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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Rotationssensorvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Rotationssensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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US 2004/0232107 A1 beschreibt ein mikromechanisches Bauteil, welches als Mikrospiegel einsetzbar ist, wobei eine Spiegelfläche um eine parallel zu einer Oberfläche eines Substrats ausgerichtete Drehachse und eine weitere parallel zu der Oberfläche des Substrats ausgerichtete Drehachse verstellbar ist. Außerdem soll das mikromechanische Bauteil auch als Rotationssensorvorrichtung einsetzbar sein.
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Die
US 7,212,944 B1 beschreibt eine Rotationssensorvorrichtung mit einem Substrat und einer Plattform, welche in Bezug zu dem Substrat um eine senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats ausgerichtete Schwingachse rotierbar ist. Auf der Plattform ist ein sensitives Element mit einer senkrecht zu der Schwingachse ausgerichteten sensitiven Achse angeordnet. Wirkt auf das sensitive Element eine im Wesentlichen entlang der sensitiven Achse ausgerichtete Kraft, so ist ein entsprechendes Signal über mindestens einen von dem sensitiven Element zu der Oberfläche des Substrats verlaufenden Signalpfad ausgebbar.
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Ein mikromechanischer Drehratensensor wird häufig eingesetzt, um eine Information über ein Rotationsverhalten eines rotierbaren Körpers zu ermitteln.
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1A und B zeigen schematische Darstellungen eines herkömmlichen mikromechanischen Drehratensensors mit einer sensitiven Achse zum Erläutern seiner Funktionsweise. Der herkömmliche Drehratensensor ist in der
DE 195 23 895 A1 beschrieben.
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Der dargestellte Drehratensensor 10 weist eine scheibenförmige Schwingmasse 12 auf, welche über mehrere Federn 14 mit einer Nabe 16 verbunden ist. Von den insgesamt vier Federn 14 sind jedoch in 1A nur zwei dargestellt. Die Federn 14 sind in einer kreisförmigen mittigen Aussparung der Schwingmasse 12, in welche die Nabe 16 hineinragt, angeordnet. Das der Schwingmasse 12 entgegen gerichtete Ende der Nabe 16 ist fest an einem Substrat 18 angeordnet. Die Nabe 16 und das Substrat 18 sind Untereinheiten einer Halterung, in welcher die Schwingmasse 12 oszillierbar angeordnet ist. Weiterer Komponenten der Halterung sind der besseren Übersichtlichkeit wegen in den 1A und B nicht dargestellt.
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An der Schwingmasse 12 sind als Kammelektroden geformte Antriebselektroden 20 ausgebildet, von denen in 1A jedoch nur eine dargestellt ist. Für jede Antriebselektrode 20 der Schwingmasse 12 sind zwei zusammen wirkende Antriebselektroden 22 fest an dem Grundsubstrat 18 angeordnet. Über eine im Weiteren nicht ausführlicher beschriebene Steuereinrichtung des Drehratensensors 10 kann eine Spannung U zwischen der Antriebselektrode 20 der Schwingmasse 12 und einer benachbarten Antriebselektrode 22 des Grundsubstrats 18 angelegt werden. Das Anlegen der Spannung U zwischen den Antriebselektroden 20 und 22 bewirkt eine Drehbewegung der Schwingmasse 12 um eine Schwingachse 24 gegenüber dem Substrat 18, wobei die Schwingachse 24 senkrecht zu der Oberfläche der scheibenförmigen Schwingmasse 12 verläuft.
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An der Schwingmasse 12 sind auch Sensorelektroden 26 angeordnet, welche die Form von Elektrodenkämmen haben. Benachbart zu den Sensorelektroden 26 der Schwingmasse 12 sind weitere Sensorelektroden 28 fest mit dem Substrat 18 verbunden. Dabei ist jede Sensorelektrode 26 der Schwingmasse 12 und die mit ihr zusammen wirkende Sensorelektrode 28 des Substrats 18 an einen Stromkreis mit einem Kondensator 30 angekoppelt. Eine Drehbewegung der Schwingmasse 12 um die Schwingachse 24 bewirkt eine Änderung der Kapazität C1 des Kondensators 30. Die Drehbewegung der Schwingmasse 12 um die Schwingachse 24, insbesondere die zugehörige Winkelgeschwindigkeit, ist somit durch ein Auswerten der Kapazitäten C1 der zugehörigen Kondensatoren 30 ermittelbar.
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Erfährt der Drehratensensor 10 während einer Drehbewegung der Schwingmasse 12 um die Schwingachse 24 eine Drehung um eine sensitive Achse 32 des Drehratensensors 10, so wirken auf die Schwingmasse 12 Corioliskräfte Fc, welche eine zusätzliche Drehbewegung der Schwingmasse 12 um eine Drehachse 34 bewirken (siehe 1B). Man kann die Drehbewegung der Schwingmasse 12 um die Drehachse 34 auch als ein Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 12 gegenüber einer Oberfläche des Substrats 18 bezeichnen.
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Das Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 12 um die Drehachse 34 bewirkt eine Abstandsabnahme eines ersten von der Drehachse 34 beabstandeten Endes 36 der Schwingmasse 12 und eine Abstandszunahme eines dem ersten Ende 36 gegenüberliegenden zweiten Endes 38 der Schwingmasse 12 gegenüber dem Substrat 18. Um die Zu- und Abnahme der Abstände der Enden 36 und 38 zu dem Substrat 18 zu ermitteln, sind auf dem Substrat 18 Gegenelektroden 40 zu den Enden 36 und 38 der Schwingmasse 12 ausgebildet. Dabei ist jedes der Enden 36 und 38 mit der zugehörigen Gegenelektrode 40 an einen Stromkreis mit einem Kondensator 42 angekoppelt. Die Zu- oder Abnahme des Abstands zwischen einem Ende 36 oder 38 und der zugehörigen Gegenelektrode 40 bewirkt somit eine Änderung einer Kapazität C2 des zugehörigen Kondensators 42. Die Änderung der Kapazität C2 ist dabei proportional zu den Corioliskräften Fc. Entsprechend hängt die Änderung der Kapazität C2 auch von der Drehrate der Drehbewegung des Drehratensensors 10 um die sensitive Achse 32 ab. Durch ein Auswerten der Kapazitäten C2 der Kondensatoren 42 kann somit die Drehrate der Drehbewegung des Drehratensensors 10 um die sensitive Achse 32 bestimmt werden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Schwingmasse eines zweiten herkömmlichen Drehratensensors mit zwei sensitiven Achsen zum Erläutern seiner Funktionsweise.
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Die dargestellte scheibenförmige Schwingmasse 52 des Drehratensensors 50 weist die bereits beschriebenen Antriebs- und Sensorelektroden 20 und 26 auf. Benachbart zu den Antriebs- und Sensorelektroden 20 und 26 der Schwingmasse 52 sind zusammen wirkende Antriebs- und Sensorelektroden 22 und 28 fest an einem (nicht skizzierten) Substrat des Drehratensensors 50 angeordnet. Da die Funktionsweise der Antriebselektroden 20 und 22 zum Versetzen der Schwingmasse 52 in eine Drehbewegung um einen (nicht dargestellte) Schwingachse und die Funktionsweise der Sensorelektroden 26 und 28 zum Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung um die Schwingachse oben bereits beschrieben werden, wird hier nicht auf sie eingegangen.
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Die Schwingmasse 52 ist über vier mäanderförmig geformte Federn 54 mit einer Nabe 56 verbunden. Mit Ausnahme der Nabe 56 sind keine weiteren Komponenten der Halterung des Drehratensensors 50 in 2 dargestellt. Die Federn 54 sind so ausgebildet, dass die sich um die Schwingachse drehende Schwingmasse 52 um die beiden Drehachsen 58 und 60 gegenüber der Halterung verkippbar/verschwenkbar ist. Eine derartige Verkippbewegung um mindestens eine Drehachse 58 oder 60 wird von der Schwingmasse 52 ausgeführt, wenn der Drehratensensor 50 während der Drehbewegung der Schwingmasse 52 um die Schwingachse eine Drehung um mindestens eine seiner beiden sensitiven Achsen erfährt. Eine Drehung des Drehratensensors 50 um die auf der ersten Drehachse 58 liegende erste sensitive Achse bewirkt ein Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 52 um die zweite Drehachse 60. Entsprechend führt eine Drehung des Drehratensensors 50 um die auf der zweiten Drehachse 60 liegenden zweiten sensitiven Achse zu einem Verkippen der Schwingmasse 52 um die erste Drehachse 58.
