Die vorliegende Erfindung betrifft Kopplungsvorrichtungen zum Koppeln von Schwingungssystemen. Insbesondere betrifft die Erfindung mikro-elektro mechanische Komponenten, wie etwa Inertialsensoren, insbesondere Drehraten sensoren, mit mehreren Schwingungssystemen, die mechanisch gekoppelt sind.

Moderne mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS), wie etwa Inertialsensoren, insbesondere Drehratensensoren, weisen oft mehrere Schwingungssysteme auf, die im Gegentakt schwingen. Dies dient mitunter dazu, Kräfte und Drehmomente, die auf in den Schwingungssystemen vorhandene schwingende Massen einwirken derart symmetrisch auszubilden, dass das System zumindest im zeitlichen Mittel nach außen kräfte-und drehmomentenfrei ist.

Bekannt ist zum Beispiel, zwei Massen gegenläufig auf einer Linie zu führen. Für solche „Dual-Mass -Sensoren“ sind verschieden Kopplungsmechanismen bekannt, die für eine im zeitlichen Mittel kräfte- und drehmomentenfreie Schwingung sor gen.

Ein Problem ergibt sich jedoch, wenn mehrere Schwingungssysteme verwendet werden sollen, die zwar entlang der gleichen Richtung schwingen, jedoch nicht in Schwingungsrichtung hintereinander sondern parallel angeordnet sind. Dies ist insbesondere für sogenannte „Quad Mass-Sensoren“ der Fall, d.h. für Drehraten sensoren, die vier schwingende Massen aufweisen. Diese sind zu zwei Dual-Mass - Sensoren gepaart, wobei jeder der Dual-Mass-Sensoren selbst in bekannter Weise gekoppelt werden kann. Neben der Kopplung der schwingenden Massen der ein zelnen Dual-Mass-Sensoren im Gegentakt, sollen auch die Massen der beiden Du- al-Mass-Sensoren stets im Gegentakt bewegt werden, da dadurch die Gesamtkräf te bzw. -drehmomente minimiert werden. Zudem soll die Bewegung sämtlicher Massen oft möglichst eindimensional erfolgen.

Aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen zu diesem Problem koppeln die beiden Dual-Mass-Sensoren mittels Hebel- oder Wippenkonstruktionen miteinan der. Derartige Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, dass die Enden der He bel aufgrund der starren Ausprägung der Hebel keine geradlinigen Bahnen be schreiben, sondern Kreisbahnen. Durch die Verwendung solcher Hebel werden die gekoppelten Schwingungssysteme also aus ihrer gewünschten linearen Bewegung gezogen, insbesondere für besonders bevorzugte größerer Auslenkungen der Schwingungs Systeme. Hebelvorrichtungen für die Kopplung von Schwingungssys- temen führen also systematisch zu einer ungewollten Ablenkung der schwingen den Massen von einer rein linearen Bewegung und können auch das Laufen der Massen im Gegentakt behindern. Diese systematischen Fehler führen zu einer Verschlechterung der Messresultate, die nur in aufwändiger Weise kompensiert werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, eine Kopplungsvorrichtung zum Koppeln von mindestens zwei Schwingungssystemen anzugeben, mit der eine ge genläufige Bewegung der Schwingungssysteme verlässlich geführt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, mikro-elektro-mechanische Komponen ten, wie z.B. Inertial- /Drehratensensoren, bereitzustellen, die derartig gekoppelte Schwingungssysteme aufweisen. Diese Aufgabe ist durch den Gegenstand der An sprüche gelöst.

Eine Kopplungsvorrichtung zum Koppeln einer Mehrzahl von Schwingungs sys te men, die derart über einem Substrat gelagert sind, dass sie entlang einer ersten Richtung schwingen können und zueinander in einer zur ersten Richtung senk rechten zweiten Richtung versetzt sind, kann eine in die erste Richtung biegbare Biegebalkenfeder aufweisen, die mit den Schwingungssystemen verbunden werden kann. Hierbei sind Verbindungen der Biegebalkenfeder mit den Schwingungssys temen derart zwischen zumindest zwei Verbindungspunkten der Biegebalkenfeder mit dem Substrat angeordnet, dass eine durch Bewegungen der Schwingungssys teme hervorgerufene Auslenkung der Biegebalkenfeder zu einer Schwingung der Biegebalkenfeder mit Schwingungsbäuchen im Bereich der Verbindungen der Bie gebalkenfeder mit den Schwingungssystemen führt.

Hierdurch wird erreicht, dass in y-Richtung benachbart angeordnete und mittels der Kopplungsvorrichtung gekoppelte Schwingungssysteme in ihrer Bewegung im Gegentakt stabilisiert werden, wenn durch diesen erst eine Schwingung der Bie gebalkenfeder angeregt wurde, da die Schwingungssysteme mit dem Biegebalken im Bereich entgegengesetzt schwingender Schwingungs bäuche verbunden sind. Die Verbindungen sind hier optimaler Weise in den Punkten maximaler Auslen kung angeordnet. Hilfreich für die Anregung einer Schwingungsmode mit z.B. zwei Schwingungsbäuchen kann hierbei sein, wenn zwei Schwingungssysteme im Ge gentakt mit der Eigenfrequenz der entsprechenden Schwingungs mode schwingen. Verallgemeinert man das System auf eine Mehrzahl von Schwingungssystemen, die über die Biegebalkenfeder gekoppelt sind, so ist eine Anordnung von Verbin dungen zur Biegebalkenfeder und/oder eine Schwingungsanregung vorteilhaft, bei der im Bereich einer jeden Verbindungen ein Schwingungsbauch entsteht. In die- ser Weise können Schwingungssysteme in effektiver Weise derart miteinander ge koppelt werden, dass eine Gegentaktbewegung von benachbarten Schwingungs systemen unterstützt werden kann. Zudem kann z.B. bei einer Verbindung von nur jedem übernächsten Schwingungsbauch der Biegebalkenfeder mit einem Schwingungssystem auch eine gleichlaufende Schwingung, bzw. bei unregelmäßi ger Verteilung der Schwingungssysteme eine gemischt gegen- und gleichläufige Schwingung erreicht werden.

Eine mikro-elektro-mechanische Komponente, vorzugsweise ein Inertialsensor, weiter vorzugsweise ein Drehratensensor zum Messen einer Drehung des Drehra tensensors kann die Kopplungsvorrichtung wie sie oben beschrieben wurde und die Mehrzahl der Schwingungssysteme aufweisen. Hierbei beträgt die Anzahl der Schwingungssysteme N und eine Länge der Biegebalkenfeder zwischen zwei Ver bindungspunkten zum Substrat L. Das Schwingungssystem n (n= l , ... , N) ist dann bei (2n- l )-L/2N mit der Biegebalkenfeder verbunden. Hierdurch wird die Ausbil dung von N Schwingungsbäuchen und damit die Gegentaktkopplung vereinfacht.

