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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem dreiachsigen Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Drehratensensoranordnungen sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. In einer einfachen Variante wird beispielsweise ein Rotor in einer MEMS-Funktionsebene (XY-Ebene) parallel zu einem Substrat angeordnet und zu einer Schwingung angeregt. Liegt eine äußere Drehrate in X- oder Y-Richtung am MEMS-Bauteil an, so wird der Rotor durch die Corioliskraft in Z-Richtung ausgelenkt. Diese Auslenkung kann wiederum über eine Kapazitätsänderung gegenüber feststehenden Detektionselektroden bestimmt werden. Günstig ist es hierbei, zwei Detektionselektroden zu verwenden, die symmetrisch zur Rotationachse angeordnet sind und deren Differenzsignal als Drehratensignal genutzt wird. In dieser Anordnung erzeugt eine von außen anliegende Linearbeschleunigung eine gleich große Kapazitätsänderung für beide Detektionselektroden, wodurch das Differenzsignal unverändert bleibt. Das Drehratensignal kann also nicht durch eine von außen anliegende Beschleunigung gestört werden.
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Weiterhin sind Anordnungen mit zwei symmetrischen Rotoren bekannt, die zu einer gegenphasigen Schwingung angeregt werden und die in jede Detektionsrichtung mit vier symmetrischen Detektionselektroden ausgestattet sind. Die Kapazitäten sind dabei kreuzweise gekoppelt und das resultierende Differenzsignal wird gemessen. Liegt an einem Einfachrotor eine äußere Drehschwingung an, die die Frequenz der Antriebschwingung hat, so erzeugt diese Drehschwingung eine Auslenkung des Rotors, die sich nicht von einem Drehratensignal unterscheiden lässt. In einem System mit zwei gegenphasig schwingenden Rotoren wird dagegen das Signal des ersten Rotors bei einer von außen anliegenden Drehschwingung genau durch das Signal des gegenphasig schwingenden zweiten Rotors kompensiert. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass mit der gegenphasigen Schwingung der beiden Rotoren kein Drehmoment aus dem MEMS-System ausgekoppelt wird. Unabhängig von den Montagebedingungen kann daher aus dem System keine Rotationsenergie an die Umgebung abgegeben werden. Weiterhin ist es günstig, die Rotoren in deren Zentrum federnd zu lagern.
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Die Aufhängung der beweglichen Strukturen und die Kopplung zwischen den gegenphasig schwingenden Coriolismassen bilden stets einen kritischen Punkt bei der Auslegung von Drehratensensoren. Äußere Störungen wie Vibrationen, elektrische Messpulse oder das elektronische Rauschen der Auswerteschaltung können zur Anregung unerwünschter Schwingungsmoden führen, die je nach Schwingungsform zu einem Fehlsignal oder zu einem zusätzlichen Rauschanteil im Signal führen können. Die Erfahrung hat hierbei gezeigt, dass die Störanfälligkeit des Sensors umso geringer ausfällt, je einfacher und kompakter dessen Aufbau ist. Daher kann auch ein Drehratensensor, der lediglich zwei zentral aufgehängte Rotoren und eventuell noch ein Kopplungsstruktur umfasst, ein sehr robustes und unempfindliches System bilden.
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Nachteilig ist an einer solchen Anordnung, dass man nur eine Drehrate in X- und Y-Richtung messen kann, während eine Messung in Z-Richtung nicht möglich ist. Eine Anordnung zur dreiachsigen Messung mittels eines einzelnen Rotors mit zusätzlichen seismischen Massen für die Z-Richtung ist hierzu beispielsweise aus der
EP 1 832 841 A1 bekannt. Es gibt verschiedene Ansätze, um auch auf Basis der Doppelrotoranordnung eine Detektion der Z-Richtung zu realisieren, die jedoch immer Zusatzelemente erfordern, die an die Bewegung der beiden Rotoren gekoppelt werden. Durch die zusätzlichen Elemente und deren Kopplungsstrukturen sind die dreiachsigen Drehratensensoren in der Regel sehr komplex, haben sehr viele, insbesondere sehr weiche Federelemente und sind damit sehr störungsempfindlich gegenüber externen Vibrationen oder elektrischen Messpulsen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines dreiachsigen Drehratensensors zur Verfügung zu stellen, die vibrationsrobust ist, im Betrieb möglichst keine Energie auskoppelt, unempfindlich gegenüber elektrischen Messpulsen ist, auf kleiner Fläche realisiert werden kann und eine hohe Empfindlichkeit und gute Flächennutzung aufweist.
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Der Drehratensensor gemäß Anspruch 1 erlaubt es, äußere Drehraten bezüglich aller drei Raumrichtungen zu detektieren, wobei die Antriebsbewegung hierbei in den Drehschwingungen der Rotoren besteht. Ohne äußere Drehrate sind die beiden Rotoren zunächst parallel zur XY-Ebene angeordnet. Liegt am Sensor eine äußere Drehung an, deren Drehachse parallel zur XY-Ebene gerichtet ist, so wirken auf die Rotoren Corioliskräfte, die die Rotoren gegenüber der Ebene verkippen. Bei einer äußeren Drehrate, deren Drehachse senkrecht auf der Haupterstreckungsebene steht, wirken dagegen auf einen starren Rotor lediglich radiale Dehnungs- bzw. Stauchungskräfte, die keine Gesamtbewegung des Rotors bewirken können. Die Rotoren des erfindungsgemäßen Sensors weisen jedoch wiederum selbst auslenkbare seismische Massen auf, die bei der Drehschwingung der Rotoren mitgedreht werden, so dass die radial verlaufenden Corioliskräfte eine Verschiebung der seismischen Massen in Radialrichtung des Rotors bewirken, die sich entsprechend detektieren lässt. Durch das erfindungsgemäße erste und zweite Kopplungselement verlaufen sowohl die Antriebsschwingungen der beiden Rotoren, als auch die Detektionsbewegungen der seismischen Massen jeweils gegenphasig, so dass sich die Auslenkung der seismischen Massen über eine Differenzmessung präzise bestimmen lässt.