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Dieses Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 52 um mindestens eine Drehachse 58 oder 60 kann auf die oben schon beschriebene Weise mittels der auf dem Substrat angeordneten, nicht dargestellten Gegenelektroden festgestellt werden. Der Drehratensensor 50 weist somit den Vorteil auf, dass eine Drehbewegung des Drehratensensors 50 um eine Achse, welche in der von den zwei sensitiven Achsen aufgespannten Ebene liegt, erfassbar ist.
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Damit die Schwingmasse 52 um die beiden Drehachsen 58 und 60 verschwenkbar ist, müssen die Federn 54 jedoch eine möglichst geringe Biegesteifigkeit und eine entsprechend geringe Torsionssteifigkeit aufweisen. Um die geringe Biegesteifigkeit und die vorteilhafte Torsionssteifigkeit der Federn 54 zu gewährleisten, sind in der Regel Federn 54 mit einer vergleichsweise großen Mindestlänge und/oder einer mäanderförmigen Form notwendig. Eine große Mindestlänge von geraden Federn erhöht die Gesamtausdehnung des Drehratensensors 50 signifikant und erschwert somit das Anordnen des Drehratensensors 50 an einem drehbaren Körper.
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Bei Verwendung von Mäanderfedern ist eine präzise Designauslegung des Drehratensensors deutlich erschwert. Ebenso weist eine mäanderförmige Federn 54 entlang ihrer Längsachse eine unsymmetrische Masseverteilung auf. Die unsymmetrische Masseverteilung der mindestens einen Feder 54 kann zu falschen Ergebnissen des Drehratensensors 50 führen, wie beispielweise zu einem Ermitteln von nicht ausgeführten Drehbewegungen. Man spricht dabei auch von einer unvorteilhaften Querempfindlichkeit des Drehratensensors 50 oder von einem Übersprechen der mittels des Drehratensensors 50 detektierten Messsignale.
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Des Weiteren bedingt die unvorteilhafte Federsteifigkeit und/oder Torsionssteifigkeit, welche häufig trotz einer relativ großen Länge und/oder einer mäanderförmigen Form der Federn 54 noch immer vorliegt, eine vergleichsweise hohe Antriebsspannung des elektrostatischen Antriebs mit den Antriebselektroden 20 und 22. Das Anlegen einer derartigen hohen Antriebsspannung stellt jedoch besondere Anforderungen an den elektrostatischen Antrieb und verhindert damit eine kostengünstige Ausführungsform der elektronischen Antriebsschaltung.
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Das anhand des Drehratensensors 50 beschriebene Problem tritt häufig auch bei einem Drehratensensor mit nur einer sensitiven Achse auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine Rotationssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Rotationssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine herkömmlicherweise zum Verbinden der Schwingmasse mit der Halterung verwendete Feder parallel zu der Schwingachse eine Höhe aufweist, welche die Federsteifigkeit und/oder die Torsionssteifigkeit der Feder ungünstig erhöht. Die Schwingachse ist dabei die Achse, um welche die Schwingmasse mittels des elektrostatischen Antriebs in eine Drehbewegung versetzt wird. Herkömmlicherweise muss eine derartige Feder deshalb relativ lang und/oder mäanderförmig ausgebildet werden, um der vergleichsweise großen Höhe der Feder entgegenzuwirken.
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Die vorliegende Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, dass die Höhe der mindestens einen Feder zum Verbinden der Schwingmasse mit der Halterung reduzierbar ist, indem die mindestens eine Feder aus einer anderen Materialschicht herausstrukturiert wird als die mindestens eine an der Schwingmasse angebrachte Antriebelektrode des elektrostatischen Antriebs.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die in Anspruch 1 verwendeten Begriffe erste Schicht und zweite Schicht aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall keine räumliche Anordnung der beiden Schichten zueinander festlegen. Beispielsweise kann bei der Schichtfolge die erste Schicht auch über der zweiten Schicht angeordnet sein. Zum Bilden der Schichtfolge wird in diesem Fall zuerst die zweite Schicht aufgebracht. Danach wird auf der zweiten Schicht die isolierende Schicht gebildet. Anschließend wird die erste Schicht auf die isolierende Schicht und evtl. auf mindestens eine Teilfläche einer von der isolierenden Schicht nur teilweise abgedeckten Grenzfläche der zweiten Schicht aufgebracht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden die erste Schicht und die zweite Schicht so gebildet, dass die zweite Schichtdicke um einen Faktor von mindestens 5 größer als die erste Schichtdicke ist. Dies gewährleistet beispielsweise eine bevorzugte große Höhe einer aus der zweiten Schicht gebildeten mindestens einen zweiten Elektrode gegenüber der Höhe der mindestens einen Feder.
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Bei herkömmlichen Drehratensensoren wird die mindestens eine Feder zum Verbinden der Schwingmasse mit der Halterung aus einer Materialschicht herausstrukturiert, aus welcher auch die mindestens eine Antriebselektroden des elektrostatischen Antriebs gebildet wird. Die mindestens eine Feder weist deshalb herkömmlicherweise eine Höhe gleich der Höhe der mindestens einen Antriebselektrode auf. Um mittels des elektrostatischen Antriebs eine ausreichende Kraft zum Versetzen der Schwingmasse in die gewünschte Oszillierbewegung zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Antriebselektrode eine relativ große Höhe hat. Diese relativ große Höhe wirkt sich jedoch bei herkömmlichen Drehratensensoren unvorteilhaft auf die Federsteifigkeit und/oder die Torsionssteifigkeit der mindestens einen Feder aus.
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Es wird deshalb vorgeschlagen, eine Schichtenfolie zu bilden, welche eine erste Schicht mit einer vergleichsweise kleinen Schichtdicke und eine zweite Schicht mit einer vergleichsweise großen Schichtdicke enthält. Die beiden Schichten können zumindest teilweise über eine isolierende Schicht getrennt werden, so dass eine Grenzfläche der ersten Schicht, welche der zweiten Schicht zugewandt ist, zumindest teilweise von der isolierenden Schicht abgedeckt wird. Die erste Schicht und die zweite Schicht können aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall sein. Dabei können die erste Schicht und die zweite Schicht unterschiedliche Materialien enthalten. Die mindestens eine Feder wird aus der dünnen ersten Schicht herausstrukturiert. Das Herausstrukturieren der mindestens einen an der Schwingmasse fest angeordneten Antriebselektrode für den elektrostatischen Antrieb erfolgt vor oder nachher aus der vergleichsweise dicken zweiten Schicht.
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Das herkömmliche Herausstrukturieren der Federn aus der Materialschicht, welche zum Bilden der mindestens einen Antriebselektrode des elektrostatischen Antriebs dient, führt dazu, dass die Federn relativ viel Platz beanspruchen, der nicht als Elektrodenfläche genutzt werden kann. Damit ist eine gewünschte Miniaturisierung einer herkömmlichen Rotationssensorvorrichtung mit der Technologie nach dem Stand der Technik kaum möglich. Eine Reduktion des Radius und des Trägheitsmomentes des Rotors reduziert die vorteilhafte Torsionssteifigkeit der herkömmlichen Federn mit der vergleichsweise großen Ausdehnung entlang der Drehachse des elektrostatischen Antriebs zusätzlich und würde somit das Bilden noch schmalerer Federn oder noch stärker mäandrierter Federn erfordern, was jedoch herkömmlicherweise aufgrund von Prozessstreuungen kaum umsetzbar ist. Die in diesem Absatz beschriebenen Probleme können über die vorliegende Erfindung gelöst werden, indem die Federn aus einer dünnen Materialebene herausstrukturiert werden. Auf diese Weise lassen sich wesentlich einfachere und kompaktere Federn herstellen, welche bezüglich einer gewünschten Out-Of-Plane-Auslenkung weich sind.
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Die kompliziert aufgebaute Mäanderfeder eines herkömmlichen Drehratensensors macht die mechanische Auslegung des Sensorelements schwierig und stört eine gewünschte Symmetrie der Federaufhängung. Aufgrund dieses Symmetriebruchs hängt eine Funktionsfähigkeit einer Rotationssensorvorrichtung nach dem Stand der Technik sehr empfindlich von der genauen Lage der Federanbindungspunkte ab. Dieses Problem lässt sich jedoch durch die Verwendung von einfachen und voll symmetrischen Federn, welche über die vorliegende Erfindung möglich wird, lösen.