Alternativ kann die Kopplungsvorrichtung mindestens ein erstes Schwingungs - system und ein zweites Schwingungssystem miteinander koppeln. Die Biegebal kenfeder erstreckt sich hierbei entlang der zweiten Richtung und kann an mindes tens drei Verbindungspunkten mit dem Substrat, zwischen einem Paar von be nachbarten Verbindungspunkten mit dem ersten Schwingungssystem und zwi schen dem anderen Paar von benachbarten Verbindungspunkten mit dem zweiten Schwingungs System verbunden werden. Hierbei ist die Kopplungsvorrichtung ge eignet, gegenläufige Schwingungen des ersten Schwingungssystems und des zwei ten Schwingungssystems entlang der ersten Richtung gekoppelt zu führen.

Insbesondere kann eine mikro-elektro-mechanische Komponente, wie etwa ein Inertialsensor oder ein Drehratensensor zum Messen einer Drehung des Drehra tensensors bzw. eines mit dem Drehratensensor verbundenen Objekts die oben beschriebene Kopplungsvorrichtung sowie das erste Schwingungs System und das zweite Schwingungssystem aufweisen. Die Kopplungsvorrichtung ist hierbei an drei Verbindungspunkten mit dem Substrat verbunden und zwischen einem Paar von benachbarten Verbindungspunkten mit dem ersten Schwingungs System ver bunden und zwischen dem anderen Paar von benachbarten Verbindungspunkten mit dem zweiten Schwingungssystem verbunden.

Eine mikro-elektro-mechanische Komponente, wie etwa ein Drehratensensor weist also zwei schwingende Systeme auf, die für die Funktion der mikro-elektro- mechanischen Komponente benötigt werden, z.B. für die Bestimmung der Drehra te des Sensors. Diese können im Prinzip beliebig ausgebildet sein, solange sie in einer ersten Richtung gegenläufig Schwingungen ausführen können und mit Ver satz in einer anderen, hierzu senkrechten zweiten Richtung nebeneinander ange ordnet sind. Die Bewegungslinien der Schwingungssysteme können hierbei ver setzt oder sogar verkippt zueinander sein. Die beiden schwingenden Systeme kön nen z.B. Dual-Mass-Drehratensensoren sein, die zu einem Quad-Mass-Sensor verbunden sind.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird kein starrer Hebel verwendet, um die beiden Schwingungssysteme miteinander zu verbinden, sondern eine Kopplungs vorrichtung mit einer Biegebalkenfeder. Diese ist an drei Stellen mit dem Substrat des Sensors verbunden. Zwischen diesen Verbindungspunkten befindet sich je weils die Verbindung zu den Schwingungssystemen, bevorzugt in der Mitte zwi schen den Verbindungspunkten.

Wird nun in einem (oder beiden) der Schwingungssysteme eine Schwingung in die erste Richtung angeregt, wird der Teil der Biegebalkenfeder, der mit dem Schwin gungssystem verbunden ist, entsprechend in die erste Richtung gezogen, während er an den beiden Verbindungspunkten zum Substrat im Wesentlichen feststeht. Aufgrund der eindimensionalen Auslenkbarkeit der Biegebalkenfeder wird dadurch der Bereich mit der Verbindung zum anderen Schwingungs System in die entgegengesetzte Richtung bewegt, bzw. eine entsprechende im Schwingungs Sys tem angeregte Bewegung wird unterstützt und stabilisiert. Die Kopplungsvorrich tung ist also geeignet, die Schwingungssysteme gekoppelt zu führen.

Ausschlaggebend ist hierbei die Verwendung der Biegebalkenfeder als Kopplungs- element, da die Verformbarkeit der Biegebalkenfeder in die erste Richtung eine lineare Bewegung ohne kreisförmigen Anteil ermöglicht. Dies ist mit einem Hebel mechanismus, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht möglich. Aus diesem Grund erlaubt die Biegebalkenfeder auch größere Auslenkungen der Schwingungs sys ferne als ein Hebelmechanismus, da die Abweichung von der line aren Bewegung bei der Verwendung von Hebeln umso deutlicher wird, je größer die Bewegung des Hebels ist. Dies beschränkt die technisch sinnvolle Auslenkung der gekoppelten Schwingungssysteme, eine Einschränkung die für die Biegebal kenfeder prinzipiell nicht auftritt.

Die Verwendung einer geeigneten mit dem Substrat verbundenen Biegebalkenfeder ermöglicht es also, eine Kopplung zwischen zwei Schwingungssystemen zu reali- sieren, die nicht zu einer Abweichung der Schwingungssysteme von der beabsich tigten gegenläufigen Bewegung führt. Dadurch steigt die Verlässlichkeit des Sen sors. Zudem können die Schwingungssysteme mit größerer Amplitude schwingen, wodurch sich die Signalstärke der gemessenen Signale erhöht. Dies führt wiede rum zu empfindlicheren Sensoren.

Die Kopplungsvorrichtung kann bei gegenläufigen Schwingungen des ersten Schwingungssystems und des zweiten Schwingungssystems entlang der ersten Richtung diese zu einer Bewegung im Gegentakt, vorzugsweise zu einer parallelen Bewegung zwingen. Es wird also eine streng gegenläufige Bewegung unterstützt bzw. herbeigeführt. Zudem können von der ersten Richtung abweichende Bewe gungskomponenten durch die Auslenkung der Biegebalkenfeder reduziert bzw. gelöscht werden. Die Kopplungsvorrichtung kann die beiden Schwingungssysteme dadurch auf parallele Bewegungsbahnen zwingen. Durch diese Maßnahmen kann das Schwingungsverhalten weiter verbessert werden, wodurch die mikro -elektro mechanische Komponente verlässlicher wird.

Die Kopplungsvorrichtung kann das erste und das zweite Schwingungs System zu Schwingungen mit betragsmäßig gleich großer Amplitude und gegenläufiger Rich tung zwingen. Dadurch wird sichergestellt, dass die gekoppelten Schwingungssys teme möglichst kräfte- und drehmomentenfrei ist, da sich Federkräfte und Dreh momente, die im ersten Schwingungssystem auftreten, mit Federkräften und Drehmomenten kompensieren, die im zweiten Schwingungssystem auftreten, wenn beide Schwingungen genau im Gegentakt, d.h. mit gleichem Amplitudenbetrag aber entgegengesetzter Auslenkung entlang der ersten Richtung schwingen.