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Die Rotoren erfüllen bei dem erfindungsgemäßen Sensor also eine Doppelfunktion und fungieren sowohl als Detektionsmasse in X- und Y-, als auch in Z-Richtung, so dass sich auf diese Weise ein besonders kompakter Sensor realisieren lässt, ohne dass hierfür Zusatzelemente notwendig wären. Ein Doppelrotor kann vorteilhafterweise mit sehr guter Flächennutzung besonders platzsparend ausgeführt werden und lässt sich gut an unterschiedliche äußere Rahmenbedingungen anpassen. Das erfindungsgemäße Konzept benötigt im Vergleich zu anderen dreiachsigen Sensoren nur sehr wenige Massen- und Kopplungselemente, so dass der Sensor sehr viel weniger Störmoden bei höheren Frequenzen aufweist und weniger anfällig gegenüber äußeren Störungen ist. Darüber hinaus benötigt der erfindungsgemäße Sensor insgesamt weniger Federn und lässt sich insbesondere mit härteren Federn realisieren als bekannte Konzepte. Damit ist der Sensor wesentlich unempfindlicher gegenüber Streuungen im Herstellungsprozess, durch die sich besonders weiche Federn nur sehr ungenau darstellen lassen. Auf diese Weise können vorteilhafterweise Drehratensensoren herstellt werden, die eine schmalere Frequenzverteilung aufweisen als bekannte Sensoren.
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Der geometrischen Beschreibung der elektromechanischen Struktur des Sensors wird im Folgenden die Haupterstreckungsebene des Substrats zugrunde gelegt. Die Richtungen parallel zum Substrat werden als laterale Richtungen und die Richtung senkrecht zum Substrat als vertikale Richtung bezeichnet. Die lateralen Richtungen werden dabei von einer X-Richtung und einer auf der X-Richtung senkrecht stehenden Y-Richtung aufgespannt. Die X- und die Y-Richtung bilden zusammen mit der vertikalen Z-Richtung ein rechtwinkliges Koordinatensystem, wobei die relative Lage einzelner Komponenten bezüglich der Z-Richtung auch mit den Begriffen „oberhalb“ und „unterhalb“ und vertikale Bewegungen mit „aufwärts“ und „abwärts“ bezeichnet werden.
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Die beiden Rotoren des Doppelrotors können beispielsweise in X-Richtung zueinander beabstandet sein und sind derart gekoppelt, dass sie über den Antrieb, insbesondere einen elektrostatischen Antrieb, zu gegenphasigen Drehschwingungen relativ zum Substrat angeregt werden können. Die Drehachsen beider Rotoren verlaufen dabei in Z-Richtung, wobei sich hierbei zwei Drehrichtungen unterscheiden lassen, von denen die eine als rechtsdrehend (d.h. bezüglich der Aufsicht auf das Substrat im Uhrzeigersinn verlaufend) und die andere als linksdrehend (gegen den Uhrzeigersinn verlaufend) bezeichnet wird. Die Drehachse verläuft vorzugsweise durch das Zentrum, besonders bevorzugt durch den Schwerpunkt, des jeweiligen Rotors. Unter den gegenphasigen Schwingungen des Doppelrotors sind Bewegungen zu verstehen, bei denen sich der erste und zweite Rotor zu jedem Zeitpunkt jeweils in entgegengesetzte Richtung drehen. Anders ausgedrückt erreicht der erste Rotor die maximale Auslenkung bezüglich der Rechtsdrehung, wenn der zweite Rotor die maximale Auslenkung bezüglich der Linksdrehung erreicht und umgekehrt. Drehungen des gesamten Sensors werden zur Unterscheidung von Drehungen der Rotoren im Folgenden stets als äußere oder von außen anliegende Drehungen bzw. Drehraten bezeichnet. Jeder der beiden Rotoren weist nun wiederum zwei seismische Massen auf, die elastisch so an den jeweiligen Rotor gekoppelt sind, dass eine laterale Auslenkung relativ zum Rotor ermöglicht wird. Dabei verläuft die laterale Auslenkungsrichtung der ersten Masse parallel zu der lateralen Auslenkungsrichtung der zweiten Masse und die Auslenkungsrichtung der dritten Masse verläuft entsprechend parallel zu der der vierten Masse. Befinden sich die beiden Rotoren bezüglich der Drehung jeweils in ihrer nicht ausgelenkten Ruhestellung, verlaufen die lateralen Auslenkungsrichtungen aller vier seismischen Massen insbesondere parallel zueinander, beispielsweise in Y-Richtung.
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Bei den seismischen Massen kann es sich insbesondere um abgeteilte Segmente der Rotoren handeln, die von dem Rest des jeweiligen Rotors durch eine oder mehrere Ausnehmungen getrennt und mit ihm durch Federn verbunden sind. Beispielsweise können die Rotoren bezüglich ihrer lateralen Ausdehnung eine Rechteck- oder Quadratform haben, während die seismischen Massen beispielsweise rechteckig, quadratisch oder trapezförmig sein können. Um die lateralen Auslenkungen zu ermöglichen, sind die Federn insbesondere weich in Auslenkungsrichtung gestaltet, d.h. sie weisen in diese Richtung eine geringere Federkonstante bzw. Steifigkeit auf, als in den dazu senkrechten Richtungen. Vorzugsweise ist die Federkonstante in der lateralen Auslenkungsrichtung dabei höchstens halb so groß wie der dazu senkrechten lateralen Richtung und/oder der vertikalen Richtung. Vorzugsweise werden dazu Blattfedern mit einem hohem Aspektverhältnis in Z-Richtung genutzt, wobei die Höhe (Ausdehnung in Z-Richtung) mindestens doppelt so groß ist wie die Breite (Ausdehnung in lateraler Richtung) der Feder. Verläuft die laterale Auslenkung beispielsweise in Y-Richtung, wird auf diese Weise eine vorteilhaft hohe Empfindlichkeit in X-Richtung erzielt, wobei Empfindlichkeit im Vergleich zu einem reinen Doppelrotor ohne Z-Detektion nahezu unverändert bleibt. Erfindungsgemäß sind die seismischen Massen über die Wippenelemente so gekoppelt, dass die lateralen Auslenkungen der ersten und dritten Masse und der zweiten und vierten Masse jeweils gegenphasig verlaufen. Insbesondere verkippen sich die Wippenelemente bei dieser Bewegung parallel zum Substrat, so dass z.B. ein Endstück des ersten Wippenelements der lateralen Auslenkung der ersten Masse folgt, während das entgegengesetzte Endstück der lateralen Auslenkung der dritten Masse folgt. Diese gegenphasigen Bewegungen sind nun wiederum erfindungsgemäß über das zweite Kopplungselement derart gekoppelt, dass die lateralen Auslenkungen der seismischen Massen folgende Phasenbeziehungen aufweisen: Seismische Massen, die zum selben Rotor gehören (erste und zweite Masse bzw. dritte und vierte Masse), bewegen sich gegenphasig und seismische Massen, die durch ein Wippenelement verbunden sind (erste und dritte, bzw. zweite und vierte Masse) bewegen sich ebenfalls gegenphasig.
