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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Drehratensensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 192010062095 A1 eine Doppelringanordnung. Die beiden Ringe schwingen in dieser Anordnung gegenphasig.
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Die Aufhängung der beweglichen Strukturen und die Kopplung zwischen den gegenphasig schwingenden Coriolismassen ist ein entscheidender Aspekt bei der Auslegung von Drehratensensoren. Störungen von außen, wie externe Vibrationen oder Störungen durch elektrische Messpulse oder elektronisches Rauschen der Auswerteschaltung, können zur Anregung nicht gewünschter Schwingungsmoden führen, die je nach Schwingungsform zu einem Fehlsignal oder zu einem verrauschten Messsignal führen können. Es wird daher versucht, bewegliche Massen bezüglich ihrer Antriebsbewegung und ihrer Detektionsbewegung geeignet aufzuhängen. Üblicherweise wird als charakteristischer Parameter die Eigenfrequenz der jeweiligen Bewegungsform angegeben. In die Eigenfrequenz gehen die Massen und die Federsteifigkeiten der jeweiligen Bewegung ein.
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Wichtig für einen empfindlichen Drehratensensor ist, dass die Eigenfrequenz der Antriebsbewegung und der Detektionsbewegung ähnlich sind und über die Federform gut zueinander angepasst werden können. Je näher die beiden Frequenzen beieinander liegen, desto höher ist die Empfindlichkeit des Sensors.
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Weiter wichtig für einen robusten Drehratensensor ist, dass andere Bewegungsformen, die insbesondere durch Störungen angeregt werden können, eine Eigenfrequenz haben, die möglichst nicht einem Vielfachen der Antriebsbewegung oder der Detektionsbewegung entspricht, um Störsignale in der Antriebsbewegung oder der Detektionsbewegung zu vermeiden. Ferner sollten andere Bewegungsformen, die insbesondere durch Störungen angeregt werden können, eine im Vergleich zur Eigenfrequenz der Antriebsbewegung oder der Detektionsbewegung sehr hohe Eigenfrequenz haben, um ebenfalls in der Antriebsbewegung oder der Detektionsbewegung kein Störsignal zu verursachen. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn möglichst wenig andere Bewegungsformen möglich sind. Jede Art von parasitärer Bewegungsform kann Störungen hervorrufen.
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Die typischen Eigenfrequenzen der Antriebsbewegung und ihrer Detektionsbewegung heutiger Sensoren liegen beispielsweise bei ca. 25 kHz. Die ersten nicht gewünschten weiteren Schwingungsbewegungen treten bei bekannten Sensoren meist schon bei unter 40 kHz auf. Im besonders relevanten Bereich bis 100 kHz existieren bei den heutigen Drehratensensoren häufig sehr viele weitere nicht gewünschte Schwingungsbewegungen.
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Mit bekannten Sensorausführungen kann einerseits häufig die Anpassung zwischen Antriebsfrequenz und Detektionsfrequenz nur sehr schwer wie gewünscht vorgenommen werden und andererseits ist es häufig sehr schwierig oder unmöglich, die beschriebenen ungewünschten Bewegungsformen effizient zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehratensensor bereitzustellen, der eine vorteilhafte Abstimmung von Antriebsmode und Detektionsmode ermöglicht und/oder bei dem Störungen besonders effizient unterdrückt werden können.
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Der Drehratensensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mithilfe der besonderen Gestaltung der Kopplungsstruktur Störsignale vorteilhaft unterdrückt werden können. Vorteilhafterweise können erfindungsgemäß die Eigenfrequenzen der Antriebsbewegung und ihrer Detektionsbewegung relativ zueinander flexibel eingestellt werden. Ferner kann erfindungsgemäß ein System mit möglichst wenigen Eigenmoden, also ein System mit geringer Eigenmodendichte, realisiert werden. Des Weiteren kann ein hoher Frequenzabstand zwischen der Antriebsmode und der ersten nicht Detektionsmode mit höherer Frequenz erzielt werden.