Die Kopplungsvorrichtung kann des Weiteren ein erstes, ein zweites und ein drit tes Drehfederelement aufweisen. Hierbei verbindet das erste Drehfederelement ein erstes Ende der Biegebalkenfeder, das zweite Drehfederelement die Mitte der Bie gebalkenfeder und das dritte Drehfederelement ein zweites Ende der Biegebalken feder mit dem Substrat. Zudem ist das erste Schwingungssystem in der Mitte zwi schen erstem und zweitem Drehfederelement und das zweite Schwingungssystem in der Mitte zwischen zweitem und drittem Drehfederelement mit der Biegebalken feder verbunden. Dadurch bildet sich bei einer gegenläufigen Auslenkung des ers ten und zweiten Schwingungssystems entlang der ersten Richtung die zweite Ei genmode der Biegebalkenfeder als erste Eigenmode der Kopplungsvorrichtung aus und zwingt das erste und zweite Schwingungs System zu der gegenläufigen, vor zugsweise parallelen, Bewegung. Durch die Verwendung von Drehfederelementen für die Verbindung zwischen Bie gebalkenfeder und Substrat wird die Biegebalkenfeder in den Verbindungspunk ten drehbar gelagert. Hierdurch kann sich die Biegebalkenfeder in den Verbin dungspunkten stärker in Richtung der Auslenkung des benachbarten Schwin gungssystems verbiegen. Die Biegebalkenfeder nimmt also für die Kopplung eine S-förmige Gestalt an, da sie an ihren Endpunkten und ihrem Mittelpunkt (im We sentlichen) räumlich feststehend, aber drehbar mit dem Substrat verbunden ist. Diese S-förmige Gestalt entspricht der zweiten Eigenmode einer frei schwingenden Biegebalkenfeder. Im Folgenden soll auch eine aus mehreren Segmenten beste hende Biegebalkenfeder, die z.B. durch die Drehfederelemente unterteilt ist, als eine einzelne Biegebalkenfeder verstanden werden. Der Bezug auf die zweite Ei genmode oben betrifft also den gesamten zwischen den äußeren Verbindungs punkten liegenden Teil der Biegebalkenfeder.

Die Mittelpunkte zwischen den Verbindungen zum Substrat bilden hierbei Punkte größter Auslenkung, die zudem gegengleiche Amplituden aufweisen und sich rein geradlinig und parallel bewegen. Die Bewegung der Biegebalkenfeder kann hierbei insbesondere einer stehenden Welle mit fixen Endpunkten und fixem Mittelpunkt entsprechen.

Da die Schwingungssysteme an den Punkten größter Auslenkung mit der Biege balkenfeder verbunden sind, werden die Bewegungen der Schwingungssysteme ebenfalls auf lineare und parallele Bahnen gezwungen. Die Verwendung von Dreh federn verbessert also die geführte Auslenkung der Schwingungssysteme und da mit die Verlässlichkeit und Genauigkeit des Drehratensensors.

Bei gegenläufiger Auslenkung des ersten und des zweiten Schwingungssystems können Kräfte auf die Biegebalkenfeder ein erstes Drehmoment Ml an dem ersten Drehfederelement, ein zweites Drehmoment M2 an dem zweiten Drehfederelement und ein drittes Drehmoment M3 an dem dritten Drehfederelement erzeugen. Das erste Drehfederelement kann eine erste Federkonstante Kl gegenüber Drehungen, das zweite Drehfederelement eine zweite Federkonstante K2 gegenüber Drehungen und das dritte Drehfederelement eine dritte Federkonstante K3 gegenüber Dre hungen aufweisen, wobei die Beziehung gilt: K1 :K2:K3 = M1 :M2:M3.

Das zwischen erstem und zweitem Drehfederelement verbundene erste Schwin gungssystem übt aufgrund der darin angeregten Schwingung eine Kraft auf die Biegebalkenfeder aus. Diese Kraft wird über die Biegebalkenfeder auf das erste Drehfederelement und das zweite Drehfederelement weitergeleitet und erzeugt dort jeweils ein Drehmoment. In entgegengesetzter Richtung übt das zweite Schwin gungssystem eine entgegengesetzte Kraft auf das zweite und das dritte Drehfe derelement aus und erzeugt dort ebenfalls Drehmomente. Diese Drehmomente müssen von den Drehfederelementen aufgefangen werden, was zu Verformungen der Drehfederelemente führt, insbesondere zu einer Verdrehung. Um eine beson ders symmetrische Verbiegung der Biegebalkenfeder zu erreichen, sollten die Fe derkonstanten gegenüber Drehungen, d.h. die Drehsteifigkeit der Drehfederele mente gegenüber diesen Verformungen im gleichen Verhältnis zueinander stehen, wie die von den Schwingungssystemen insgesamt auf die Drehfederelemente aus- geübten Drehmomente.

Insbesondere können das erste und dritte Drehfederelement die gleiche Federkon stante gegenüber Drehungen Kl = K3 aufweisen und das zweite Drehfederelement kann eine Federkonstante gegenüber Drehungen K2 aufweisen, die doppelt so groß ist, wie die Federkonstante der äußeren Drehfederelemente, d.h. es gilt K1 :K2:K3 = 1 :2: 1. Dies bietet sich insbesondere für einen symmetrischen Aufbau an, in dem die Schwingungssysteme genau in der Mitte zwischen zwei Drehfe derelementen mit der Biegebalkenfeder verbunden sind und die beiden Abschnitte der Biegebalkenfeder zwischen dem mittleren Drehfederelement und den beiden äußeren Drehfederelementen gleich sind. In diesem Fall doppeln sich die auf das mittlere, d.h. zweite Drehfederelement wirkenden Drehmomente gegenüber den außen wirkenden Drehmomenten auf. Dem kann durch das besonders einfache Verhältnis K1 :K2:K3 = 1 :2: 1 begegnet werden, für das sich in diesem Fall für die Schwingungssysteme eine genau gleichlaufende Bewegung im Gegentakt ergibt.

Die Drehfederelemente können sowohl gegenüber dem Substrat verdreht als auch linear gegenüber dem Substrat bewegt werden. Dies kann dann Sinn machen, wenn die Biegebalkenfeder nicht dehnbar genug ist, die aufgrund der Verformung und der festen Verbindung mit dem Substrat notwendige Längenänderung bereit stellen zu können. In diesem Fall kann das Drehfederelement neben einer Rotati on auch eine Verformung entlang der zweiten Richtung erzeugen, wodurch sich die zwischen den Drehfederelementen liegenden Abschnitte der Biegebalkenfeder „verlängern“. Die Biegebalkenfeder besteht dann nicht aus einem durchgängigen Biegebalken, sondern aus zwei (oder mehr) Teilstücken, die an ihrem Enden mit den Drehfederelementen verbunden sind. Beide Teilstücke zusammen werden hier als Biegebalkenfeder bezeichnet.

Die lineare Verformbarkeit der Drehfederelemente führt also zu einer linearen Verschiebung des Verbindungspunkts zwischen Biegebalkenfeder und Drehfe- derelement gegenüber dem Substrat. Dadurch können auch Biegebalken verwen det werden, die sich ohne Längenänderung verformen, da die erforderliche Län genänderung durch die Verschiebung des Verbindungspunktes ersetzt wird. Dies erlaubt es, die mikro-elektro-mechanische Komponente aus einem Material herzu stellen, das für deren Funktionsfähigkeit von Vorteil ist, ohne auf seine elasti schen Eigenschaften Rücksicht nehmen zu müssen. Es wird also auch hierdurch die Verlässlichkeit der mikro-elektro-mechanischen Komponente verbessert.