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Der erfindungsgemäße Sensor ist vorzugsweise nur an vier Punkten am Substrat aufgehängt, die relativ zentral, und symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass der Sensor deutlich weniger empfindlich auf Verbiegung reagiert, als sie beispielsweise durch mechanische Spannungen während der Weiterverarbeitung hervorgerufen werden. Jeder der beiden Rotoren weist dabei vorzugsweise einen einzigen Ankerpunkt auf, wobei die Ankerpunkte beider Rotoren beispielsweise auf einer zur X-Richtung parallelen Linie liegen können. Jedes der beiden Wippenelemente weist vorzugsweise ebenfalls einen einzelnen Ankerpunkt auf, der besonders bevorzugt mittig bezüglich einer Haupterstreckungsrichtung des Wippenelements angeordnet ist, so dass jedes Wippenelement in Längsrichtung in zwei Teilabschnitte unterteilt wird, die gleich lange Hebelarme bezüglich des Ankerpunkts bilden. Die Ankerpunkte der beiden Wippenelement können beispielsweise auf einer, zur Y-Richtung parallelen Linie liegen und in Y-Richtung voneinander beabstandet sein. Das erste Kopplungselement ist vorzugsweise derart gestaltet, dass es nicht nur die Antriebsschwingung der beiden Rotoren koppelt, sondern auch die Kippbewegungen der beiden Rotoren koppelt, die von einer äußeren Drehrate in X-Richtung hervorgerufen werden. Vorzugsweise erstreckt sich das erste Kopplungselement in X-Richtung zwischen den beiden Rotoren und ist elastisch bezüglich einer Dehnung oder Stauchung bezüglich dieser Richtung. Insbesondere kann das erste Kopplungselement zu diesem Zweck zwei oder mehr in Y-Richtung verlaufende Teilabschnitte aufweisen, die sich bei einer Dehnung oder Stauchung des ersten Kopplungselements in X-Richtung verbiegen und so die gewünschte Elastizität hervorrufen. Liegt nun eine äußere Drehrate in X-Richtung an, rotiert jeder Rotor bei der, durch die Corioliskräfte verursachten Verkippung um eine Achse in Y-Richtung, wobei die Verkippungen der beiden Rotoren aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtungen gegenphasig erfolgen. Das erste Kopplungselement erzeugt nun insbesondere eine Rückstellkraft, die so gerichtet ist, dass die beiden Rotoren in die unverkippte Lage parallel zum Substrat zurückgezogen werden, so dass die gegenphasigen Oszillationen der Verkippungen durch die Kopplung entsprechend unterstützt werden. Weiter können die beiden Wippenelemente vorzugsweise derart ausgelegt werden, dass sie die vertikalen Bewegungen der seismischen Massen besonders gut koppeln, wobei die Haupterstreckungsrichtung der Wippenelemente insbesondere parallel zur X-Richtung verlaufen kann. Das erste Wippenelement koppelt dabei vorzugsweise die vertikale Bewegung (relativ zum Substrat) der ersten und dritten seismischen Masse derart, dass die dritte Masse bei einer vertikalen Auslenkung der ersten Masse in eine, der vertikalen Auslenkung der ersten Masse entgegengesetzte Richtung ausgelenkt wird und umgekehrt. Anders ausgedrückt ist eine Aufwärtsbewegung der ersten Masse mit einer Abwärtsbewegung der zweiten Masse verbunden (und umgekehrt). Bei diesen Bewegungen der ersten und dritten Masse verkippt sich das Wippenelement insbesondere aus seiner parallel zum Substrat verlaufenden Ruhelage, so dass ein erstes, mit der ersten Masse verbundenes Endstück des Wippenelements nach oben wandert, während das entgegengesetzte, mit der dritten Masse verbundene Endstück sich nach unten bewegt (und umgekehrt). Die zweite und vierte seismische Masse werden über das zweite Wippenelement in analoger Weise gekoppelt. Die jeweils paarweise gekoppelten Massenelemente sind wiederum über das zweite Kopplungselement miteinander gekoppelt. Denkbar ist hierbei, dass durch das zweite Kopplungselement, beispielsweise in Form einer Torsionsfeder eine Rückstellkraft zwischen gegenphasigen Verkippungen der Wippenelemente realisiert wird.
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In dem erfindungsgemäßen System sind durch das erste und zweite Kopplungselement und die beiden Wippenelemente also alle Detektionsmassen jeweils in alle Detektionsrichtungen miteinander gekoppelt. Die Kopplung aller einzelnen Detektionsmassen führt dazu, dass diese jeweils exakt mit derselben Frequenz schwingen. Damit können im Gegensatz zu ungekoppelten Systemen ungewünschte Schwebungen in der Detektionsbewegung vermeiden werden. Weiter ergibt sich damit die Möglichkeit über Zusatzelektroden die Frequenzen der Detektionsbewegungen so zu verschieben, dass sie den gleichen Wert aufweisen wie die Frequenz der Antriebsbewegung. Dadurch wird eine Güteüberhöhung in der Detektion erreicht, die besonders empfindliche Sensoren ermöglichen. Weiter können damit auch Sensoren, die mit einem besonders günstigen Closed-Loop-Konzept betrieben werden, realisiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Vorzugsweise sind die beiden Rotoren in ihrem Zentrum, insbesondere in ihrem Schwerpunkt, über mindestens eine Feder mit dem Substrat verbunden.