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So ist es beispielsweise möglich, mithilfe der vorliegenden Erfindung einen Drehratensensor bereitzustellen, dessen Eigenfrequenzen der Antriebsbewegung und ihrer Detektionsbewegung gut aufeinander abgestimmt werden können, wobei gleichzeitig - bei einer Antriebsbewegung mit ca. 25 kHz - zwischen 25 und 100 kHz keine weiteren störenden Eigenmoden liegen.
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Erfindungsgemäß können vibrationsrobuste und hochempfindliche Drehratensensoren breitgestellt werden. Derartige Sensoren können in einer Vielzahl von Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise auf oder in der Nähe von Geräten mit hohen mechanischen Vibrationen. So ist beispielsweise ein Einsatz in Bereichen mit hohen Vibrationen in Automobilen, wie auf Pumpen oder Ventiltrieben denkbar. Auch ein Einsatz in anderen Kraftfahrzeugen ist denkbar.
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Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Drehratensensor insbesondere um ein mikroelektromechanisches System (MEMS).
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Erfindungsgemäß ist es denkbar, mithilfe des Hebelelements eine gegensätzliche Bewegung der ersten und zweiten Ringstruktur in eine senkrechte Richtung, senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Drehratensensors, zu ermöglichen.
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Die Haupterstreckungsebene (X-Y-Ebene) des Drehratensensors verläuft typischerweise parallel zur Substratoberfläche des Substrats, auf dem der Drehratensensor angeordnet ist. Die senkrechte Richtung (Z-Richtung) verläuft somit typischerweise orthogonal zu der Substratoberfläche.
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Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass die zweite Ringstruktur im Wesentlichen innerhalb der ersten Ringstruktur angeordnet ist, wobei sich beide Ringstrukturen parallel zur bzw. in der Haupterstreckungsebene des Drehratensensors erstrecken. Die Ringstrukturen können jeweils stückweise oder vollständig geschlossene Ringstrukturen sein. Es kommen verschiedene äußere Konturen für die Ringstrukturen infrage. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Ringstrukturen jeweils eine als Achteck ausgebildete äußere Kontur aufweisen. Es sind jedoch auch andere Konturen denkbar. Besonders bevorzugt weisen die Ringstrukturen jeweils Symmetrien auf, beispielsweise eine n-zählige Rotationssymmetrie und/oder Spiegelsymmetrien.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Federelement in der Ruhelage des Drehratensensors zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Durch eine parallele Ausrichtung der Federelemente kann eine besonders vorteilhafte Kopplung des ersten und zweiten Ringelements ermöglicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das erste, zweite und dritte Federelement jeweils balkenförmig ausgebildet sind,
und/oder
dass das erste, zweite und dritte Federelement bei einer Belastung in eine zweite Erstreckungsrichtung der Haupterstreckungsebene als Blattfedern wirken. Die Steifigkeit der Kopplungsstruktur bei einer Kraftbeaufschlagung in der Haupterstreckungsebene, senkrecht zu der Erstreckung der Federelement, ist somit abhängig von der Biegesteifigkeit der Federelemente, welche diesbezüglich vorteilhafterweise als Blattfedern wirken können. Es ist zusätzlich oder alternativ bevorzugt, dass das erste, zweite und dritte Federelement jeweils als Torsionsfeder ausgelegt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Ruhelage des Drehratensensors das dritte Federelement mittig zwischen dem ersten und zweiten Federelement angeordnet ist, wobei das dritte Federelement bevorzugt in einer Mitte des Hebelelements mit dem Hebelelement verbunden ist. Diese Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erste und zweite Ringstruktur die gleiche Masse aufweisen. Bei unterschiedlichen Massen der ersten und zweiten Ringstruktur kann das dritte Federelement bevorzugt versetzt von der Mitte angeordnet werden. Somit kann der Hebelarm in Abhängigkeit der beiden Massen der Ringstrukturen angepasst werden. Es ist insbesondere möglich, über eine geeignete Wahl des Hebelverhältnisses (bzw. der Position der ersten, zweiten und dritten Federelemente am Hebelelement) unterschiedliche Massen der beiden Ringstrukturen