Die Drehfederelemente können eine Größe von weniger als 1000 pm, 500 pm, 150 pm, 100 pm, 50 pm, 30 pm, 10 pm, oder 5 pm aufweisen. Je kleiner die Drehfe derelemente sind, desto näher kommt die erste Eigenmode der Kopplungsvorrich tung einer Sinus Schwingung mit genau parallelen und gegenläufig wandernden Punkten maximaler Auslenkung. Kleinere Drehfederelemente verbessern also die Auslenkung der Schwingungssysteme und damit die Verlässlichkeit der mikro- elektro-mechanischen Komponente.

Die Verbindungen zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungssystem und der Kopplungsvorrichtung entlang der zweiten Richtung können eine Breite auf weisen, die kleiner als 250 pm, 200 pm, 150 pm, 100 pm, 50 pm, 30 pm, 10 pm, 5 pm oder 1 pm ist. Im Bereich der Verbindungen zu den Schwingungssystemen ist die Verformbarkeit der Biegebalkenfeder verändert. Je schmaler dieser Bereich ist, d.h. je einheitlicher die Verformbarkeit der Biegebalkenfeder ist, desto reiner kann sich eine Sinusschwingung ausbilden, was aus den oben genannten Gründen die mikro-elektro-mechanische Komponente verbessert.

Die mikro-elektro-mechanische Komponente kann eine weitere Kopplungsvorrich tung aufweisen, die identisch zu der zuvor beschriebenen Kopplungsvorrichtung aufgebaut ist. Hierbei sind das erste und das zweite Schwingungs System entlang der ersten Richtung zwischen den beiden Kopplungsvorrichtungen angeordnet und die beiden Kopplungsvorrichtungen sind in gleicher Weise mit dem ersten und dem zweiten Schwingungssystem verbunden. Die Führung oder Kopplung der Schwingungssysteme findet also von zwei entlang der Schwingungsrichtung ge genüberliegenden Seiten aus statt. Dadurch werden die Führung und damit die Linearität der Schwingung verbessert.

Das erste und das zweite Schwingungssystem können jeweils zwei Massen aufwei sen, die entlang der ersten Richtung zu gegenläufigen Schwingungen angeregt werden können. Eine Drehung bei angeregter Schwingung entlang der ersten Richtung löst eine auf die Massen wirkende Corioliskraft entlang der zweiten Richtung aus, deren Größe gemessen werden kann, um auf die Drehrate zu schließen. Das erste und das zweite Schwingungssystem haben einen identischen und symmetrischen Aufbau, aufgrund dessen die mikro-elektro-mechanische Komponente als Ganzes bei angeregten Schwingungen der Massen zumindest im zeitlichen Mittel kräfte- und drehmomentenfrei ist.

Die beiden Schwingungssysteme sind also als Dual-Mass -Drehratensensoren mit zwei Massen ausgebildet, die innerhalb eines Schwingungssystems zu Schwingun gen im Gegentakt angeregt werden können. Zudem schwingen die Massen der bei den Dual-Mass -Sensoren auch in Beziehung zueinander im Gegentakt. Nach au ßen wirkende Kräfte sind dann immer durch entsprechend große, nach innen wir kende Kräfte kompensiert. Eine Drehung des durch diese Anordnung erzeugten Quad-Mass-Drehratensensors führt dabei zu Corioliskräften auf alle Massen. Auch diese Kräfte kompensieren sich genau. Im zeitlichen Mittel ist der Drehra tensensor also kräfte- und drehmomentenfrei. Dies wird durch die oben beschrie benen Kopplungsvorrichtungen unterstützt, da diese für eine gekoppelte, lineare Bewegung im Gegentakt sorgen.

Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figu ren näher beschrieben werden. Diese Beschreibung ist aber rein beispielhaft. Die Erfindung ist nur durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen einer Kopplungsvorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kopplungsvorrichtung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Drehfederelements;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Drehratensensors; und

Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen eines weiteren Drehratensensors.

Die Fig. 1A und 1B zeigen in schematischer Weise eine mikro-elektro-mechanische Komponente, wie etwa einen Inertialsensor oder einen Drehratensensor 100, die als mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) ausgebildet sind. Im Folgenden wird zur Vereinfachung stets auf einen Drehratensensor 100 Bezug genommen, ohne dass dies jedoch als einschränkend gelten soll. Der Drehratensensor 100 ist in der Lage, Drehungen um eine zur Bildebene senk rechte Achse zu detektieren. Hierzu weist der Drehratensensor 100 ein erstes Schwingungs System 1 10 und ein zweites Schwingungssystem 120 auf, die über einem Substrat 200 des Drehratensensors 100 gelagert sind.

Diese beiden Schwingungssysteme 1 10, 120 sind in den Fig. 1A und 1B stark schematisiert dargestellt. Beide Schwingungssysteme 1 10, 120 weisen Komponen ten auf, die mit Bezug auf das Substrat in eine erste Richtung beweglich sind, wie in den Fig. 1A und 1B durch die Pfeile A und B dargestellt. Die erste Richtung entspricht in den Fig. 1A und 1B der x-Richtung bzw. der x-Achse. Die Bewegung der Komponenten der Schwingungssysteme 1 10, 120 entlang der x-Richtung er möglicht es, in bekannter Weise Drehraten über die Auswirkungen der Coriolis kraft zu bestimmen, entweder für jedes Schwingungssystem 1 10, 120 separat oder durch die Kombination beider Schwingungssysteme 1 10, 120. Da dies hinlänglich bekannt ist, braucht die innere Struktur der Schwingungssysteme 1 10, 120 hier nicht näher erläutert werden. Sie kann im Prinzip jeder beliebigen zur Drehra tenmessung geeigneten Struktur entsprechen. Auch können Schwingungssysteme mit ähnlichem Bewegungsverlauf in anderen mikro-elektro-mechanische Kompo nenten enthalten sein, die einen anderen Zweck erfüllen.

Ausschlaggebend ist, dass das erste Schwingungs System 1 10 und das zweite Schwingungs System 120 für einen optimalen Betrieb der mikro-elektro mechanischen Komponente bzw. des Drehratensensors 100 gegenläufig entlang der ersten Richtung x ausgelenkt werden müssen. „Gegenläufig“ schließt hier so wohl entgegengesetzte Bewegungen rein in x-Richtung, als auch entgegengesetzte Bewegungen ein, die gegen die x-Richtung und zueinander verkippt sind. Vor zugsweise laufen aber beide Schwingungssysteme linear und parallel entlang der x-Richtung. Das heißt, während das erste Schwingungssystem 1 10 (oder für die Drehratenmessung relevante Teile daraus) sich in der Fig. 1A nach rechts bewegt, bewegt sich das zweite Schwingungs System 120 (oder für die Drehratenmessung relevante Teile daraus) nach links und umgekehrt. Obwohl die jeweiligen Bewe gungen bzw. Schwingungen der Schwingungssysteme 1 10, 120 durch in den Schwingungssystemen 1 10, 120 angeordnete Mechanismen, wie z.B. Treiberelekt rodenpaare, angeregt werden können, ist eine mechanische Kopplung zwischen den schwingenden Körpern von Vorteil um die gegenläufige Bewegung, wenn mög lich im Gegentakt, sicher zu führen.