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Vorzugsweise umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Anordnen mindestens einer ersten Elektrode fest an der Halterung; Anordnen mindestens einer zweiten Elektrode fest an der Schwingmasse; und Bilden eines als elektrostatischer Antrieb ausgebildeten Antriebs so, dass zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode eine Spannung anlegbar ist und die Schwingmasse durch die zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode angelegte Spannung in die Schwingbewegung um die Schwingachse versetzbar ist.
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Zusätzlich kann zumindest eine Elektroden-Untereinheit der zweiten Elektrode aus der zweiten Schicht herausstrukturiert werden, wobei mindestens eine durchgehende Aussparung über mindestens einem Teilbereich der ersten Schicht in der isolierenden Schicht gebildet und die mindestens eine durchgehende Aussparung mit dem Material der zweiten Schicht gefüllt wird, und wobei eine weitere Elektroden-Untereinheit der zweiten Elektrode aus dem mindestens einen Teilbereich der ersten Schicht herausstrukturiert wird. Die Höhe der mindestens einen zweiten Elektroden beträgt somit mindestens die Summe der Schichtdicken der ersten und zweiten Schicht.
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Außerdem wird eine weitere einstückige Schwingmassen-Untereinheit der Schwingmasse aus der ersten Schicht herausstrukturiert. Die Elektroden der Schwingmasse können in diesem Fall über Sektoren verbunden werden, welche nur eine geringe Höhe aufweisen. Somit lässt sich die Masse der Schwingmasse bei gleichbleibender Höhe der mindestens einen zweiten Elektrode auf einfache Weise reduzieren.
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Vorzugsweise wird mindestens eine Gegenelektrode aus der zweiten Schicht herausstrukturiert, welche einer aus der der zweiten Schicht zugewandten Grenzfläche der ersten Schicht herausstrukturierten Schwingmassen-Teiloberfläche gegenüberliegt, wobei eine Sensoreinrichtung gebildet wird, welche dazu ausgelegt wird, eine von der mindestens einen Gegenelektrode und der mindestens einen Schwingmassen-Teiloberfläche gebildete Kapazität zu ermitteln. Die zweite Schicht kann somit zusätzlich zum Bereitstellen eines Materials für die mindestens eine Gegenelektrode verwendet werden.
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In einer Weiterbildung umfasst das Herstellungsverfahren die zusätzlichen Schritte: Bilden einer ersten Isolierschicht auf einem Substrat; Bilden einer leitfähigen Schicht auf der ersten Isolierschicht; Bilden einer zweiten Isolierschicht auf der leitfähigen Schicht; Bilden der Schichtfolge auf der zweiten Isolierschicht; und Herausstrukturieren mindestens einer Leitung und/oder mindestens einer Gegenelektrode aus der leitfähigen Schicht.
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Die isolierende Schicht, die erste Isolierschicht und die zweite Isolierschicht können aus einem isolierenden Material gebildet werden, wobei die erste Schicht bei einem Ätzen der isolierenden Schicht als Ätzschutzschicht die erste Isolierschicht und/oder die zweite Isolierschicht vollständig abdeckt. Die mindestens eine Feder kann somit aus einer Ätzschutzschicht, beispielsweise einer Gasphasen- Ätzschutzschicht, herausstrukturiert werden. Für die Herstellung einer Rotationssensorvorrichtung bildet man häufig Schichtfolgen mit einer Gasphasen-Ätzschutzschicht, welche beispielsweise darunter angeordnete isolierende Schichten bei einem Ätzschritt schützen soll. Eine derartige Ätzschutzschicht kann aus einem Metall und/oder Silizium gebildet werden. Die vorliegende Erfindung bietet somit eine Funktionalisierung einer Ätzschutzschicht sowie einer Ebene der Ätzschutzschicht. Durch diese Multifunktionalität der Ätzschutzschicht kann die Rotationssensorvorrichtung zusätzlich minimiert werden.
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Wird für das Herstellen der mindestens einen Feder eine Ätzschutzschicht verwendet, so kann diese von ihrer bisherigen Schichtdicke, beispielsweise zwischen 0,3 und 0,6µm, auf eine Schichtdicke zwischen 1µm bis 3µm aufgedickt werden. Das Aufdicken der Ätzschutzschicht erfordert dabei keine zusätzlichen arbeitsaufwendigen Schritte.
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Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einer entsprechenden Rotationssensorvorrichtung gewährleistet.
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Insbesondere kann die erste Höhe in einem Bereich zwischen 0,3µm und 3µm und die zweite Höhe in einem Bereich zwischen 8 und 20µm liegen. Dies gewährleistet eine vorteilhafte Biegesteifigkeit und/oder Torsionssteifigkeit der mindestens einen Feder bei einer ausreichend großen Kontaktfläche der mindestens einen zweiten Elektrode.
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Beispielsweise ist die mindestens eine Feder, über welche die Schwingmasse mit der Halterung verbunden ist, eine Balkenfeder. Eine Balkenfeder lässt sich auf einfache Weise herstellen.
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Die hier beschriebenen Vorteile der Rotationssensorvorrichtung lassen sich auch über ein entsprechendes Herstellungsverfahren verwirklichen.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können zusätzliche Komponenten der Rotationssensorvorrichtung aus der Materialebene, aus welcher die mindestens eine Feder vollständig geformt wird, herausstrukturiert werden. Beispielsweise können aus der Materialebene für die mindestens eine Feder Elektroden zum Detektieren einer Lage der Schwingmasse bezüglich der Halterung gebildet werden. Wie unten noch genauer beschrieben wird, kann dies dazu führen, dass zusätzliche Elektroden zum Ermitteln eines Verkippens der Schwingmasse geformt werden. Dies erhöht die elektrische Empfindlichkeit der Rotationssensorvorrichtung durch einen gesteigerten Kapazitätsbelag pro Fläche. Die Erhöhung der Empfindlichkeit kann entweder zur Steigerung der Sensorperformance, zum Unterdrücken eines Rauschens (bei unveränderter Baugröße) oder zur Reduktion der Größe der Rotationssensorvorrichtung (bei einer unveränderten Performance) genutzt werden.
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Die Bereiche der Antriebs- und Antriebsselektionskämme können weiterhin aus einer Schicht mit einer vergleichsweise großen Schichtdicke herausstrukturiert werden. Damit bleibt die Empfindlichkeit des Antriebs bei gegebener Antriebsspannung bzw. gegebener Antriebskraft unverändert groß. Gleichzeitig werden durch ein Herausstrukturieren der mindestens einen Feder und/oder von Teilbereichen des Rotors aus einer deutlich dünneren Schicht die Federsteifigkeit und das Trägheitsmoment des Sensors gegenüber einem herkömmlichen Drehratensensor signifikant reduziert. Somit werden geringere Antriebskräfte zur Einstellung des Arbeitspunktes benötigt. Für die Antriebsschaltung hat dies den Vorteil, dass weniger Antriebsspannung bereitgestellt werden muss. Beispielsweise können Ladungspumpen mit weniger Stufen für den elektrostatischen Antrieb verwendet werden. Vorzugsweise werden Ladungspumpen durch die vorliegende Erfindung nicht mehr notwendig, was Fläche und Kosten in ASIC einspart.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1A und B schematische Darstellungen eines ersten herkömmlichen Drehratensensors mit einer sensitiven Achse zum Erläutern der Funktionsweise;
- 2 eine Draufsicht auf eine Schwingmasse eines zweiten herkömmlichen Drehratensensors mit zwei sensitiven Achsen zum Erläutern der Funktionsweise;
- 3 ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Rotationssensorvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung einer Schichtfolge zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens;
- 5 eine Draufsicht auf Komponenten einer ersten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung;
- 6A und B zwei Koordinatensysteme zum Darstellen eines Zusammenhangs zwischen einer Höhe, einer Torsionssteifigkeit und einer Biegesteifigkeit einer Feder der Rotationssensorvorrichtung der 5;
- 7A und 7B schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung, wobei 7A eine Draufsicht auf Komponenten der Rotationssensorvorrichtung und 7B einen Querschnitt entlang einer sensitiven Achse der Rotationssensorvorrichtung darstellen; und
- 8 eine Draufsicht auf Komponenten einer dritten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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3 zeigt ein Flussdiagramm zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine Rotationssensorvorrichtung.