oder unterschiedliche Trägheitsmomente der beiden Ringstrukturen zu kompensieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das erste, zweite und/oder dritte Federelement jeweils die gleiche Länge und/oder die gleiche Breite aufweisen. Die Breite und Länge beziehen sich hierbei auf die jeweiligen Ausdehnungen der Federelemente in bzw. parallel zur Haupterstreckungsebene des Sensors. Es ist zusätzlich oder alternativ denkbar, dass das erste, zweite und/oder dritte Federelement jeweils die gleiche Höhe in die senkrechte Richtung (Ausdehnung senkrecht zur Haupterstreckungsebene) aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es denkbar, dass das Hebelelement in der Ruhelage des Drehratensensors zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dem ersten, zweiten und/oder dritten Federelement angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es möglich, dass das Hebelelement in der Ruhelage des Drehratensensors senkrecht zu dem ersten, zweiten und/oder dritten Federelement angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es denkbar, dass das erste, zweite und dritte Federelement bezüglich einer Verbiegung in die senkrechte Richtung steif ausgebildet sind. Ihre Höhe (Ausdehnung in die senkrechte Richtung) ist besonders bevorzugt jeweils mindestens doppelt so groß wie ihre Breite (parallel bzw. in der Haupterstreckungsebene). Bezüglich einer Verbiegung in die senkrechte Richtung sind die Federelemente damit steif ausgelegt. Entsprechend ist es denkbar und bevorzugt, dass das erste, zweite und dritte Federelement jeweils als Torsionsfeder ausgelegt sind. Über die Länge des Hebelelements und die geringe Torsionssteifigkeit des ersten, zweiten und dritten Federelements kann erreicht werden, dass die beiden Ringstrukturen weich in die senkrechte Richtung (Z-Richtung) gelagert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es denkbar, dass das dritte Federelement das Hebelelement derart mit dem Substrat verbindet, dass das Hebelelement um einen Verbindungspunkt zwischen dem Hebelelement und dem drittem Federelement als Wippe ausgebildet ist, insbesondere derart, dass eine lokale Auslenkung der ersten Ringstruktur in die senkrechte Richtung zu einer entgegengesetzten lokalen Auslenkung der zweiten Ringstruktur führt. Die Aufhängung des Hebelelements am Substrat über das dritte Federelement erfolgt insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Federelement am Hebelelement. Damit wirkt das Hebelelement als Wippe bezüglich einer Z-Auslenkung (in die senkrechte Richtung) der Ringstrukturen. Wird eine Ringstruktur an einer Position in die senkrechte Richtung angehoben, so wird die andere Ringstruktur an dieser Position abgesenkt. In Z-Richtung wird damit eine starke, gegenläufige Kopplung der beiden Ringe erzielt. Die Steifigkeit der Kopplungsstruktur in diese senkrechte Bewegungsrichtung ist abhängig von der Torsionssteifigkeit der einzelnen Federelemente und von der Anordnung der Federelemente am Hebelelement.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Drehratensensor weitere Kopplungsstrukturen umfasst, welche bevorzugt jeweils entsprechend der Kopplungsstruktur ausgebildet sind, wobei die Kopplungsstruktur und die weiteren Kopplungsstrukturen besonders bevorzugt mit einer n-fachen Rotationssymmetrie angeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl, weiter besonders bevorzugt gleich oder größer 4, ist. Durch die Nutzung unterschiedlich angeordneter Kopplungsstrukturen ist es gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, die Eigenfrequenzen in alle Bewegungsrichtungen sehr variabel einzustellen. Es ist besonders vorteilhaft, gleichartige Kopplungsstrukturen zu verwenden, um eine hohe Symmetrie zu erreichen. Auch die Kopplungsstrukturen selbst weisen besonders bevorzugt jeweils eine hohe Symmetrie auf. Dadurch, dass erfindungsgemäß eine hohe Symmetrie ermöglicht wird, weist der Drehratensensor in vorteilhafter Weise nur wenige Eigenmoden auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, zwei Ringstrukturen mit mehreren (mindestens zwei) Kopplungsstrukturen zu koppeln. Unabhängig von der genauen Anordnung der Kopplungsstrukturen (zueinander) kann immer eine sehr starke gegenphasige Kopplung der Detektionsbewegung in Z-Richtung erreicht werden. Dadurch können gerade die kritischen, in gleicher Phase schwingenden Moden, die ein Fehlsignal erzeugen können, nahezu vollständig unterdrückt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Drehratensensor eine n-fache Rotationssymmetrie aufweist, wobei n eine natürliche Zahl, bevorzugt gleich oder größer 4, ist. Die Rotationssymmetrie bezieht sich dabei insbesondere auf eine Rotationsachse, welche senkrecht auf der Haupterstreckungsebene des Drehratensensors steht. Dadurch, dass eine hohe Symmetrie ermöglicht wird, weist der Drehratensensor nur wenige Eigenmoden auf.