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Besonders bevorzugt verläuft die Drehachse der Rotoren dabei ebenfalls durch das Zentrum, bzw. den Schwerpunkt. Die Anbindung eines Rotors an das Substrat kann beispielsweise über einen Ankerpunkt realisiert werden, an dem eine, zwei oder mehr, parallel zum Substrat verlaufende Federn angeordnet sind, die mit dem Rotor verbunden sind. Die mindestens eine Feder kann insbesondere als harte Feder ausgebildet sein, so dass sie sich gegenüber weicheren Federn (d.h. insbesondere Federn mit einer geringeren Breite) mit geringerer Prozess-Streuung herstellen lässt.
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Die Anordnung und die geometrische Form des Doppelrotors, der seismischen Massen und der Kopplungselemente kann vorteilhafterweise symmetrisch gestaltet werden, so dass sich die durch die gegenphasig bewegten Detektionselemente hervorgerufenen Kräfte und Drehmomente exakt kompensieren. Auf diese Weise kann eine Übertragung von Bewegungsenergie an das Substrat und ein Offset im durch die entsprechende Detektionsbewegung erzeugten Messsignal vorteilhafterweise unterbunden werden. Die nachfolgenden Angaben zur Symmetrie beziehen sich stets auf die laterale Anordnung, Form und Ausdehnung der einzelnen Elemente, d.h. die Symmetriebeziehungen werden als zweidimensionale Symmetrien bezüglich der Haupterstreckungsebene beschrieben. In der dreidimensionalen Anordnung entsprechen den jeweils genannten Symmetrieachsen Symmetrieebenen, die von der Symmetrieachse und der Z-Richtung aufgespannt werden. Vorzugsweise ist der gesamte Sensoraufbau symmetrisch vorzunehmen, so dass Störungen jeder Art bereits alleine aufgrund der Symmetrie kompensiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Doppelrotor achsensymmetrisch zu einer ersten und/oder einer zweiten Symmetrieachse gestaltet ist, wobei die erste Symmetrieachse in Y-Richtung verläuft und mittig zwischen den beiden Rotoren angeordnet ist und die zweite Symmetrieachse in X-Richtung durch ein Zentrum, insbesondere einen Schwerpunkt, des ersten Rotors und ein Zentrum, insbesondere einen Schwerpunkt, des zweiten Rotors verläuft. Die beiden Rotoren sind dabei insbesondere in X-Richtung beabstandet und bezüglich der zwischen ihnen verlaufenden ersten Symmetrieachse spiegelbildlich zueinander ausgebildet.
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Jeder der beiden Rotoren kann insbesondere für sich genommen spiegelsymmetrisch zu der, durch sein Zentrum verlaufenden zweiten Symmetrieachse ausgebildet sein. Vorzugsweise sind auch die erste und zweite Masse, bzw. die dritte und vierte Masse jeweils Spiegelbilder bezüglich der zweiten Symmetrieachse. Besonders bevorzugt sind auch die Federanordnungen, über die die seismischen Massen mit dem jeweiligen Rotor verbunden sind, entsprechend symmetrisch gestaltet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Rotor achsensymmetrisch zu einer dritten Symmetrieachse gestaltet und/oder der zweite Rotor ist achsensymmetrisch zu einer vierten Symmetrieachse gestaltet, wobei die dritte Symmetrieachse in Y-Richtung durch ein Zentrum, insbesondere einen Schwerpunkt, des ersten Rotors verläuft und die vierte Symmetrieachse in Y-Richtung durch ein Zentrum, insbesondere einen Schwerpunkt, des zweiten Rotors verläuft. Vorzugsweise sind beide Rotoren jeweils spiegelsymmetrisch bezüglich ihrer in Y-Richtung verlaufenden Mittelachse ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die, an den Rotoren angeordneten seismischen Massen ebenfalls spiegelsymmetrisch bezüglich der dritten und/oder vierten Symmetrieachse ausgebildet, d.h. jeder der Massen ist vorzugsweise symmetrisch bezüglich der in Y-Richtung verlaufenden Symmetrieachse des jeweiligen Rotors. Besonders bevorzugt weisen auch die Federanordnungen der seismischen Massen die entsprechende Symmetrie auf.