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In einem Schritt S1 des Herstellungsverfahrens wird eine Schichtfolge mit mindestens einer ersten Schicht aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall und einer zweiten Schicht aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall gebildet. Dabei können die erste und die zweite Schicht unterschiedliche Materialien aufweisen. Ebenso können die beiden Schichten aus dem gleichen Material gebildet werden. Die erste Schicht weist vorzugsweise eine erste Schichtdicke auf, welche von einer zweiten Schichtdicke der zweiten Schicht abweicht. Beispielsweise ist die erste Schichtdicke kleiner als die zweite Schichtdicke der zweiten Schicht. Vorteilhafterweise ist die erste Schichtdicke signifikant kleiner als die zweite Schichtdicke. Beispielsweise kann die erste Schichtdicke um mindestens einen Faktor 5 kleiner als die zweite Schichtdicke sein. Zwischen der ersten und der zweiten Schicht wird eine isolierende Schicht gebildet, so dass eine der zweiten Schicht zugewandte Grenzfläche der ersten Schicht zumindest teilweise von der isolierenden Schicht abgedeckt wird. Wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, kann die isolierende Schicht Aussparungen aufweisen, so dass die erste Schicht Teiloberflächen aufweist, welche die zweite Schicht kontaktieren. Auf diese Weise ist es möglich, Bereiche der zweiten Schicht direkt an die erste Schicht anzukoppeln.
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In einem weiteren Schritt S2 des Herstellungsverfahrens werden einzelne Komponenten der Rotationssensorvorrichtung aus der in dem Schritt S1 gebildeten Schichtfolge geformt. Die auf diese Weise hergestellte Rotationssensorvorrichtung weist eine Halterung mit mindestens einer ersten Elektrode und eine Schwingmasse, an welcher mindestens eine zweite Elektrode fest angeordnet ist, auf. Die erste und die zweite Elektrode sind an einen elektrostatischen Antrieb angekoppelt, über welchen eine Spannung zwischen den beiden Elektroden anlegbar ist. Die Schwingmasse der Rotationssensorvorrichtung ist über mindestens eine Feder mit der Halterung verbunden. Die mindestens eine Feder ist so ausgelegt, dass die Schwingmasse durch das Anlegen der Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in eine Schwingbewegung um eine Schwingachse versetzbar ist. Erfährt die Rotationssensorvorrichtung eine Rotation um eine zu der Schwingachse nicht parallele Drehachse, so wirkt auf die in die Schwingbewegung um die Schwingachse versetzte Schwingmasse eine Corioliskraft. Die mindestens eine Feder ist zusätzlich so ausgelegt, dass die Schwingmasse durch die Corioliskraft in eine Drehbewegung um eine zu der Schwingachse nicht-parallel gerichtete Drehachse versetzbar ist.
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Das in Schritt S2 ausgeführte Herausstrukturieren der Komponenten der in den oberen Absätzen beschriebenen Rotationssensorvorrichtung umfasst auch ein Herausstrukturieren der mindestens einen Feder aus der ersten Schicht (Schritt S21) und ein Herausstrukturieren zumindest einer Untereinheit der fest an der Schwingmasse angeordneten zweiten Elektrode aus der zweiten Schicht (Schritt S22). Dabei legt die Bezeichnung der Schritte S21 und S22 keine Reihenfolge zum Ausführen der Schritte fest. Das Herausstrukturieren der mindestens einen Feder in Schritt S21 kann vor oder nach dem Herausstrukturieren der zweiten Elektrode in Schritt S22 erfolgen.
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Durch das Herausstrukturieren der mindestens einen Feder aus der gegenüber der zweiten Schicht deutlich dünneren ersten Schicht ist gewährleistet, dass die mindestens eine Feder im Vergleich zu der zweiten Elektrode eine deutliche kleiner Höhe hat. Die mindestens eine Feder lässt sich somit auf einfache Weise mit einer vorteilhaften Biegesteifigkeit und einer guten Torsionssteifigkeit herstellen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtfolge zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
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Die dargestellte Schichtfolge weist als unterste Schicht ein Substrat 100, beispielsweise aus Silizium, auf. Die Höhe hs des Substrats 100 kann signifikant größer als die Schichtdicken der weiteren Schichten der Schichtfolge sein.
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Auf einer Oberfläche des Substrats 100 ist eine erste isolierende Schicht 102 gebildet. Beispielsweise erfolgt das Bilden der ersten isolierenden Schicht 102 über eine thermische Oxidierung. Die erste isolierende Schicht 102 wird von einer leitfähigen Schicht 104 abgedeckt. Die leitfähige Schicht 104 kann beispielsweise aus Silizium und/oder einem Metall aufgebaut sein. Beispielsweise ist die leitfähige Schicht 104 eine vergrabene Polysiliziumschicht. Aus der leitfähigen Schicht 104 kann in einem späteren Verfahrensschritt eine Leiterbahn und/oder eine Elektrode gebildet werden. Die leitfähige Schicht 104 weist eine Schichtdicke hs1, welche beispielsweise zwischen 0,3 und 1µm liegt. Vorzugsweise hat die leitfähige Schicht 104 eine Schichtdicke hs1 von 0,5µm.
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Die leitfähige Schicht 104 wird von einer zweiten isolierenden Schicht 106 abgedeckt. Anschließend wird auf der zweiten isolierenden Schicht 106 eine erste Schicht 108 aufgebracht. Die erste Schicht 108 besteht aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall. Vorzugsweise ist die erste Schicht 108 eine polykristalline Silizium-Schicht. Eine Schichtdicke hs2 der ersten Schicht 108 liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,3 und 3 µm. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke hs2 der ersten Schicht 108 etwa 1,8µm.
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Eine Oberfläche der ersten Schicht 108 wird anschließend zumindest teilweise mit einer dritten isolierenden Schicht 110 abgedeckt. Beispielsweise wird ein isolierendes Material auf die Oberfläche der ersten Schicht 108 aufgebracht. Anschließend können (nicht skizzierte) Aussparungen in die dritte isolierende Schicht 110 geätzt werden. Die dritte Schicht 110 kann, wie die erste isolierende Schicht 102 und die zweite isolierende Schicht 106, eine Oxidschicht sein. Die isolierenden Schichten 102, 106 und 110 können dazu dienen, elektrisch beschaltete Komponenten der später gebildeten Rotationssensorvorrichtung voneinander zu isolieren. Des Weiteren können die isolierenden Schichten 102, 106 und 110 Ätzstoppschichten zum Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens sein.
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Die isolierenden Schichten 102, 106 und 110 können in späteren Verfahrensschritten mittels einfacher Ätzverfahren lokal entfernt werden. Somit können die aus den Halbleiter- und/oder Metallschichten herausstrukturierten einzelnen Komponenten der im Weiteren hergestellten Rotationssensorvorrichtung durch ein zumindest teilweises Entfernen der isolierenden Schichten 102, 106 und 110 voneinander abgekoppelt und somit gegeneinander verstellbar ausgebildet werden.
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Die erste Schicht 108 ist beispielsweise eine Ätzschutzschicht für ein Ätzen der dritten isolierenden Schicht 110. Insbesondere kann die erste Schicht 108 eine Ätzschutzschicht für ein Gasphasenätzen sein. Dabei gewährleistet die erste Schicht 108 ein Ätzen der dritten isolierenden Schicht 110, ohne dass eine der darunter liegenden isolierenden Schichten 102 oder 106 angegriffen wird. Dies ist vor allem vorteilhaft, wenn vor einem Aufbringen der zweiten isolierenden Schicht 106 mindestens eine Leiterbahn aus der leitfähigen Schicht 104 herausstrukturiert wird.
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Nach dem zumindest teilweisen Abdecken der Oberseite der ersten Schicht 108 mit der dritten isolierenden Schicht 110 wird eine zweite Schicht 112, welche aus einem Halbleitermaterial und/oder einem Metall ist, aufgebracht. Vorzugsweise ist die zweite Schicht 112 eine polykristalline Silizium-Schicht und weist eine Schichtdicke hs3 auf, welche signifikant größer als die Schichtdicke hs2 der ersten Schicht 108 ist. Die Schichtdicke hs3 kann beispielsweise zwischen 8 und 20µm liegen.
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Weist die dritte isolierende Schicht 110 zwischen der ersten Schicht 108 und der zweiten Schicht 112 durchgehenden Aussparungen auf, so kontaktieren Bereiche der zweiten Schicht 112 die Oberseite der ersten Schicht 108. Auf diese Weise können Bereiche der zweiten Schicht 112 direkt an die erste Schicht 108 angekoppelt werden. Gleichzeitig ist durch die dritte isolierende Schicht 110 zwischen der ersten Schicht 108 und der zweiten Schicht 112 gewährleistet, dass Bereiche der zweiten Schicht 112 über einfach ausführbare Ätzschritte von der ersten Schicht 108 abkoppelbar sind. Dies gewährleistet eine Beweglichkeit von Komponenten aus Bereichen der Schichten 108 und 112 zueinander.