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 und 3 jeweils schematische Darstellungen einer Kopplungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung eines Drehratensensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5 und 6 jeweils schematische Darstellungen einer Kopplungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 7 eine schematische Darstellung eines Kopplungsstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 8 eine schematische Darstellung einer Antriebsbewegung eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 9 und 10 jeweils schematische Darstellungen von Detektionsbewegungen eines Drehratensensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 11 eine schematische Darstellung einer Trampolinmode eines Drehratensensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 12 und 13 jeweils schematische Darstellungen von niedrigfrequenteren Moden eines Drehratensensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 14 eine schematische Darstellung einer parasitären Mode eines Drehratensensors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Drehratensensors 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ruhelage des Drehratensensors 10 gezeigt (rechter Teil der 1). Im linken Teil der 1 ist eine Vergrößerung um eine Kopplestruktur 20 des Drehratensensors 10 dargestellt. Der Drehratensensor 10 umfasst eine erste Ringstruktur 3 und eine zweite Ringstruktur 5. Die erste Ringstruktur 3 und die zweite Ringstruktur 5 sind mithilfe einer Kopplungsstruktur 20 sowie sieben weiterer Kopplungsstrukturen 20' verbunden. Die Kopplungsstruktur 20 umfasst ein erstes Federelement 2, ein zweites Federelement 4, ein drittes Federelement 6 und ein Hebelelement 1. Das Hebelelement 1 ist über das erste Federelement 2 mit der ersten Ringstruktur 3 verbunden und über das zweite Federelement 4 mit der zweiten Ringstruktur 5 verbunden. Ferner verbindet das dritte Federelement 6 das Hebelelement 1 mit einem Substrat 7 bzw. der Substratverankerung 7. Das dritte Federelement 6 ist in einer ersten Erstreckungsrichtung 110 einer Haupterstreckungsebene 100 des Drehratensensors 10 zwischen dem ersten Federelement 2 und dem zweiten Federelement 4 angeordnet. Mithilfe des Hebelelements 1 wird somit eine Auslenkung der ersten Ringstruktur 3 und der zweiten Ringstruktur 5 in eine senkrechte Richtung 200, senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100, ermöglicht.
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Das erste, zweite und dritte Federelement 2, 4, 6 sind jeweils als Torsionsfeder ausgelegt. Ihre jeweilige Höhe (Ausdehnung in die senkrechte Richtung 200) ist dabei bevorzugt mindestens doppelt so groß wie ihre Breite (parallel zur bzw. in der Haupterstreckungsebene 100). Bezüglich einer Verbiegung in die senkrechte Richtung 200, sind die Federelemente 2, 4, 6 damit steif ausgelegt. Durch die Länge des Hebelelements 1 und die geringe Torsionssteifigkeit der ersten, zweiten und dritten Federelemente 2, 4, 6 wird erreicht, dass die beiden Ringstrukturen 3, 5 weich in die senkrechte Richtung 200 gelagert sind. Die Aufhängung des Hebelelements 1 am Substrat 7 über das dritte Federelement 6 erfolgt zwischen dem ersten und zweiten Federelement 2, 4 am Hebelelement 1. Damit wirkt das Hebelelement 1 als Wippe bezüglich einer Z-Auslenkung (in die senkrechte Richtung 200) der Ringstrukturen 3, 5. Wird eine Ringstruktur 3, 5 in Z-Richtung an einer Position angehoben, so wird die andere Ringstruktur 3, 5 an dieser Position abgesenkt, wie in 3 dargestellt. In Z-Richtung wird damit eine starke, gegenläufige Kopplung der beiden Ringstrukturen 3, 5 erzielt. Die Steifigkeit der Kopplungsstruktur 20 in diese senkrechte Richtung 200 ist abhängig von der Torsionssteifigkeit der einzelnen Federelemente 2, 4, 6 und zusätzlich von der Anordnung bzw. Positionierung der Federelemente 2, 4, 6 am Hebelelement 1.