Wie in der Fig. 1A zu sehen, sind das erste und das zweite Schwingungssystem 1 10, 120 senkrecht zur ersten Richtung, d.h. entlang der y-Richtung, nebenei- nander angeordnet, d.h. sie liegen parallel zueinander und sind in y-Richtung zu einander versetzt. Aus dem Stand der Technik bekannte Kopplungsmechanismen, die für eine Kopplung entlang der Bewegungsrichtung von Schwingungen geeignet sind, können deshalb für Drehratensensoren 100, wie sie vorliegend von Interesse sind, nicht eingesetzt werden. Die Kopplung muss vielmehr über eine Kopplungs vorrichtung 130 erfolgen, die sich entlang der y-Richtung, d.h. entlang einer zur ersten Richtung senkrechten, zweiten Richtung erstreckt. Die Kopplungsvorrich tung 130 muss hierbei nicht rein linear bzw. geradlinig der zweiten Richtung fol gen, sondern kann auch Segmente aufweisen, die bezüglich der zweiten Richtung geneigt sind, also z.B. schräg oder sogar senkrecht zur zweiten Richtung laufen. Ausschlaggebend ist, dass die Kopplungsvorrichtung 130 in der Lage ist, Schwin gungssysteme 1 10, 120 miteinander zu koppeln, die in y-Richtung versetzt ange ordnet sind.

Um diese Kopplung zu ermöglichen, muss die innerhalb der Schwingungssysteme 1 10, 120 stattfindende Bewegung, von außerhalb der Schwingungssysteme 1 10, 120 mechanisch erfassbar sein, da ansonsten eine Verbindung zur Kopplungsvor richtung 130 nicht möglich ist. Dies ist in den Fig. 1A und 1B durch die Verschie bung des gesamten, das Schwingungssystem 1 10, 120 darstellenden Blocks abge bildet. Dies dient aber nur der Vereinfachung der Beschreibung und darf nicht als einschränkend verstanden werden. Wann immer im Folgenden von der Bewegung oder Schwingung eines Schwingungssystems 1 10, 120 oder dessen Verbindung zur Kopplungsvorrichtung 130 gesprochen wird, soll dies als Aussage über die sich innerhalb des Schwingungssystems 1 10, 120 bewegenden Komponenten ver standen werden, die von der Kopplungsvorrichtung 130 in Gegentakt gebracht werden sollen.

Wie in den Fig. 1A und 1B dargestellt weist die Kopplungsvorrichtung 130 eine Biegebalkenfeder 135 auf, die mit den Schwingungssystemen 1 10, 120 verbunden ist. Die Biegebalkenfeder 135 ist hierbei in der Lage, in x-Richtung ausgelenkt zu werden. Sie weist in x-Richtung eine Steifigkeit auf, die kleiner sein kann als die Steifigkeiten gegenüber Bewegungen in andere Richtungen. Die Biegebalkenfeder 135 kann hierbei aus mehreren Segmenten, z.B. aus mehreren Biegebalken, zu sammengesetzt sein und prinzipiell auch Teilabschnitte aufweisen, die senkrecht zur x-Richtung verformt werden können, um z.B. eine Längenänderung der Biege balkenfeder 135 herbeizuführen.

Die Biegebalkenfeder 135 kann an mindestens drei Verbindungspunkten 140 mit dem Substrat 200 verbunden sein, d.h. an den Verbindungspunkten 140 ist die Beweglichkeit der Biegebalkenfeder 135 in die x- und die y-Richtung stark einge schränkt. Im Idealfall kann sich die Biegebalkenfeder 135 in den Verbindungs punkten 140 nicht in die x- und y-Richtungen bewegen. Die Biegebalkenfeder 135 kann aber idealer Weise über den Verbindungspunkten 140 noch gedreht werden. Der mittlere, schraffiert gezeigte Verbindungspunkt 140 kann hierbei aber im Prinzip auch weggelassen werden.

Zwischen je zwei Paaren der drei Verbindungspunkte 140 befinden sich Verbin dungen 1 12, 122 zu den beiden Schwingungssystemen 1 10, 120. Die Verbindun gen können hierbei jede beliebige Gestalt aufweisen, die für eine Verbindung von Biegebalkenfeder 135 und Schwingungssystemen 1 10, 120 vorteilhaft ist. Zum Beispiel kann die Biegebalkenfeder 135 im Bereich der Verbindungen 1 12, 122 auch massiver oder flexibler sein als in anderen Bereichen oder mit mehreren, gegebenenfalls parallelen Segmenten ausgebildet sein. Auch kann die Biegebal kenfeder 135 im Bereich der Verbindungen 1 12, 122 gerade oder gebogen sein, wenn dies eine verbesserte Verbindung zu den Schwingungssystemen 1 10, 120 erlaubt.

Eine Auslenkung der Schwingungssysteme 1 10, 120 führt, wie in der Fig. 1B ge zeigt, zu einer Ausbauchung der Biegebalkenfeder 135 in Richtung der Auslen- kung. Durch die drehbare Verbindung der Biegebalkenfeder 135 mit dem Substrat führt eine Auslenkung nach rechts in der oberen Hälfte der Biegebalkenfeder 135 zu einer Auslenkung nach links in der unteren Hälfte. Dies hegt daran, dass durch die drehbare Lagerung im mittleren Verbindungspunkt 140 in diesem Be reich keine Kraft auf die Biegebalkenfeder 135 einwirkt, die zu einer Abweichung von einem in erster Ordnung geradlinigen Verlauf der Biegebalkenfeder 135 in diesem Bereich führt. Die Biegebalkenfeder 135 ist aber am unteren Verbin dungspunkt 140 fixiert.

Zieht das erste Schwingungs System 1 10 die Biegebalkenfeder 135 nun in ihrer oberen Hälfte nach rechts, verbiegt sich die Biegebalkenfeder 135 derart, dass sie in ihrem mittleren Bereich im Wesentlichen geradlinig von rechts oben nach links unten läuft, um sich dann in Richtung des unteren Verbindungspunkts 140 nach rechts zurück zu biegen. Die Biegebalkenfeder 135 baucht sich im unteren Be reich also nach links aus und zwingt das zweite Schwingungs System 120 dieser Bewegung zu folgen, wie in der Fig. 1B gezeigt. Auf diese Weise führt die Kopp lungsvorrichtung die beiden Schwingungssysteme 1 10, 120 in ihrer gegenläufigen Bewegung, idealer Weise stets im Gegentakt. Vorteilhaft ist hierbei ein symmetrischer Aufbau wie in den Fig. 1A und 1B ge zeigt, bei dem die äußeren Verbindungspunkte 140 mit den Enden der Biegebal kenfeder 135 verbunden sind und der mittlere Verbindungspunkt 140 genau in der Mitte der Biegebalkenfeder 135 liegt. Die Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwingungssystemen 1 10, 120 liegen dann bei einem Viertel bzw. drei Viertel Länge der Biegebalkenfeder 135 bzw. genau zwischen den jeweiligen Verbindungs punkten 140.