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In einem weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens wird zumindest eine Untereinheit einer fest an einer Schwingmasse angeordneten Elektrode eines Rotationssensors aus der zweiten Schicht 112 herausstrukturiert. Ebenso wird aus der ersten Schicht 108 mindestens eine Feder herausstrukturiert, über welche die Schwingmasse mit einer Halterung der Rotationssensorvorrichtung verbunden wird. Zusätzlich kann eine weitere Untereinheit der fest an der Schwingmasse angeordneten Elektrode aus der ersten Schicht 108 gebildet werden. Des Weiteren kann die erste Schicht 108 auch zum Bereitstellen eines Materials für eine Gegenelektrode zu einer zumindest teilweise aus der zweiten Schicht 112 gebildeten Schwingmasse dienen. Mögliche Formen der aus der ersten Schicht 108 und der zweiten Schicht 112 herausstrukturierten Komponenten der Rotationssensorvorrichtung und ihre Anordnung zueinander werden anhand der folgenden Figuren beschrieben. Die weiteren Schritte des Herstellungsverfahrens ergeben sich für einen Fachmann aus einem Vergleich der Figuren und werden deshalb hier nicht beschrieben.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf ein Herstellungsverfahren beschränkt ist, bei welchem die mindestens eine Feder aus einer ersten Schicht 108 herausstrukturiert wird, die unter der zweiten Schicht 110 angeordnet wird, aus welcher die mindestens eine an der Schwingmasse befestigte Elektrode zumindest teilweise gebildet wird. Stattdessen kann ein Fachmann das anhand der 4 beschriebene Herstellungsverfahren auch so erweitern, dass die erste Schicht 108 auf die zweite Schicht 112 aufgebracht wird.
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5 zeigt eine Draufsicht auf Komponenten einer ersten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Die schematisch wiedergegebene Rotationssensorvorrichtung 120 weist eine scheibenförmige Schwingmasse 122 auf, welche mittels vier Federn 124 mit einer Nabe 126 verbunden ist. Die Nabe 126 ist dabei die einzige dargestellte Komponente einer Halterung der Rotationssensorvorrichtung 120, gegenüber welcher die Schwingmasse 122 verstellbar ist. Ein der Schwingmasse 122 entgegen gerichtetes Ende der Nabe 126 ist fest mit einem (nicht skizzierten) Substrat der Halterung verbunden.
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Bereiche der Schwingmasse 122 sind als Antriebselektroden 128 ausgebildet. Vorzugsweise haben die Antriebselektroden 128 der Schwingmasse 122 die Form von Kammelektroden. Benachbart zu jeder Antriebselektrode 128 der Schwingmasse 122 ist je eine zusammen wirkende Antriebselektrode 130 fest an der Halterung der Rotationssensorvorrichtung 120 angeordnet. Die Antriebselektroden 128 und 130 sind Einheiten eines elektrostatischen Antriebs, über welchen die Schwingmasse 122 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Antriebselektroden 128 und 130 in eine Schwingbewegung um eine entlang der Längsrichtung der Nabe 126 verlaufende Schwingachse versetzbar ist.
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Um die Schwingbewegung der Schwingmasse 122 um die Schwingachse zu erfassen, sind an der Schwingmasse 122 zusätzliche Sensorelektroden 132 ausgebildet. Beispielsweise haben die Sensorelektroden 132 die Form von Kammelektroden. Jede der Sensorelektroden 132 der Schwingmasse 122 wirkt mit einer benachbarten, fest an der Halterung der Rotationssensorvorrichtung 120 angeordneten Sensorelektrode 134 zusammen. Je zwei zusammenwirkende Sensorelektroden 132 und 134 sind an je eine Elektrode eines Kondensators angekoppelt. Wie die Antriebselektroden 130 der Halterung so werden auch die Sensorelektroden 134 der Halterung durch ein Schwingen der Schwingmasse 122 nicht in ihrer Lage verstellt. Das Schwingen der Schwingmasse 122 um die Schwingachse bewirkt somit eine Änderung der Kapazität der an die Sensorelektroden 132 und 134 angekoppelten Kondensatoren. Durch ein Auswerten der Kapazität des Kondensators kann die Amplitude und/oder die Winkelgeschwindigkeit der Schwingbewegung der Schwingmasse 122 um die Schwingachse ermittelt werden.
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Erfährt die Rotationssensorvorrichtung 120 bei einer sich um die Schwingachse drehenden Schwingmasse 122 eine Drehung um eine zu der Schwingachse nicht-parallele Drehachse, so wirken auf die sich bewegende Schwingmasse 122 Corioliskräfte. Diese Corioliskräfte können eine zusätzlich Bewegung der Schwingmasse 122 gegenüber dem Substrat bewirken.
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Bei der Rotationssensorvorrichtung 120 sind die in einer mittigen Aussparung 136 der Schwingmasse 122 angeordneten Federn 124 so ausgebildet, dass die Corioliskräfte eine zusätzliche Drehbewegung der Schwingmasse 122 um eine in einer von den beiden Drehachsen 138 und 140 aufgespannten Ebene liegende Achse bewirken können. Man kann diese Drehbewegung der Schwingmasse 122 auch als ein Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 122 um mindestens eine der beiden Drehachsen 138 und 140 bezeichnen. Die Lage der Drehachsen 138 und 140 ist über die Anordnung der Federn 124 an der Nabe 126 festgelegt. Weist die Rotationssensorvorrichtung 120 vier Federn 124 auf, so können jeweils zwei Federn 124 parallel zueinander ausgerichtet sein, wobei die Längsachsen der beiden zueinander parallelen Federn 124 auf einer Drehachse 138 oder 140 liegen. Die beiden Drehachsen der Rotationssensorvorrichtung 120 sind vorzugsweise um einem Winkel von 90° versetzt zueinander angeordnet.
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Dieses Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 122 um mindestens eine Drehachse 138 oder 140 bewirkt eine Änderung eines mittleren Abstands zwischen mindestens zwei Kreissektoren 142 bis 148 der Schwingmasse 122 und dem Substrat. Dabei ist jeder der Kreissektoren 142 bis 148 zwischen einer Antriebselektrode 128 und einer benachbarten Sensorelektrode 132 der Schwingmasse 122 ausgebildet. Die Kreissektoren 142 bis 148 sind jeweils um 90° versetzt zueinander an der Schwingmasse 122 angeordnet.
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Beispielsweise bewirkt eine Drehbewegung der Schwingmasse 122 um die erste Drehachse 138 (bei einer Rotation der Rotationssensorvorrichtung 120 um die auf der zweiten Drehachse liegenden zweiten sensitiven Achse) eine Änderung der mittleren Abstände der Kreissektoren 144 und 148 von dem Substrat. Entsprechend führt ein Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 122 um die zweite Drehachse 140 (bei einer um die auf der ersten Drehachse liegenden ersten sensitiven Achse rotierenden Rotationssensorvorrichtung 120) zu Änderungen bei den mittleren Abständen der Kreissektoren 142 und 146 von dem Substrat. Um diese Änderungen der mittleren Abstände der Kreissektoren 142 bis 148 zu dem darunterliegenden Substrat zu bestimmen, sind die Kreissektoren 142 bis 148 als Elektroden ausgebildet. Zusätzlich ist auf dem Substrat unterhalb eines jeden Kreissektors 142 bis 148 eine (nicht skizzierte) Gegenelektrode angeordnet. Je ein Kreissektor 142 bis 148 und die benachbarte Gegenelektrode sind an jeweils eine Elektrode eines Kondensators angekoppelt. Somit bewirkt eine Änderung eines mittleren Abstands eine Zu- oder Abnahme der Kapazität des zugehörigen Kondensators.
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Die auf eine sich um die Schwingachse drehende Schwingmasse 122 wirkenden Corioliskräfte entsprechen in ihren Richtungen und in ihren Beträgen der räumlichen Lage und der Drehgeschwindigkeit der Drehbewegung der Rotationssensorvorrichtung 120. Die Änderungen der mittleren Abstände der Kreissektoren 142 bis 148 gegenüber dem Substrat und die bewirkten Kapazitätsänderungen der zugehörigen Kondensatoren sind somit proportional zu der räumlichen Lage und der Drehgeschwindigkeit der Drehbewegung der Rotationssensorvorrichtung 120. Da Auswerteverfahren zum Ermitteln dieser Größe aus den Kapazitäten der den Kreissektoren 142 bis 148 zugeordneten Kondensatoren aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht näher darauf eingegangen.
