensors WO2019030036A1 (de)

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KR1020207006368A KR102557142B1 (ko) 2017-08-08 2018-07-30 요 레이트 센서, 요 레이트 센서를 제조하기 위한 방법
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