Die Biegebalkenfeder 135 hat dann eine über ihre Länge einheitliche Dicke und kann damit eine einheitliche Federkonstante aufweisen. Durch diesen symmetri schen Aufbau verschieben sich die Schwingungssysteme 1 10, 120 stets mit ge gengleicher Amplitude und Phase, d.h. der Betrag der Auslenkung ist gleich groß und die Richtung der Auslenkung verschieden.

Dieser gegengleiche Lauf der Schwingungssysteme 1 10, 120 kann aber auch mit einem nicht vollständig symmetrischen Aufbau erreicht werden, wenn eine Biege balkenfeder mit entsprechend angepasster, über ihre Länge nicht konstanter Fe derkonstante verwendet wird. Schlussendlich entscheidet die Dimensionierung, Art und Segmentierung der Biegebalkenfeder 135 und damit der Wert der Feder konstante entlang der zweiten Richtung über die Verformung der Biegebalkenfeder 135 bei einer gegebenen Anordnung der Verbindungspunkte 140 und einer gege benen Kräfteverteilung aufgrund der Auslenkung der Schwingungssysteme 1 10, 120. Damit ist es möglich, eine gegenläufige Bewegung der Schwingungssysteme 1 10, 120 für nahezu alle möglichen Anordnungen von Verbindungspunkten 140 zum Substrat 200 und von Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwingungssystemen zu ermöglichen.

Die Verformung der Biegebalkenfeder 135 entspricht idealer Weise einer stehen den Welle, deren Punkte maximaler Auslenkung an den Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwingungssystemen 1 10, 120 liegen, und sich geradlinig entlang der ersten Richtung bewegen.

Insbesondere kann die Verbindung zwischen Substrat 200, Biegebalkenfeder 135 und Schwingungssystemen 1 10, 120 derart ausgestaltet sein, dass die erste Ei genmode der so geformten Kopplungsvorrichtung 130 der zweiten Eigenmode einer frei schwingenden Biegebalkenfeder 135 entspricht. Dies bedeutet, dass die Bie gebalkenfeder 135 bei einer Anregung nicht einen Schwingungsbauch bildet (erste Eigenmode der freien Biegebalkenfeder), sondern zwei Schwingungs bäuche aus- bildet. Anders ausgedrückt schwingen die zwischen den Verbindungspunkten lie- genden Segmente der Biegebalkenfeder 135 in der ersten Eigenmode der freien Biegebalkenfeder, die aus den Segmenten zusammengesetzte Biegebalkenfeder 135 damit in der zweiten Eigenmode.

Alternativ zur obigen Beschreibung kann der in den Fig. 1A und 1B schraffiert gezeigte, mittlere Verbindungspunkt 140 auch weggelassen werden. Auch in die sem Fall kann eine Schwingung der Biegebalkenfeder 135 erzeugt werden, die die Schwingungssysteme 1 10, 120 im Gegentakt koppelt. Dies kann z.B. durch eine entsprechende Platzierung der Verbindungen 1 12 , 122 zwischen Schwingungssys temen 1 10, 120 und Biegebalkenfeder 135 erfolgen, die das Ausbilden der

Schwingungsmode begünstigt, in der jedes Schwingungs System 1 10, 120 im Be reich eines Schwingungsbauches mit der Biegebalkenfeder 135 verbunden ist. Zu sätzlich oder alternativ können die Schwingungssysteme 1 10, 120 auch derart im Gegentakt schwingen, dass die Schwingungsfrequenz die Eigenfrequenz einer der artigen Schwingungs mode ist, bzw. ihr naheliegt. Die Verbindungen liegen dabei vorteilhafter Weise im Maximum der Schwingungsbäuche, d.h. an den Punkten maximaler Auslenkung der Biegebalkenfeder 135.

Weiter alternativ können anstatt zweier Schwingungssysteme 1 10, 120 auch eine Mehrzahl von Schwingungssystemen durch die Biegebalkenfeder 135 gekoppelt sein. Dann müssen Anordnung bzw. Betriebsfrequenz der z.B. N Schwingungssys teme derart sein, dass die Biegebalkenfeder N Schwingungsbäuche im Bereich der jeweiligen Verbindungen zu den Schwingungssystemen ausbildet. Dies kann z.B. durch eine gleichmäßige Verteilung der N Schwingungssysteme entlang der Länge L der Biegebalkenfeder zwischen zwei Verbindungspunkten 140 unterstützt wer den, bei der das n-te Schwingungs System an der Position (2n- l )-L/2N der Biege balkenfeder 135 liegt. Benachbarte Schwingungssysteme schwingen dann im Ge gentakt. Bei zwei Schwingungssystemen 1 10, 120 entspricht dies der oben be schriebenen Positionierung bei einem Viertel bzw. drei Viertel der Länge der Bie gebalkenfeder zwischen zwei Verbindungspunkten 140. Es ist auch möglich einige der N Positionen frei zu lassen. Dadurch kann eine Kopplung erreicht werden, in der ein Teil von benachbarten Schwingungssystemen im Gleichtakt läuft.

Durch eine im Wesentlichen frei schwingende Biegebalkenfeder 135 kann also ei ne große Anzahl von Schwingungssystemen in einfacher Weise gekoppelt werden. Andererseits bietet die oben mit Bezug auf die Fig. 1A und 1B beschrieben Varian te mit zwischenliegender Verbindung von Biegebalkenfeder 135 und Substrat 200 den Vorteil, dass die gegenläufig koppelnde Schwingungsmode einfacher ausgebil det wird. Bevorzugter Weise sind bei drei Verbindung der Biegebalkenfeder 135 zum Sub strat 200 diese als Drehfederelemente 132, 134, 136 ausgebildet, wie sie in der Fig. 2 schematisch dargestellt sind. Dies ermöglicht in einfacher Weise eine relati ve Drehung zwischen Biegebalkenfeder 135 zum Substrat 200, bei gleichzeitig fes ter Verbindung zum Substrat.

Die Fig. 2 zeigt schematisch die Ausbildung von Drehmomenten und Kräften auf die Drehfederelemente 132, 134, 136 der Kopplungsvorrichtung 130. Ein erstes Drehfederelement 132 ist hierbei mit einem Ende der Biegebalkenfeder 135 ver bunden, ein zweites Drehfederelement 134 mit der Mitte der Biegebalkenfeder 135 und ein drittes Drehfederelemente 136 mi dem anderen Ende der Biegebalkenfe der 135. Die Drehfederelemente 132, 134, 136 sitzen also an den Verbindungs punkten 140, die in den Fig. 1A und 1B dargestellt sind. Der Aufbau der Biege balkenfeder 135 ist hierbei als symmetrisch zum mittleren, zweiten Drehfederele ment 134 angenommen.