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Die in der mittigen Aussparung 136 angeordneten Federn 124, über welche die Schwingmasse 122 mit der Nabe 126 verbunden ist, weisen eine Höhe auf, welche deutlich kleiner als eine Höhe einer Antriebs- und/oder Sensorelektrode 128 bis 134 ist. Dabei sind die Höhen der Federn 124 und der Elektroden 128 bis 134 die maximalen Breiten der Komponenten 124 und 128 bis 134 in einer Richtung parallel zu der Schwingachse.
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Beispielsweise liegt die Höhe der Federn 124 zwischen 1,5 und 2µm, während die Höhe einer Antriebselektrode 128 oder 130 und/oder einer Sensorelektrode 132 oder 134 zwischen 8 und 15µm liegt. Die Höhe der Federn 124 kann mit 1,8µm gegenüber einer Höhe der Elektroden 128 bis 134 von 10,6µm um einen Faktor 5 kleiner sein. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Biegesteifigkeit und/oder auf die Torsionssteifigkeit einer Feder 124 aus. Die wiedergegebene Biegesteifigkeit gibt dabei die Verbiegbarkeit einer Feder 124 in eine Richtung parallel zu der Schwingachse an. Die Torsionssteifigkeit entspricht einer Verbiegbarkeit einer Feder um ihre Längsachse.
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Aufgrund der Reduzierung der Biegesteifigkeit und/oder der Torsionssteifigkeit einer Feder 124 kann die Feder 124 kürzer und/oder kompakter ausgebildet werden, wobei die Feder 124 gleichzeitig ihre Funktionsfähigkeit für die Rotationssensorvorrichtung 120 beibehält. Eine kürzere Feder 124 ermöglicht eine kleiner Aussparung 136 und somit einen geringeren Durchmesser der Schwingmasse 122, was das Einbauen der Rotationssensorvorrichtung 120 in einen rotierenden Körper erleichtert. Zusätzlich können die als Oberflächen von Detek-tionselektroden dienenden Kreissektoren 142 bis 148 zur Erhöhung der Ruhekapazität der Rotationssensorvorrichtung 120 näher an der Nabe 126 angeordnet werden.
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Als Alternative oder als Ergänzung dazu gewährleisten die reduzierte Biegesteifigkeit und/oder die reduzierte Torsionssteifigkeit eine weniger stark ausgeprägte mäanderförmige und/oder spiralförmige Form einer für die Rotationssensorvorrichtung 120 geeigneten Feder 124. Dies ermöglicht eine symmetrischere Massenverteilung entlang einer Längsachse der Feder 124. Man kann dies auch als eine Ausbildung der aus den Federn 124 gebildeten Aufhängung mit einer verbesserten Symmetrie bezeichnen. Diese verbesserte Symmetrie der Aufhängung trägt signifikant zu einer Reduzierung des bei einem herkömmlichen Drehratensensor auftretenden Übersprechverhaltens bei. Zusätzlich benötigt eine Feder 124 mit einer weniger stark ausgeprägten mäanderförmigen Form weniger Anbringfläche und weniger aufwändige Arbeitsschritte zur exakten Auslegung der Feder 124.
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Insbesondere kann die gegenüber der Höhe der Elektroden 128 bis 134 reduzierte Höhe der Federn 124 dazu verwendet werden, auf eine mäanderförmige Ausbildung der Federn 124 zu verzichten. Die Federn 124 weisen in diesem Fall, wie in 5 gezeigt, eine Balkenform auf. Dabei verlaufen jeweils zwei Federn 124 entlang einer Drehachse 138 oder 140, wobei die Drehachsen in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Die aus den vier Federn 124 gebildete Aufhängung der Schwingmasse 122 an der Nabe 126 weist somit eine vollständige 90° Rotationssymmetrie und eine ebenso vollständige 180° Spiegelsymmetrie auf. Somit wird die Querempfindlichkeit verbessert und das herkömmlicherweise auftretende Übersprechverhalten bei der Rotationssensorvorrichtung 120 effizient und auf einfache Weise vermieden. Die Rotationssensorvorrichtung 120 gibt somit nur mit einer vergleichsweise geringen, in der Regel vernachlässigbar geringen Wahrscheinlichkeit Falschmeldungen aus.
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Die in 5 dargestellte Rotationssensorvorrichtung 120 kann mittels eines der anhand der 3 und 4 beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise werden die in 5 dargestellten Komponenten 122 bis 134 und 142 bis 148 aus der in 4 dargestellten Schichtfolge herausstrukturiert. Dabei können die Federn 124 aus der ersten Schicht mit einer vergleichsweise kleinen Schichtdicke geformt werden, was die oben schon genannten Vorteile bezüglich der Biegesteifigkeit und/oder der Torsionssteifigkeit gewährleistet. Die Schwingmasse 122 mit den Elektroden 134 bis 138 und den Kreissegmenten 142 bis 148 kann zumindest teilweise aus der relativ dicken zweiten Schicht herausstrukturiert werden. Durch die relativ große Höhe der Elektroden 128 bis 134 ist gewährleistet, dass eine ausreichende elektrostatische Kraft zum Anregen der Schwingmasse 122 für eine Drehbewegung um die Schwingachse erzeugt wird. Auch die Detektionsgenauigkeit der Sensorelektroden 132 bis 134 wird auf diese Weise gesteigert.
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Um die Höhen der Elektroden 128 bis 134 zusätzlich zu steigern, kann vor einem Aufbringen der zweiten Schicht die dritte isolierende Schicht auf den unter den Bereichen der späteren Elektroden 128 bis 134 liegenden Flächen entfernt werden. Die zweite Schicht kontaktiert damit in diesen Bereichen die erste Schicht. Somit können die Elektroden 128 bis 134 auch in die zweite Schicht hineingeätzt werden. Die Höhe der Elektroden 128 bis 134 beträgt damit die Summe der Schichtdicken der ersten und der zweiten Schicht.
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Die Nabe 126 kann ebenfalls zumindest teilweise aus der zweiten Schicht gebildet werden. Vorzugsweise enthält die Nabe 126 auch Bereiche der ersten Schicht.
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Die mit den als Detektionselektrodenflächen ausgebildeten Kreissektoren 142 bis 148 zusammenwirkenden (nicht skizzierten) Gegenelektroden können aus der auf das Substrat aufgebrachten leitfähigen Schicht herausgeätzt werden. Auch die zu den Gegenelektroden führenden Leiterbahnen können aus der leitfähigen Schicht gebildet werden. Das Herausstrukturieren der Gegenelektroden und der Leiterbahnen aus der leitfähigen Schicht kann dabei vor einem Aufbringen der zweiten isolierenden Schicht erfolgen. Die erste isolierende Schicht und die zweite isolierende Schicht werden in diesem Fall während eines Ätzens der dritten isolierenden Schicht von der ersten Schicht geschützt. Somit kann die erste Schicht auch die Funktion einer Ätzschutzschicht ausführen. Dies ist insbesondere bei einem Gasphasenätzen vorteilhaft.
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Das Ätzen der dritten isolierenden Schicht erfolgt dabei so, dass die aus der ersten Schicht vollständig geformten Federn 124 fest mit der Schwingmasse 122 verbunden bleiben. Da entsprechende Ätzverfahren aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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6A und B zeigen zwei Koordinatensysteme zum Darstellen eines Zusammenhangs zwischen einer Höhe, einer Torsionssteifigkeit und einer Biegesteifigkeit einer Feder der Rotationssensorvorrichtung der 5. Bei den beiden Koordinatensystemen entspricht die Abszisse einer Höhe hf einer Feder. Die Ordinate des Koordinatensystems der 6A gibt die zugehörige Biegesteifigkeit B in N/m an. Das in 6B dargestellte Koordinatensystem hat als Ordinate die Torsionssteifigkeit T in Nm/rad.
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Die Federn mit der Höhe hf sind als Balkenfedern aus Silizium ausgebildet. Sie weisen eine Breite von 3µm und eine Länge von 200µm auf. Wie anhand der Koordinatensysteme deutlich wird, hängt die Biegesteifigkeit B und die Torsionssteifigkeit T signifikant von der Höhe hf einer Feder ab. Beispielsweise bewirkt eine Reduzierung der Höhe hf einer Feder um einen Faktor von mindestens 5 von 10,6 µm auf 1,8 µm eine Reduzierung der Biegesteifigkeit um einen Faktor von nahezu 200, während die Torsionssteifigkeit gleichzeitig um einen Faktor von etwa 20 verringert wird.