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Vorzugsweise ist das erste Kopplungselement ein mittig zwischen den Rotoren angeordnetes erstes Federelement, wobei das erste Federelement insbesondere durch mindestens eine Blattfeder gebildet wird, die vorzugsweise überwiegend in Y-Richtung orientiert ist. Besonders bevorzugt weist das erste Federelement dazu einen oder mehrere Teilabschnitte auf, die in Y-Richtung verlaufen und sich bei einer Belastung des Federelements in X-Richtung entsprechend in X-Richtung verbiegen. Das erste Federelement kann dabei beispielsweise einen oder mehrere U- oder O-förmige Abschnitte aufweisen, die bei Belastung in X-Richtung aufgespreizt werden. Alternativ ist auch eine mäanderförmige Abfolge von Teilabschnitten denkbar. Vorzugsweise ist das erste Federelement bezüglich einer Verbiegung in Z-Richtung mindesten doppelt so steif wie in Y-Richtung. Bevorzugt wird dazu eine Blattfeder mit einem hohem Aspektverhältnis in Z-Richtung genutzt, z.B. mit einer Höhe, die mindestens doppelt so groß ist wie die Breite der Feder.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wippenelemente jeweils ein Hebelelement aufweisen, das über ein zweites Federelement mit einer seismischen Masse des ersten Rotors verbunden ist und über ein drittes Federelement mit einer seismischen Masse des zweiten Rotors verbunden ist, wobei das zweite und dritte Federelement vorzugsweise jeweils mittig an einer seismischen Masse angeordnet sind und/oder das Hebelelement über ein viertes Federelement am Substrat verankert ist, wobei das vierte Federelement besonders bevorzugt mittig an dem Hebelelement angeordnet ist und/oder sich vom Hebelelement in Richtung eines Zentrums des Doppelrotors erstreckt. Vorzugsweise ist die Anbindung der Federelemente an die jeweilige seismische Masse in der Mitte (bezüglich der X-Richtung) der Masse angeordnet. Bevorzugt wird dazu eine Blattfeder mit hohem Aspektverhältnis genutzt, insbesondere eine Blattfeder deren Höhe mindestens doppelt so groß ist wie die Breite der Feder. Das Hebelelement über mindestens ein viertes Federelement am Substrat verankert, wobei das vierte Federelement und die Verankerung zum Zentrum des Doppelrotors ausgerichtet sind, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen. Günstig ist es, jedes der beiden Wippenelemente spiegelsymmetrisch bezüglich der ersten Symmetrieachse zu gestalten, sowie zwei identische Wippenelemente zu verwenden, die zueinander spiegelbildlich bezüglich der zweiten Symmetrieachse gestaltet sind. Auf diese Weise wird wiederum eine Energieauskopplung und ein Offset im Messsignal vermieden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das zweite Kopplungselement einen ersten und zweiten Zusatzarm und ein Biegeelement auf, wobei der erste Zusatzarm am ersten Wippenelement angeordnet ist und der zweite Zusatzarm am zweiten Wippenelement angeordnet ist, wobei das Biegeelement den ersten Zusatzarm mit dem zweiten Zusatzarm verbindet. Die Zusatzarme werden vorzugsweise an dem Hebelelement des jeweiligen Wippenelement symmetrisch und mittig zwischen den beiden Rotoren angebracht um einen Offset zu vermeiden. Das Biegeelement, das die beiden Zusatzarme verbindet wird bevorzugt als Blattfeder ausgeführt, wobei dazu eine Blattfeder mit hohem Aspekt Verhältnis genutzt werden kann, insbesondere eine Blattfeder deren Höhe mindestens doppelt so groß ist, wie die Breite. Die Länge der Blattfeder wird vorzugsweise geringer gewählt als die Länge der Zusatzarme, also geringer als der Y-Abschnitt der Zusatzarme zwischen Hebelelement und Biegeelement, so dass eine Parallelauslenkung der seismischen Massen besonders stark unterdrückt wird.
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Vorzugsweise ist das zweite Kopplungselement zumindest in einem Teilbereich oberhalb oder unterhalb des ersten Kopplungselements angeordnet oder weist zumindest in einem Teilbereich zwei parallel verlaufende Teilelemente auf, wobei ein Teilelement oberhalb des ersten Kopplungselements angeordnet ist und das andere Teilelement unterhalb des ersten Kopplungselements angeordnet ist. Anders ausgedrückt, kreuzen sich das, insbesondere in X-Richtung verlaufende, erste Kopplungselement und das, insbesondere in Y-Richtung verlaufende, zweite Kopplungselement in einem Bereich zwischen den Rotoren und das zweite Kopplungselement wird in dem Kreuzungsbereich in einer Ebene unter- oder oberhalb (oder unter- und oberhalb) des ersten Kopplungselements geführt.
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Insbesondere ist es günstig, die Verbindung zwischen den Zusatzarmen und dem Biegeelement über eine mechanische Brücke zu realisieren, die einen Teil des ersten Kopplungselements überbrückt. Dazu kann beispielsweise das Biegeelement mit einem Brückenelement in einer zweiten Funktionsschicht verbunden werden, die zur Funktionsschicht der Rotoren vertikal beabstandet ist. Ist im Herstellungsprozess nur eine dünne zweite Funktionsschicht darstellbar, so ist es günstig das Abknicken zwischen den beiden Hebelarmen durch ein zusätzliches Federelement zu verhindern, das weich in X-Richtung, jedoch steif in Z-Richtung ausgelegt ist und das auf der eine Seite mit dem Substrat und auf der anderen Seite mit dem Hebelelement verbunden ist. Das Brückenelement kann unterhalb oder oberhalb des ersten Kopplungselements angeordnet sein oder in zwei parallele Teilelemente verzweigen, von denen eines oberhalb und das andere unterhalb des ersten Kopplungselements angeordnet ist. Das Brückenelement wird dann in einem Teilbereich unterhalb oder oberhalb des ersten Kopplungselement hindurchgeführt und jeweils mit einem Hebelarm verbunden. Günstig ist ein Brückenelement das sowohl unterhalb, als auch oberhalb des ersten Kopplungselements verbunden ist, so dass ein Abknicken zwischen den beiden Hebelarmen im Bereich des Brückenelements bei Belastung vermieden werden kann.