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Die weiteren Kopplungsstrukturen 20' sind gleichartig wie die Kopplungsstruktur 20 ausgebildet. Eine weitere Kopplungsstruktur 20' ist schematisch im linken Teil von 4 dargestellt.
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Wird die Kopplungsstruktur 20 in der Haupterstreckungsebene 100 in einer Richtung senkrecht zu den Federelementen 2, 4, 6 belastet, wirken die Federelemente 2, 4, 6 wie klassische Blattfedern. In 2 ist eine gegenläufige Belastung der Ringstrukturen 3, 5 dargestellt. In diesem Fall bleibt bei einer symmetrischen Anordnung und Belastung das dritte Federelement 6 unverändert und wird nicht ausgelenkt, während nur das erste und zweite Federelement 2, 4 jeweils gegenläufig verbogen werden (2). Die Steifigkeit der Kopplungsstruktur 20 in diese Bewegungsrichtung ist nur abhängig von der Biegesteifigkeit der Federelemente.
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Wird die Kopplungsstruktur 20 in der Haupterstreckungsebene 100 in einer Richtung parallel zu den Federelementen 2, 4, 6 belastet, führt das Hebelelement 1 sowohl eine Verschiebung als auch eine Drehung aus. Bei einer gegenläufigen Belastung der Ringstrukturen 3, 5 werden, wie in 6 gezeigt, alle drei Federelemente 2, 4, 6 in eine Richtung gebogen. Wie in 6 ferner dargestellt, wirkt die Kopplungsstruktur 20 in diese Richtung ebenfalls ähnlich zu einem Wippenelement. Wird die erste Ringstruktur 3 an dem ersten Federelement 2 in eine Richtung parallel zu den Federelementen 2, 4, 6 ausgelenkt, so wird die zweite Ringstruktur 5 in die Gegenrichtung ausgelenkt. In die Richtung parallel zu den Federelementen 2, 4, 6 wird damit eine starke, gegenläufige Kopplung der beiden Ringstrukturen 3, 5 erzielt. Die Steifigkeit der Kopplungsstruktur 20 in diese Bewegungsrichtung ist nur abhängig von der Biegesteifigkeit der Federelemente 2, 4, 6 und der Anordnung der Federelemente 2, 4, 6 am Hebelelement 1.
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Unabhängig von der genauen Anordnung der Kopplungsstrukturen 20, 20' (zueinander) kann immer eine sehr starke gegenphasige Kopplung der Detektionsbewegung in die senkrechte Richtung 200 erreicht werden. Dadurch können gerade die kritischen, in gleicher Phase schwingenden Moden, die ein Fehlersignal erzeugen können, nahezu vollständig unterdrückt werden.
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Durch die Nutzung unterschiedlich angeordneter Kopplungsstrukturen 20, 20' ist es mithilfe der Kopplungsstrukturen 20, 20' gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, die Eigenfrequenzen in alle Bewegungsrichtungen sehr variabel einzustellen.
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Weiter ist es möglich, über eine geeignete Wahl des Hebelverhältnisses (bzw. der Positionen der ersten, zweiten und dritten Federelemente 2, 4, 6 am Hebelelement 1) unterschiedliche Massen der beiden Ringstrukturen 3, 5 oder unterschiedliche Trägheitsmomente der beiden Ringstrukturen 3, 5 zu kompensieren.
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In den 8 bis 14 sind Simulationen von unterschiedlichen Bewegungsmoden eines Drehratensensors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es ist jeweils die totale Verschiedbung in Mikrometern dargestellt. Der Drehratensensor 10 entspricht der in 1 dargestellten Ausführungsform. Für die Sensorgröße wurden 1000 µm x 1000 µm angenommen. Die Dicke der Funktionsschicht beträgt 30 µm. Als Material für die Funktionsschicht wurde Polysilizium angenommen. Typische bekannte minimale Strukturbereiten wurden verwendet. Die Kopplungsstrukturen 20, 20' sind zwischen den beiden Ringstrukturen 3, 5 mit abwechselnder Federausrichtung der drei Federnelemente 2, 4 ,6 in Richtung der Antriebsbewegung und senkrecht zur Antriebsbewegung angeordnet.