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Die Biegesteifigkeit B und die Torsionssteifigkeit T geben die out-of-plane-Biegesteifigkeit und die out-of-plane-Torsionssteifigkeit an, welche bei dem Verstellen/Verkippen der Schwingmasse um mindestens eine der sensitiven Achsen der Verstellbewegung der Schwingmasse entgegen wirken. Durch die signifikante Reduzierung der Biegesteifigkeit B und der Torsionssteifigkeit T wird somit das Verstellen/Verkippen der Schwingmasse um mindestens eine der sensitiven Achsen stark erleichtert. Anhand der deutlicher ausgeprägten Verstellbewegung der Schwingmasse um mindestens eine der sensitiven Achsen lässt sich die Rotation des Körpers mit der Rotationssensorvorrichtung besser nachweisen.
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7A und B zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung, wobei 7A eine Draufsicht auf Komponenten der Rotationssensorvorrichtung und 7B einen Querschnitt entlang einer sensitiven Achse der Rotationssensorvorrichtung darstellen.
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Die schematisch wiedergegebene Rotationssensorvorrichtung 150 weist eine Schwingmasse 152 auf, welche über die vier Federn 124 an der mit der Halterung verbundenen Nabe 126 aufgehängt ist. Die Federn 124 können als Balkenfedern ausgebildet sein. Beispielsweise sind die Federn 124 aus Silizium geformt und weisen eine Breite von 3µm und eine Länge von 200µm auf. Je zwei Federn 124 sind entlang einer sensitiven Achse der Rotationssensorvorrichtung 150 angeordnet. Die Federn 124 definieren dabei die Lagen der Drehachsen 138 und 140, um welche die Schwingmasse 152 gegenüber einem Substrat der Halterung verkippbar/verschwenkbar ist.
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An der Schwingmasse 152 sind Antriebs- und Sensorelektroden 128 und 132 ausgebildet, welche mit den fest an der Halterung angeordneten Antriebs- und Sensorelektroden 130 und 134 auf die oben schon beschriebene Weise zusammen wirken. Die Vorgehensweise zum Ermitteln einer Rotation der Rotationssensorvorrichtung 150 um mindestens eine auf einer Drehachse 138 oder 140 liegende sensitive Achse wird deshalb nicht noch einmal beschrieben.
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7B zeigt einen Querschnitt entlang einer auf der Drehachse 138 liegenden sensitiven Achse der Rotationssensorvorrichtung 150. Dabei ist erkennbar, das die Schwingmasse 152 der Rotationssensorvorrichtung 150 im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform Kreissektoren 154 bis 160 aufweist, deren Höhe hk gleich der Höhe hf der Federn 124 ist. Die Höhen kf und hk der Federn 124 und der Kreissektoren 154 bis 160 sind dabei signifikant kleiner als die (nicht dargestellte) Höhe der Elektroden 128 bis 134. Dies gewährleistet eine deutliche Reduzierung der Gesamtmasse der Schwingmasse 152. Somit kann die Schwingmasse 152 mittels einer kleineren elektrostatischen Kraft in eine Schwingbewegung um eine entlang der Nabe 126 verlaufende Schwingachse versetzt werden. Ein zum Bewegen der Schwingmasse 152 verwendeter elektrostatischer Antrieb kann somit kostengünstiger ausgeführt werden.
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Als weitere Ergänzung der Rotationssensorvorrichtung 150 gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform sind über den Kreissektoren 154 bis 160 zusätzliche Gegenelektroden 162 angeordnet. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist jedoch nur eine der Gegenelektroden 162 in 7A dargestellt.
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Anhand des Querschnitts der 7B kann die Funktion der Gegenelektroden 162 erläutert werden. Jeder der dargestellten Kreissektoren 154 und 158 ist zwischen einer oberen Gegenelektrode 162 und einer unteren Gegenelektrode 164 angeordnet ist. Dabei weist der Kreissektor 154 in seiner Ruhelage einen mittleren Abstand d1 zu der oberen Gegenelektrode 162 und einen Abstand d2 zu der unteren Gegenelektrode 164 auf. Wirken auf die Schwingmasse 152 Corioliskräfte, welche ein Verkippen der Schwingmasse 152 um die sensitive Achse 140 bewirken, so verändern sich die mittleren Abstände d1 und d2. Durch das Anbringen der oberen Gegenelektrode 162 an der Schwingmasse 152 ist nicht nur die Änderung des Abstands d2 zwischen dem Kreissektor 154 und der unteren Gegenelektrode 164 erfassbar, sondern auch eine Variierung des Abstands d1 zwischen der oberen Gegenelektrode 162 und dem Kreissektor 154. Somit kann das Verkippen/Verschwenken der Schwingmasse 152 um die Drehachse 140 verlässlicher und genauer bestimmt werden. Entsprechend gilt dies auch für die weiteren Kreissektoren 156 bis 160 und ihre zusammenwirkenden Gegenelektroden 162 und 164.
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Je eine obere Gegenelektrode 162 und eine ihr gegenüberliegende untere Gegenelektrode 164 können auf ein gleiches Potential gelegt werden. Die Kontaktierung der oberen Elektroden 162 kann dabei von einer Außenseite der Rotationssensorvorrichtung 150 erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine Kontaktierung der Gegenelektroden 162 und 164 von der Innenseite der Rotationssensorvorrichtung 150 möglich. Aufgrund des höheren Kapazitätsbelags der Gesamt-Gegenelektroden 162 und 164 können die Kontaktierungen kleiner ausgeführt werden.
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Die Rotationssensorvorrichtung 150 weist gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform eine größere Gesamt-Detektionsfläche der Gegenelektroden 162 und 164 auf und ermöglicht somit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Als Alternative zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis kann die Rotationssensorvorrichtung 150 auch eine Schwingmasse 152 mit einem kleineren Durchmesser haben, da das Verhältnis aus Kapazitätsbelag und Fläche größer ist.
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Die anhand der 7A und B wiedergegebene Rotationssensorvorrichtung 150 kann mittels der schon beschriebenen Herstellungsverfahren gebildet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden die Kreissektoren 154 bis 160 und die Federn 124 ausschließlich aus der ersten Schicht der Schichtfolge der 4 herausstrukturiert. Demgegenüber werden die oberen Gegenelektroden 162 zumindest teilweise aus der zweiten Schicht gebildet. Die unteren Gegenelektroden 164 können aus der leitfähigen Schicht geformt werden.
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Um eine möglichst vorteilhafte Höhe der Elektroden 128 bis 134 zu gewährleisten, können die Elektroden aus der ersten Schicht und aus der zweiten Schicht herausstrukturiert werden. Dabei werden nach einem Aufbringen der ersten Schicht und der dritten isolierenden Schicht durchgehende Aussparungen in die dritte isolierende Schicht geätzt. Insbesondere wird dabei die dritte isolierenden Schicht von den Bereichen der ersten Schicht entfernt, aus welchen in einem später ausgeführten Verfahrensschritt Untereinheiten der Elektroden 128 bis 134 herausstrukturiert werden. Dies gewährleistet, dass die Bereiche der zweiten Schicht zum Herausstrukturieren der Untereinheiten der Elektroden 128 bis 134 die erste Schicht direkt kontaktieren. Hingegen bleiben die Bereiche der ersten Schicht, welche die späteren Kreissegmente 154 bis 160 und die Federn 124 bilden, weiterhin von der dritten isolierenden Schicht abgedeckt. Die Bereiche der zweiten Schicht, aus welchen die oberen Gegenelektroden 162 gebildet werden, sind beabstandet von den Kreissektoren 154 bis 160 angeordnet (siehe 7B).
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Durch die auf diese Weise einfach realisierbare vergleichsweise große Höhe der Elektroden 128 bis 134 ist eine gute Funktionsfähigkeit des elektrostatischen Antriebs gewährleistet. Insbesondere müssen somit nur vergleichsweise kleine Spannungen zwischen den Antriebselektroden 128 und 130 angelegt werden. Gleichzeitig lässt sich die Auswerteschaltung für ein Auswerten der Kapazitäten der Sensorelektroden 132 und 134 vereinfachen und somit ein kostengünstigeres Sensormodul verwenden.