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Vorzugsweise ist eine unterhalb und/oder oberhalb des ersten Rotors angeordnete erste Detektionselektrodenanordnung symmetrisch zur zweiten und/oder dritten Symmetrieachse gestaltet und/oder eine unterhalb und/oder oberhalb des zweiten Rotors angeordnete zweite Detektionselektrodenanordnung symmetrisch zur zweiten und/oder vierten Symmetrieachse gestaltet. Über die erste Detektionselektrodenanordnung wird insbesondere eine Verkippung des ersten Rotors detektiert, wie sie durch die Wirkung einer äußeren Drehung mit Drehachse in X- bzw. Y-Richtung hervorgerufen wird. Vorzugsweise weisen die erste und die zweite Detektionselektrodenanordnung jeweils mindestens vier Elektrodenflächen auf, wobei die vier Elektroden des ersten Rotors jeweils spiegelsymmetrisch bezüglich der zweiten und dritten Symmetrieachse angeordnet sind, während die vier Elektroden des zweiten Rotors spiegelsymmetrisch zur zweiten und vierten Symmetrieachse liegen. Dabei gehorchen sowohl die Anordnung, als auch die laterale Form der einzelnen Elektrodenflächen (beispielsweise trapezförmig) der doppelten Spiegelsymmetrie. Eine Verkippung, deren Rotationsachse in X-Richtung liegt, kann auf diese Weise durch eine Differenzmessung zwischen den zwei Elektrodenflächen realisiert werden, die sich in Y-Richtung gegenüberliegen. Analog lässt sich eine dazu senkrechte Verkippung durch das jeweils andere Elektrodenpaar bestimmen. Durch eine symmetrische Elektrodenanordnung werden vorteilhafterweise durch elektrische Pulse auf den Elektroden hervorgerufene asymmetrische Kräfte vermieden. Die Detektionselektroden für die X- und Y-Detektion können beispielsweise unterhalb (oder oberhalb bzw. unter- und oberhalb) der Rotoren vorgesehen werden. Besonders günstig ist es, wenn die X-Detektionselektroden auch unterhalb der seismischen Massen vorgesehen werden können, so dass diese Flächen nicht verloren gehen, sondern doppelt genutzt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine dritte Detektionselektrodenanordnung zur Detektion einer lateralen Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Masse konfiguriert ist und eine vierte Detektionselektrodenanordnung zur Detektion einer lateralen Auslenkung der dritten und vierten seismischen Masse konfiguriert ist, wobei die dritte und vierte Detektionselektrodenanordnung eine Elektrodenfläche aufweist, die senkrecht zum Substrat angeordnet ist. Die Detektion einer in Z-Richtung gerichteten Drehrate kann in besonders günstiger Weise über senkrecht angeordnete Detektionsflächen realisiert werden, die insbesondere an den Hebelelementen vorgesehen oder mit den Hebelelementen gekoppelt sind. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise erreicht, dass die Hebelelemente bei der Detektionsbewegung mitbewegt werden, der Antriebsbewegung jedoch nicht folgen und somit eine besonders störungsarmes Drehratensignal erreicht werden kann. Günstig ist es wie in die X- und Y-Richtung mindesten vier Elektrodenflächen vorzusehen und paarweise derart anzuordnen und zu verschalten, dass eine von außen anliegende Drehschwingung im Differenzsignal gerade kompensiert wird, so dass sich kein Störsignal ergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die dritte und vierte Detektionselektrodenanordnung derart ausgebildet, dass sie Drehbewegungen der Wippenelemente detektieren, deren Drehachsen senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufen. Bei einer äußeren Drehung, deren Drehachse parallel zur Z-Richtung verläuft, werden die seismischen Massen in lateraler Richtung ausgelenkt und die Wippenelemente folgen dieser Bewegung durch eine Drehbewegung um die Z-Richtung (d.h. indem sie parallel zum Substrat verkippen). Insbesondere folgt dabei z.B. ein Endstück des ersten Wippenelements der lateralen Auslenkung der ersten Masse, während das entgegengesetzte Endstück der lateralen Auslenkung der dritten Masse folgt. Über die Drehung der Wippenelemente lässt sich die damit verbundene Auslenkung der seismischen Massen bestimmen. Die Drehbewegung der Wippenelemente lässt sich dabei insbesondere dadurch detektieren, dass die dritte und vierte Detektionselektrodenanordnung jeweils Elektroden aufweisen, die fest mit dem Substrat verbunden sind und weitere Elektroden aufweist, die fest mit den Wippenelementen verbunden sind. Die Drehung der Wippenelementen relativ zum Substrat kann auf diese Weise über die relative Verschiebung der zugehörigen Elektroden kapazitiv bestimmt werden.
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Der Sensor ist bei einem symmetrischen Aufbau mit den oben beschriebenen Anordnungen der Detektionselektroden in alle Richtung unempfindlich bezüglich einer externen Beschleunigung oder Drehbeschleunigung. Eine Ausnahme ergibt sich bei einer Beschleunigung in X-Richtung, bei der es zur Auslenkung der Hebelelemente kommen kann, was einer scheinbaren Z-Drehrate entspricht.
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Günstig ist es die Massenverteilung der Hebelelemente samt Zusatzarme und Biegeelement sowie die Aufhängung der Hebelelemente derart zu wählen, dass bei einer Beschleunigung in X-Richtung die Hebelelemente derart ausglichen sind, dass sie keine Drehbewegung sondern eine reine Verschiebung in X-Richtung ausführen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
- 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors inklusive Biegeelement zwischen den beiden zweiten Kopplungselementen.
- 3 zeigt schematisch die Antriebsbewegung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
- 4 zeigt schematisch die Detektionsbewegung für eine äußere Drehrate, die in Y-Richtung orientiert ist.
- 5 zeigt schematisch die Detektionsbewegung für eine äußere Drehrate, die in X-Richtung orientiert ist.
- 6 zeigt schematisch die Detektionsbewegung für eine äußere Drehrate, die in Z-Richtung orientiert ist.
- 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors.
- 8 illustriert eine bevorzugte Gestaltung der Wippenstruktur.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung schematisch dargestellt. Das Grundelement wird durch einen gegenphasig schwingenden Doppelrotor gebildet. In den beiden Rotoren 1, 2 sind jeweils zwei seismische Massen 3, 4, 5 6 abgeteilt, die über Federn 7 weich in eine Richtung senkrecht zur Schwingungsachse der Rotoren gelagert sind. Die beiden Rotoren sind über ein erstes Kopplungselement 8 miteinander gekoppelt, das bei der dargestellten Ausführung einen mittig angeordneten O-förmigen Abschnitt aufweist, der bei Belastung in X-Richtung aufgespreizt wird. Je eine der beiden abgeteilten Massen (3 mit 5 und 4 mit 7) eines Rotors 1, 2 sind miteinander über ein Wippenelement 9 bzw. 9' gekoppelt. Durch die Wippenelemente 9, 9' wird eine gegenphasige laterale Auslenkung der Massen 4 und 6 bzw. 3 und 5 erzwungen (vgl. 5).