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In 8 ist die Antriebsbewegung der beiden Ringstrukturen 3, 5 dargestellt. In 9 ist die erste Detektionsbewegung zu sehen, mit der eine Rotation um die X-Achse (erste Richtung 110) detektiert werden kann. In 10 ist die erste Detektionsbewegung zu sehen, mit der eine Rotation um die Y-Achse (zweite Richtung 110) detektiert werden kann. Die Antriebsbewegung (8) hat eine Eigenfrequenz von 26930 Hz. Die X-Detektion (bezüglich der ersten Richtung 110) hat eine Eigenfrequenz von 24972 Hz (9). Die Y-Detektion (bezüglich der zweiten Richtung 120) hat eine Eigenfrequenz von 24975 Hz (10). Die niedrigste parasitäre Eigenmode oberhalb von 25 kHz liegt bei 126,87 kHz und ist in 14 dargestellt.
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Wie aus den Simulationen hervorgeht, ist es möglich, über die geeignete Wahl der Federbreiten der Federelemente 2, 4, 6, der Federlängen der Federelemente 2, 4, 6 und der Hebelgeometrie die Frequenzen der Antriebsbewegung auf die Frequenz der Detektionsmoden anzupassen. Die hier dargestellte Ausführungsform zeichnet sich durch eine hohe Symmetrie aus. Es werden nur gleichartige Kopplungsstrukturen 20, 20' verwendet, die selbst auch eine hohe Symmetrie aufweisen. Die drei Federelemente 2, 4, 6 sind bezüglich ihrer Länge und Breite identisch gewählt. Weiter sind das erste und das zweite Federelement 2, 4 mit gleichem Anstand zum dritten Federelement 6 angeordnet und das dritte Federelement 6 ist in der Mitte am Hebelelement 1 angeordnet. Ferner sind die Kopplungsstrukturen in einer vierzähligen Rotationssymmetrie zwischen den beiden Ringstrukturen 3, 5 angeordnet. Die hohe Symmetrie, die mit der Kopplungsstruktur 20 realisiert werden kann, ermöglicht es, dass das System wenige Eigenmoden aufweist. Mithilfe der Kopplungsstruktur 20, 20' kann somit ein Sensor erzeugt werden, bei dem die Eigenfrequenzen der Antriebsbewegung und ihrer Detektionsbewegung ca. bei 25 kHz liegen (8,9 und 10) und der in einem Bereich von 25 bis 125 kHz keine (weiteren parasitären) Eigenmoden aufweist (8,9,10 und 14).
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Typischerweise treten in dieser Anordnung noch drei Moden unterhalb der Antriebsfrequenz auf. Die in 12 dargestellte Mode hat eine Eigenfrequenz von 16183 Hz. Die in 13 dargestellte Mode hat eine Eigenfrequenz von 16184 Hz. Die in 11 dargestellte Mode hat eine Eigenfrequenz von 16043 Hz.
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Die in den
12 und
13 dargestellten Moden verursachen eine Bewegung der beiden Ringstrukturen
3,
5 innerhalb der Haupterstreckungsebene
100 (XY-Ebene). Diese Moden sind unkritisch, da kein Drehratensignal durch diese Moden erzeug wird. Bei der dritten Mode (
11) handelt es sich um eine parallel gegenphasige Bewegung der beiden Ringe in Z-Richtung. Bei einer Standardanordnung der Detektionselektroden, wie sie beispielsweise in
DE 192010062095 A1 vorgeschlagen wird, erzeugt diese Mode ebenfalls kein Drehratensignal.
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Ferner ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass über eine geeignete Anordnung das Anregen dieser drei Moden (Figuren, 11, 12, 13) vollständig verhindert werden kann. Wird wie hier gezeigt eine symmetrische Anordnung der Kopplungsstrukturen 20, 20' verwendet, kann durch eine Nutzung von zwei Ringstrukturen 3, 5 gleicher Masse verhindert werden, dass eine von außen anliegende Beschleunigung/Vibration diese Moden anregt.