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Auf diese Weise lässt sich die Rotationssensorvorrichtung 150, welche die oben schon beschriebenen Vorteile aufweist, mittels einfach ausführbarer Arbeitsschritte kostengünstig herstellen. Wie oben schon beschrieben, können zusätzlich zu den Kreissektoren 154 bis 160 auch die Federn 124 vollständig aus der ersten Schicht gebildet werden. Gleichzeitig kann die erste Schicht als Ätzschutzschicht dienen.
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8 zeigt eine Draufsicht auf Komponenten einer dritten Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung.
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Bei der schematisch wiedergegebenen Rotationssensorvorrichtung 180 ist eine Schwingmasse 182 mittels vier Mäanderfedern 184 an einer Nabe 126 aufgehängt. Anstelle einer mäanderförmigen Form können die Federn 184 auch eine andere Form aufweisen. Beispielsweise können die Federn 184 einer Ausführungsform der Rotationssensorvorrichtung 180 auch Spiralfedern sein.
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An der Schwingmasse 182 sind die schon beschriebenen Antriebselektroden 128 und Sensorelektroden 132 angeordnet. Mit den Elektroden 128 und 132 zusammenwirkende Antriebselektroden 130 und Sensorelektroden 134 sind fest an einem (nicht dargestellten) Substrat angeordnet, an welchem auch das der Schwingmasse 182 entgegen gerichtete Ende der Nabe 126 befestigt ist. Beispielsweise können die Elektroden 128 bis 134 als Kammelektroden ausgebildet sein. Auf das oben schon beschriebene Zusammenwirken der Elektroden 128 bis 134 wird hier nicht noch einmal eingegangen.
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Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der Rotationssensorvorrichtung weisen die Mäanderfedern 184 entlang der Längsrichtung der Nabe 126 eine Höhe auf, welche deutlich größer als 2µm ist. Beispielsweise liegt die Höhe der Mäanderfedern 184 in einem Bereich zwischen 8 - 15 µm.
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Um trotz der vergleichsweise großen Höhe der Mäanderfedern 184 eine Schwingbewegung der Schwingmasse 182 um eine durch die Nabe 126 verlaufende Schwingachse zu ermöglichen, ist die mäanderförmige Form der Mäanderfedern 184 stark ausgeprägt. Die Schwingmasse 182 kann somit aufgrund der stark ausgeprägten mäanderförmigen Form der Mäanderfedern 184 die gewünschte Schwingbewegung um die Schwingachse ausführen.
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Die Mäanderfedern 184 sind zusätzlich so ausgebildet, dass eine mittels der Antriebselektroden 128 und 130 in eine Schwingbewegung um die Schwingachse versetzte Schwingmasse 182 bei einer Drehung der Rotationssensorvorrichtung 180 um eine sensitive Achse um mindestens eine der Drehachsen 138 oder 140 verkippbar/verschwenkbar ist. Da der Zusammenhang zwischen einer Rotation der Rotationssensorvorrichtung 180 um eine in der von den sensitiven Achsen aufgespannten Ebene liegende Rotationsachse und einem durch die Corioliskraft bewirkten Verkippend/Verschwenken der Schwingmasse 182 um die Drehachsen 138 und/oder 140 oben bereits beschrieben wird, wird hier nur auf diese Textstellen verwiesen.
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Die scheibenförmige Schwingmasse 182 weist vier Kreissektoren 186 bis 192 auf. Jeder der Kreissektoren 186 bis 192 ist zwischen einer Antriebselektrode 128 und einer benachbarten Sensorelektrode 132 angeordnet. Vorzugsweise sind die Kreissektoren 186 bis 192 um 90° zueinander versetzt an der Schwingmasse 182 angeordnet.
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Die Kreissektoren 186 bis 192 weisen entlang der Längsrichtung der Nabe 126 eine Höhe auf, welche signifikant kleiner als die Höhe der Mäanderfedern 184 ist. Dem gegenüber sind die Elektroden 128 bis 134 so ausgebildet, dass ihre Höhe entlang der Längsrichtung der Nabe 126 größer als die Höhe der Mäanderfedern 184 ist. Durch die vergleichsweise große Höhe der Elektroden 128 bis 134 ist eine gute elektrostatische Wechselwirkung zwischen zwei zusammenwirkenden Elektroden 128 bis 134 gewährleistet. Die vergleichsweise kleine Höhe der Kreissektoren 186 trägt dazu bei, die Gesamtmasse der Schwingmasse 182 zu reduzieren. Die Schwingmasse 182 mit der reduzierten Masse zeigt deshalb eine deutlichere Auslenkung bei einem Verkippen um mindestens eine Drehachse 138 oder 140 bei einer vorgegeben Höhe der Corioliskraft als eine Schwingmasse mit einer größeren Masse. Somit gewährleistet die reduzierte Höhe der Kreissektoren 186 ein besseres Signal-Untergrund-Verhältnis.
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In einer Weiterbildung können über den Kreissektoren 186 bis 192 die anhand der vorhergehenden Ausführungsformen schon beschriebenen oberen Gegenelektroden 162 angeordnet werden. Die vergleichsweise kleine Höhe der Kreissektoren 186 bis 192 bietet somit die Möglichkeit, auf platzsparende Weise die oberen Gegenelektroden 162 an der Schwingmasse 182 anzuordnen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist jedoch nur eine obere Gegenelektrode 162 über dem Kreissektor 186 in 8 eingezeichnet.
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Zusätzlich zu den oberen Gegenelektroden 162 können auch untere Gegenelektroden an der Schwingmasse 182 angeordnet werden. Auf die Vorteile einer gleichzeitigen Verwendung von oberen Gegenelektroden 162 und (nicht dargestellten) unteren Gegenelektroden wird anhand der vorhergehenden Ausführungsform schon eingegangen. Beispielsweise gewährleisten die oberen und unteren Gegenelektroden 162 ein verlässlicheres und genaueres Feststellen eines Verkippens der Schwingmasse 182 um mindestens eine der beiden Drehachsen 138 und 140.
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Bei einer Rotationssensorvorrichtung 180 mit unteren und oberen Gegenelektroden 162 liegt eine größere Gesamt-Detektionsfläche vor. Somit kann die Rotationssensorvorrichtung 180 auch eine Schwingmasse 182 mit einem kleineren Durchmesser haben, ohne dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis der Rotationssensorvorrichtung 180 gegenüber einem Signal-Rausch-Verhältnis einer Rotationssensorvorrichtung, welche ausschließlich die unteren Gegenelektroden aufweist, verschlechtert.
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Die in 8 schematisch dargestellte Rotationsvorrichtung 180 kann mittels des anhand der 3 beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Im Unterschied zu dem Herstellungsverfahren der 4 werden dabei die Mäanderfedern 184 aus einer ersten Schicht herausstrukturiert, welche eine vergleichsweise große erste Schichtdicke hat. Demgegenüber werden die Kreissektoren 186 bis 192 ausschließlich aus einer zweiten Schicht gebildet, deren zweite Schichtdicke im Vergleich mit der ersten Schichtdicke deutlich geringer ist.
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Die Elektroden 128 bis 134 sind vorzugsweise sowohl aus Bereichen der ersten Schicht als auch aus Bereichen der zweiten Schicht zusammengesetzt. Die Höhe der Elektroden 128 bis 134 ist in diesem Fall gleich der Summe der ersten und der zweiten Schichtdicke. Beispielsweise wird vor einem Aufbringen der oberen der ersten und der zweiten Schicht auf die untere der beiden Schichten die isolierende Schicht von den Bereichen der unteren der beiden Schichten, aus welchen Untereinheiten der Elektroden 128 bis 134 später gebildet werden, entfernt. Die verwendeten Begriffe einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht legen keine Reihenfolge zum Aufbringen der Schichten fest.
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Die weiteren Schritte eines Herstellungsverfahrens für die Rotationsvorrichtung 180 ergeben sich für einen Fachmann auf einfache Weise anhand der Beschreibungen der vorhergehenden Figuren.
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Die anhand der oberen Absätze beschriebene Erfindung ist nicht auf Rotationssensorvorrichtungen mit zwei sensitiven Achsen beschränkt. Stattdessen kann die hier beschriebene Erfindung auch bei einer Rotationssensorvorrichtung mit nur einer sensitiven Achse Anwendung finden. Beispielsweise finden derartige Rotationssensorvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug bei einem Antischleuderprogramm ESP, für die Navigation und/oder für Überschlagsmessungen (Roll-Over-Sensing) Verwendung. Auch in der Heimelektronik können die Rotationssensorvorrichtungen im Bereich der Bildstabilisierung, der Bewegungsselektion und/oder der Navigation verwendet werden.