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Die dargestellte Anordnung weist mehrere Achsensymmetrien auf, durch die eine Übertragung von Bewegungsenergie an das Substrat und ein Offset im durch die entsprechende Detektionsbewegung erzeugten Messsignal vorteilhafterweise unterbunden werden kann. Die beiden Rotoren 1, 2, deren seismische Massen 3, 4, 5, 6, die Wippenelemente 9, 9' und die Kopplungselemente 8, 10 sind jeweils spiegelsymmetrisch zu den in X- und Y-Richtung verlaufenden Mittelachsen des Doppelrotors gestaltet. Die Achse der dargestellten rechts-links-Spiegelsymmetrie der Anordnung wird dabei als erste Symmetrieachse bezeichnet, während die zweite Symmetrieachse der Spiegelsymmetrie zwischen der unteren und der oberen Hälfte zugeordnet ist. Zusätzlich weist jeder Rotor 1, 2 für sich genommen eine in Y-Richtung orientierte Spiegelachse auf, die als dritte bzw. vierte Symmetrieachse bezeichnet werden. Vorzugsweise weisen die Federn 7 der seismischen Massen 3, 4, 5, 6 und die Verankerungselemente 13, 14 der Rotoren 1, 2 (vgl. 3) dieselbe Symmetrie auf, wie die Rotoren.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung der Sensoranordnung wie in 1, wobei zusätzlich die beiden Wippenelemente 9, 9' über ein zweites Kopplungselement 10 verbunden sind, das aus zwei Zusatzarmen 11, 11' besteht, die wiederum über ein Biegeelement 12 miteinander verbunden sind. In der dargestellten, besonders günstigen Anordnung ist die Kopplungsstruktur 8 der beiden Rotoren 1, 2 und die Kopplungsstruktur 10 der beiden Wippenelemente 9, 9' zwischen den beiden Rotoren angeordnet, wobei in dem Zentralbereich, in dem sich die beiden Kopplungselemente 8 und 10 kreuzen, eine mechanische Brücke 30 realisiert ist, die eine unabhängige Bewegung beider Strukturen in diesem Bereich erlaubt. Das Kopplungselement weist zu diesem Zweck zwei Teilabschnitte 30 (Brückenelemente) auf, die unterhalb des O-förmigen Abschnitts des ersten Kopplungselements 8 verlaufen.
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In der 3 ist die Antriebsbewegung des Doppelrotors dargestellt. Um die Bewegung gut sichtbar darzustellen, wird das zweite Kopplungselement 10, das an dieser Bewegung nicht teilnimmt, nicht abgebildet. Wie durch die Pfeile in 3a angedeutet, werden die Rotoren 1, 2 durch einen (nicht dargestellten) Antrieb in gegenphasige Drehschwingungen versetzt. Zum in 3a dargestellten Zeitpunkt befinden sich beide Rotoren 1, 2 in ihrer Nulllage (vgl. den Ruhezustand des Doppelrotors in 3c), und der linke Rotor 1 vollführt eine Linksdrehung, während der rechte Rotor 2 eine Rechtsdrehung ausführt. In der 3b ist schematisch die zugehörige Maximalauslenkung dargestellt, während in 3d die Maximalauslenkung der gegenläufigen Schwingungsphase abgebildet ist (Rechtsdrehung des Rotors 1, Linksdrehung des Rotors 2). Um die Drehschwingung der Rotoren 1, 2 zu ermöglichen, weisen die Rotoren 1, 2 jeweils im Bereich ihres Schwerpunkts eine zentrale Ausnehmung auf, in der sie über Federelemente 14 mit einem Ankerpunkt 13 verbunden sind.
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4 zeigt schematisch die Bewegung der seismischen Massen 3, 4, 5, 6, mit denen eine äußere Drehung detektiert wird, die parallel zur Y-Achse verläuft. Um die Bewegung gut sichtbar darzustellen, wird das zweite Kopplungselement 10, das an dieser Bewegung nicht teilnimmt, nicht abgebildet. Durch die gegenphasige Drehschwingung der Rotoren 1, 2 bewegt sich die Massen 3, 4, 5, 5, 6 bei dem dargestellten Durchgang durch die Nulllage jeweils in positive oder negative X-Richtung. Durch die aufgrund der äußeren Drehung wirkenden Corioliskräfte werden die beiden Massen 3 und 6 bei ihrer Antriebsbewegung in die negative X-Richtung jeweils in die negative Z-Richtung (also abwärts) ausgelenkt. Die gegenphasig bewegten Massen 4 und 5 werden entsprechend in positive Z-Richtung (aufwärts) abgelenkt. Die Kopplung der Detektionsbewegungen der Massen 3, 4, 5, 6 erfolgt über die beiden Wippenelemente 9, 9', die aus jeweils einem Hebelelement 15 bestehen, das über zwei Federn 16 (zweites und drittes Federelement) mit den Massen 4, 6 bzw. 3, 5 verbunden ist und über eine Feder 17 (viertes Federelement) an den Ankerpunkt 18 angebunden ist. Durch die Kippbewegung der mit den seismischen Massen 3, 4, 5, 6 verbundenen Hebel 15 sind die Detektionsbewegungen der Massen 3, 4, 5, 6 so gekoppelt, dass 3 und 5 bzw. 4 und 6 jeweils gegenphasig in Z-Richtung ausgelenkt werden. Die Z-Auslenkung wird durch die ober- und/oder unterhalb des Doppelrotors angeordneten Detektionselektrodenanordnungen 19 und 29 gemessen, wobei jeweils die Differenz der Kapazitätsänderung des Elektrodenpaars 19 bzw. 29 in das Messsignal eingeht. Besonders günstig ist es, die X-Detektionselektroden 19, 29 unterhalb der abgeteilten Massen 3, 4, 5, 6 vorzusehen, so dass diese Flächen nicht verloren gehen, sondern doppelt genutzt werden können.