Die Verbindung 1 12 zum ersten Schwingungs System 1 10 sitzt zwischen dem ers ten und dem zweiten Drehfederelement 132, 134, die Verbindung 122 zum zweiten Schwingungssystem 120 zwischen dem zweiten und dem dritten Drehfederelement 134, 136. Bewegt sich das erste Schwingungssystem 1 10 in die positive x- Richtung wirkt eine entsprechende Kraft auf die Biegebalkenfeder 135. Dies ist in der Fig. 2 mit dem Pfeil C dargestellt. Diese Kraft wird über die Biegebalkenfeder 135 auf das erste und das zweite Drehfederelement 132, 134 weitergegeben und führt dort zu einem Drehmoment, wodurch es zu einer Verdrehung der Drehfe derelemente 132, 134 kommt, wie in der Fig. 2 durch drehende Pfeile dargestellt.

In gleicher Weise wirkt vom zweiten Schwingungssystem 120 eine Kraft in negati ve x-Richtung auf die Biegebalkenfeder 135, in der Fig. 2 mit dem Pfeil D darge stellt. Auch diese Kraft wird auf die benachbarten Drehfederelemente 134, 136 weitergeleitet und verursacht dort ein Drehmoment, das eine Drehung der Drehfe derelemente 134, 136 herbeiführt.

Um nun eine gegengleiche Auslenkung der beiden Schwingungssysteme 1 10, 120 zu gewährleisten, müssen sich sämtliche Drehfederelemente 132, 134, 136 um den gleichen Betrag drehen, da ansonsten die Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwingungssystemen 1 10, 120 keine gleich großen und geradlinigen Bewegungen mehr ausführen würden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass die Fe derkonstanten der Drehfederelemente 132, 134, 136 gegenüber Drehungen gemäß den bei der Auslenkung der Schwingungssysteme 1 10, 120 auf die Drehfederele mente 132, 134, 136 wirkenden Drehmomente eingestellt werden. Das erste Dreh federelement 132 hat gegenüber Drehungen eine Federkonstante Kl , das zweite Drehfederelement 134 eine Federkonstante K2 und das dritte Drehfederelement 136 eine Federkonstante K3. Wenn auf das erste Drehfederelement 132 das Drehmoment Ml , auf das zweite Drehfederelement 134 das Drehmoment M2 und auf das dritte Drehfederelement 136 das Drehmoment M3 wirkt, die im Verhältnis M1 :M2:M3 stehen, so gilt vorzugsweise K1 :K2:K3 = M1 :M2:M3. Die Verhältnisse der Drehmomente sind also gleich den Verhältnissen der Federkonstanten gegen über Drehungen.

Bei einem symmetrischen Aufbau, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist, ist das aus den wirkenden Kräften C und D resultierende Drehmoment M2 auf das mittlere Dreh federelement 134 doppelt so groß wie die Drehmomente Ml , M3 auf die äußeren Drehfederelemente 132, 136. Im Fall eines symmetrischen Aufbaus der Verbin dungen zwischen Substrat 200, Biegebalkenfeder 135 und Schwingungs sys fernen 1 10, 120 bietet sich also ein Verhältnis der Federkonstanten von K1 :K2:K3 = 1 :2: 1 an, um eine möglichst lineare und parallele Bewegung der Schwingungssys teme 1 10, 120 zu erzwingen.

Alternativ kann auch bei einem unsymmetrischen Aufbau durch die Wahl ent sprechender Federkonstanten eine lineare Auslenkung der Schwingungssysteme 1 10, 120 gewährleistet werden.

Wie oben erläutert, sind auch Ausgestaltungen ohne das mittlere Drehfederele ment 134 denkbar. Dies hat den Vorteil, dass für eine möglichst gleichmäßige Auslenkung nur die beiden äußeren Drehfederelemente 132, 136 aufeinander ab gestimmt werden müssen. Es kann z.B. ausreichend sein, die Federkonstanten gegenüber Drehungen durch identische Ausgestaltung der äußeren Drehfederele mente 132, 136 gleich auszubilden. Dies vereinfacht den Aufbau der Kopplungs vorrichtung 130 weiter.

In den Fig. 1A bis Fig. 2 ist die Verbindung der Biegebalkenfeder 135 mit dem Substrat als punktförmig dargestellt. Dies ist der Fall, wenn die Biegebalkenfeder 135 durchgängig gestaltet ist und in den Verbindungspunkten 140 z.B. durch in sich verdrehbare Pfosten gestützt ist. Aufgrund der Steife der Biegebalkenfeder 135 und des typischen Materials von MEMS-Drehratensensoren, kann die Biege balkenfeder 135 dann aber nicht sehr weit ausgelenkt werden, ohne beschädigt zu werden. Alternativ zu einer derartigen punktförmigen Lagerung einer durchgängigen Bie gebalkenfeder kann die Biegebalkenfeder 135 an den Verbindungpunkten 140, insbesondere am mittleren Verbindungspunkt 140, auch unterbrochen sein, um ein Drehfederelement 134 einzusetzen, das neben Rotationsbewegungen auch li neare Bewegungen gegenüber dem Substrat 200 durchführen kann. Dadurch lässt sich die Biegebalkenfeder 135 weiter auslenken, da eine Stauchung der Biegebal kenfeder 135 aufgrund der Auslenkung durch eine entsprechende Dehnung des Drehfederelements 134 ausgeglichen werden kann.

Die Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines derartigen Drehfederelements 134. In der Fig. 3 ist die Fähigkeit zur Rotationsbewegung durch die am Verbin dungspunkt 140 mit dem Substrat 200 verbundene Spiralfeder 131 dargestellt. Die Möglichkeit zur linearen Bewegung ist durch die beiden Linearfedern 133 dar gestellt, an denen sich die Biegebalkenfeder 135 anschließt. Dabei handelt es sich nur um vereinfachte Darstellungen für die Erklärung der Funktion des Drehfe derelements 134. Die konkrete Realisierung der entsprechenden Bauteile kann auf vielerlei Arten vorgenommen werden, die einem Fachmann bekannt sind. Insbe sondere sind reine Drehfedern und reine Linearfedern im Bereich von MEMS be kannt. Vorteilhaft ist hier die Kombination dieser beiden Prinzipien in einem Drehfederelement 134.

Die Fig. 3 zeigt das Drehfederelement im nicht ausgelenkten Zustand, wie er auch in der Fig. 1A gezeigt ist. Die Spiralfeder 131 ist nicht verdrillt, die Linearfedern 131 sind weder kontrahiert noch gedehnt. Kommt es nun zu einer Auslenkung, wie sie in der Fig. 2 gezeigt ist, dreht sich die Spiralfeder 131 derart um den Ver bindungspunkt 140, dass die linke Linearfeder 133 nach oben wandert und die rechte Linearfeder 133 nach unten. Gleichzeitig werden durch das Ausbauchen der Biegebalkenfeder 135 im Bereich der Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwin gungssystemen 1 10, 120 die Linearfedern 133 gedehnt, da die Stauchung der Bie gebalkenfeder eine Zugkraft auf das Drehfederelement 134 entstehen lässt.