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In einer alternativen Ausführungsform können auch zwei Ringstrukturen 3, 5 unterschiedlicher Masse genutzt werden. Über eine geeignete Wahl des Verhältnisses des Abstand des ersten Federelements 2 zum dritten Federelement 6 und des zweiten Federelements 4 zum dritten Federelement 6 am Hebelelement 1 kann der Massenunterschied derart ausgeglichen werden, dass eine von außen anliegende Beschleunigung/Vibration, die Moden der 11, 12, und 13) nicht anregen kann. Eine solche (asymmetrische) Ausführung der Kopplungsstruktur 20, 20' ist schematisch in 7 dargestellt.
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Es ist ferner eine Elektrodenanordnung denkbar, die einen Drehratensensor 10 ermöglicht, der auch unempfindlich auf eine von außen anliegende Drehbeschleunigung ist. Die Anordnung kann besonders bevorzugt mit den hier vorgeschlagenen Kopplungsstrukturen erreicht werden.
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Gemäß einer ersten Variante werden symmetrische Kopplungsstrukturen 20, 20' bezüglich des Verhältnisses des Abstands des ersten Federelements 2 zum dritten Federelement 6 und des zweiten Federelements 4 zum dritten Federelement 6 am Hebelelement 1 verwendet, wobei zwei Ringstrukturen 3, 5 mit gleichem Massenträgheitsmoment verwendet.
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Gemäß einer zweiten Variante werden Ringstrukturen 3, 5 mit unterschiedlichem Massenträgheitsmoment verwendet. Über eine geeignete Wahl des Verhältnisses des Abstands des ersten Federelements 2 zum dritten Federelement 6 und des zweiten Federelements 4 zum dritten Federelement 6 am Hebelelement 1 wird der Unterschied der Massenträgheitsmomente ausgeglichen.
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Vorteilhaft können weiter Anordnungen sein, bei denen Kopplungsstrukturen 20, 20' derart angeordnet werden, dass die Federelemente 2, 4, 6 jeweils in Richtung der Antriebsfeder ausgerichtet sind (vgl. 5). Wird nur diese Anordnung zwischen den Ringstrukturen 3, 5 verwendet, kann eine besonders gute Kopplung der gegenphasigen Antriebsbewegung zwischen den beiden Ringstrukturen 3, 5 erreicht werden. Weiter ist diese Art der Federanordnung besonders unempfindlich gegenüber Fertigungsschwankungen des Trench-Prozesses, mit dem die Federelemente bzw. Kopplungsstrukturen erzeugt werden. Im Trench-Prozess werden oft nicht exakt senkrechte Flanken erzeugt. Schräge Flanken führen bei einer Verbiegung der Federelemente zu einer Bewegung aus der Haupterstreckungsebene 100 heraus. Das führt üblicherweise zu einem konstanten Fehlsignal, das korrigiert werden muss. Die Korrektur ist aufwendig und beschränkt durch die maximal erreichbare Empfindlichkeit des Systems. Wird die Kopplungsstruktur wie hier beschrieben ausgelenkt, so wird sowohl das erste als auch das dritte Federelement 2, 6 wie auch das zweite und das dritte Federelement 4, 6 in die gleiche Richtung ausgelenkt. Wie aus 5 ableitbar ist, kompensieren sich damit die beiden Auslenkung in die senkrechte Richtung 200 gerade. Daher ist eine derartige Anordnung besonders günstig, wenn Drehratensensoren 10, die besonders unempfindlich auf Fertigungsschwankungen sein sollen, hergestellt werden sollen. Wichtig in dieser Anordnung ist, dass die Federlänger des dritten Federelements 6 ungefähr gleich der Federlänge der ersten und zweiten Federelemente 2, 4 gewählt wird.
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Die Kopplungsstrukturen 20, 20' sind nicht beschränkt auf die Verwendung zwischen zwei Ringstrukturen, sondern können auch auf Anordnungen mit drei oder mehr Ringstrukturen übertragen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 192010062095 A1 [0002, 0041]