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5 zeigt schematisch die Bewegung der seismischen Massen 3, 4, 5, 6, mit denen eine äußere Drehung detektiert wird, die parallel zur X-Achse verläuft. Um die Bewegung gut sichtbar darzustellen, wird das erste Kopplungselement 8, das an dieser Bewegung nicht teilnimmt, nicht abgebildet. Die Kopplung der Detektionsbewegung erfolgt über die beiden Wippenelemente 9, 9'. Durch die Corioliskräfte wird die rechte Seite des Rotors 1 (die sich in positive Y-Richtung bewegt) nach oben verkippt, während die linke Seite (die sich in negative Y-Richtung bewegt) nach unten verkippt wird. Die Verkippung des zweiten Rotors 2 verläuft spiegelbildlich dazu. Das erste Kopplungselement 8 ist vorteilhafterweise derart gestaltet, dass es nicht nur die Antriebsschwingung der beiden Rotoren 1, 2 koppelt, sondern auch die Kippbewegungen der beiden Rotoren 1, 2 koppelt. Durch den O-förmigen Abschnitt des Kopplungselements 8 bildet es eine elastische Verbindung zwischen den Rotoren 1, 2, durch die die Rotoren 1, 2 in die unverkippte Lage zurückgezogen werden. Die Detektion erfolgt analog wie in 4 über die Detektionselektrodenanordnungen 19' und 29'.
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6 zeigt schematisch die Bewegung der seismischen Massen 3, 4, 5, 6, mit denen eine äußere Drehung detektiert wird, die parallel zur Z-Achse verläuft. Wie in 6a dargestellt, werden die Massen 3, 4 des ersten (linksdrehenden) Rotors 1 durch die Corioliskräfte zum Zentrum des Rotors 1 hin verschoben, während die Massen 5, 6 des zweiten Rotors 2 vom Zentrum des Rotors 2 weg verschoben werden. Diese gegenphasigen Bewegungen der Massen 3, 4, 5, 6 werden durch das zweite Kopplungselement 10 unterstützt, indem es einerseits die lateralen Detektionsbewegungen der Massen 3 und 5 und die lateralen Detektionsbewegungen der Massen 4 und 6 miteinander koppelt, andererseits über das zwischen den Zusatzarmen 11, 11' angeordnete Federelement 12 diese paarweisen Bewegungen wiederum miteinander verkoppelt. Die 6a und 6b zeigen dabei die lateralen Auslenkungen der seismischen Massen, wenn der linke Rotor 1 eine Linksdrehung und der rechte Rotor 2 eine Rechtsdrehung ausführt. In 6d führt der linke Rotor 1 eine Rechtsdrehung und der rechte Rotor 2 eine Linksdrehung aus und 6c zeigt zum Vergleich den Ruhezustand des Doppelrotors.
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In 7 sind ist eine besonders vorteilhafte Umsetzung des erfindungsgemäßen Sensorkonzepts dargestellt. Dabei ist die hohe Flächennutzung zu erkennen, die sich durch den großen Flächenanteil der Rotoren 1, 2 ergibt. Die Antriebselektroden 23 sind hierbei in Form von mit den Rotoren 1, 2 fest verbundenen Kammelektroden realisiert, die elektrostatisch an substratfeste Kammelektroden koppeln. Diese vollständige Integration der Antriebskämme 23 in die Rotoren 1, 2 ist bei dieser Ausgestaltung besonders im Hinblick auf die sehr groß ausfallenden Rotoren von Vorteil. Bei dieser Ausführungsform werden zudem Flächen 24 zur Quadraturkompensation in alle drei Raumrichtung vorgehalten, die in dieser Gestaltung aber nicht aktiv betreibbar sind.
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Ist im Herstellungsprozess nur eine dünne zweite Funktionsschicht darstellbar, so ist es günstig das Abknicken zwischen den beiden Hebelarmen 11, 11' durch ein zusätzliches Federelement 20 zu verhindern, das weich in X-Richtung aber steif in Z-Richtung ausgelegt ist und das auf der einen Seite mit dem Substrat und auf der anderen Seite mit dem jeweiligen Hebelarm 15 verbunden ist.
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Die Detektion der Z-Drehrate wird hier über senkrecht angeordnete Detektionsflächen 21, 21' realisiert, die an den Hebelarmen 15 angeordnet sind oder alternativ auch mit den Hebelarmen gekoppelt sein können. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Hebelarme 15 zwar der Detektionsbewegung folgen, aber die Antriebsbewegung nicht mit ausführen, so dass ein besonders störarmes Drehratensignal erreicht werden kann. Günstig ist es weiterhin, in X- und Y-Richtung mindesten vier Detektionsflächen 21, 21' vorzusehen und diese paarweise derart anzuordnen und zu verschalten, dass eine von außen anliegenden Drehschwingung im Differenzsignal gerade kompensiert wird, so dass sich kein Störsignal ergibt.
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8 illustriert die korrekte Auslegung der Aufhängung des Hebelelements 15. Die Hebelelemente 15 sind jeweils über ein, mit einem Ankerpunkt 18 verbundenes Federelement 17 am Substrat verankert. Die Figuren 8a,8b und 8c zeigen, wie die Wippenstruktur bezüglich einer in X-Richtung anliegenden Beschleunigung symmetrisiert werden kann, so dass eine äußere Beschleunigung kein Fehlsignal im Z-Drehratesignal hervorrufen kann. Die Symmetrisierung erfolgt durch eine geeignete Wahl der Länge der Feder 17 und der entsprechenden Positionierung des Ankerpunkts 18. 8a zeigt ein unterkompensierte Anordnung, 8b zeigt die korrekt kompensierte Anordnung und 8a zeigt eine überkompensierte Anordnung.
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Der Sensor ist bei einem symmetrischen Aufbau mit den oben beschriebenen Anordnungen der Detektionselektroden in alle Richtung unempfindlich bezüglich einer externen Beschleunigung oder Drehbeschleunigung. Eine Ausnahme bildet eine Beschleunigung in X-Richtung, bei der es zu der Auslenkung der Hebelarme 15 kommen kann, die einer scheinbaren Z-Drehrate entspricht (siehe 8a und 8c). Günstig ist es die Massenverteilung der Hebelelemente 15 samt Zusatzarme 11, 11' und Biegeelement 12 sowie die Aufhängung 18 der Hebelelemente 15 derart zu wählen, dass bei einer Beschleunigung in X-Richtung die Hebelelemente 15 derart ausglichen sind, dass sie keine Drehbewegung ausführen, sondern eine reine Verschiebung in X-Richtung (siehe 8b).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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