Durch die Linearfedern 133 - bzw. die Möglichkeit linearer Bewegungen durch das Drehfederelement 134 - wird die Länge der aus mehreren Segmenten zusammen gesetzten Biegebalkenfeder 135 variabel. Dadurch können größere Auslenkungen von z.B. mehr als 2 pm, 5 pm, 10 pm, 15 pm oder 20 pm erreicht werden, wodurch sich die Sensitivität des Drehratensensors 100 erhöht. Derartige Linearfedern zur Längenänderung der Biegebalkenfeder 135 können auch Teil der Biegebalkenfeder 135 sein. Diese weist dann also Abschnitte auf, die sich senkrecht zur eigentlichen Hauptauslenkungsrichtung, d.h. senkrecht zur x- Richtung, verformen können, wie z.B. Gabelungen der Biegebalkenfeder 135 und/oder parallel laufende Abschnitte der Biegebalkenfeder 135.

Durch das Unterteilen der Biegebalkenfeder 135 in mehrere durch Drehfederele mente 134 getrennte Segmente kann die Schwingungsform der Biegebalkenfeder 135 von der einer stehenden Welle abweichen. Um dies zu verhindern, ist es vor teilhaft, die Drehfederelemente 134 möglichst klein auszugestalten, z.B. mit einer Größe kleiner als 1000 pm, 500 pm , 150 pm, 100 pm, 50 pm, 30 pm, 10 pm, oder 5 pm aufweisen. Als Größe der Drehfederelemente 134 kann man hierbei den Durchmesser eines Kreises definieren, in den das Drehfederelement 134 einge passt werden kann oder den Abstand zwischen den durch das Drehfederelement 134 verbundenen Segmenten der Biegebalkenfeder 135.

Ebenso wie die Drehfederelemente 132, 134, 136 können auch die Verbindungen 1 12, 122 zu den Schwindungssystemen 1 10, 120 der Schwingung der Biegebal kenfeder 135 in Form einer stehenden Welle hinderlich sein. Deshalb ist es vor teilhaft, wenn die Breite der Verbindungen 1 12, 122 in y-Richtung kleiner als 250 pm, 200 pm, 150 pm, 100 pm, 50 pm, 30 pm, 10 pm, 5 pm oder 1 pm ist, um eine möglichst geradlinige Bewegung der Biegebalkenfeder 135 im Bereich der Verbin dungen 1 12, 122 zu gewährleisten.

Neben der in den Fig. 1A und 1B dargestellten Kopplungsvorrichtung 130 kann der Drehratensensor 100 einen weitere Kopplungsvorrichtung 130 aufweisen, die vollkommen analog zur zuvor beschriebenen Kopplungsvorrichtung 130 aufgebaut ist. Dies ist schematisch in der Fig. 4 gezeigt.

Das erste und das zweite Schwingungssystem 1 10, 120 befinden sich hierbei in x- Richtung zwischen den beiden Kopplungsvorrichtungen 130, die sich beide in y- Richtung erstrecken. Die Schwingungssysteme 1 10, 120 werden also an ihren beiden Enden von den Kopplungsvorrichtungen 130 geführt, wodurch die Lineari tät und Parallelität der Bewegung weiter verbessert werden kann.

In den Fig. 1A, 1B und 4 ist die Bewegung der Schwingungssysteme 1 10, 120 der art dargestellt, dass das erste Schwingungssystem 1 10 und das zweite Schwin gungssystem 120 stets den gleichen äußeren Umfang haben, der sich mit Bezug auf das Substrat 200 verschiebt. Wie oben bereits erwähnt ist dies nur eine ver- einfachte Darstellung, die nicht den Verhältnissen in einer tatsächlichen Realisie rung entsprechen muss. Die gleichen Auslenkungen für beide Kopplungsvorrich tungen 130 in der Fig. 4 ist dementsprechend ebenfalls als rein schematisch zu verstehen. Auf gleicher Höhe in y-Richtung liegende Abschnitte der Kopplungsvor richtungen 130 müssen nicht zwangsweise genau die gleiche Auslenkung aufwei sen, wenn die Geometrie der Schwingungssysteme 1 10, 120 etwas anderes erfor dert. Ausschlaggebend ist, dass die Kopplungsvorrichtungen 130 die Schwin gungssysteme 1 10, 120 zu entgegengesetzter Bewegung in der x-Richtung zwin gen.

Die Fig. 5A und 5B zeigen eine Ausgestaltung der Schwingungssysteme 1 10, 120, die in Quad-Mass -Sensoren zum Einsatz kommen kann. Hier weist das erste Schwingungs System 1 10 zwei Massen 1 15 auf, die gegeneinander im Gegentakt entlang der x-Richtung schwingen. Ebenso weist das zweite Schwingungssystem zwei Massen 125 auf, die gegeneinander im Gegentakt entlang der x-Richtung schwingen. Das erste Schwingungssystem 1 10 und das zweite Schwingungssystem 120 bilden jedes für sich Dual-Mass-Sensoren, deren Kopplung und detaillierter Aufbau einem Fachmann bekannt sind und hier nicht weiter erläutert werden müssen.

Vorteilhaft bei der Verwendung von Dual-Mass-Sensoren, wie sie in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind, ist, dass sich durch die Schwingungen hervorgerufene Kräf te, wie etwa Federkräfte, innerhalb des Dual-Mass-Sensors kompensieren, d.h. für jede Kraft gibt es eine gleich große, aber entgegen gerichtete Kraft.

Jedoch ist nicht ausgeschlossen, dass es aufgrund der wirkenden Kräfte Dreh momente gibt, die sich nicht vollständig kompensieren. Um dieses Problem zu lö sen schwingen die Massen 1 15 des ersten Schwingungssystems 1 10 und die Mas sen 125 des zweiten Schwingungssystems 120 ebenfalls im Gegentakt. Bewegen sich die Massen 1 15 des ersten Schwingungssystems 1 10 nach innen, führen die Massen 125 des zweiten Schwingungssystems 120 eine Bewegung nach außen aus und umgekehrt, wie in der Fig. 5A durch die Pfeile E gekennzeichnet.

Der Vorteil dieser Anordnung kann der Fig. 5B entnommen werden. Unterliegt der Drehratensensor 100 einer Drehung um eine Achse senkrecht zur Bildebene (durch den Pfeil F in der Fig. 5B symbolisiert), wirkt auf die Massen 1 15 , 125 eine Corioliskraft. Wie in der Fig. 5B schematisch dargestellt ist diese für Drehungen entgegen des Uhrzeigersinns für nach rechts laufende Massen nach unten gerich tet und für nach links laufende Massen nach oben. Die entstehende Corioliskraft kann gemessen werden indem z.B. die Ablenkung der Massen von der rein linea ren Bewegung durch Kondensatoren erfasst wird oder indem über einen Regel kreis die elektrische Spannung festgestellt wird, mit denen Kondensatoren beauf schlagt werden müssen, um eine Abweichung von der linearen Bewegung in x- Richtung zu vermeiden. Dies genaue Art der Ermittlung der Corioliskraft und die daraus erfolgende Ableitung der Drehrate sind an sich bekannt und brauchen hier nicht weiter erörtert zu werden.

Da sich die jeweiligen Massen 1 15, 125 eines Schwingungssystems 1 10, 120 links und rechts vom Zentrum des Schwingungssystems 1 10, 120 befinden, generieren die auf die beiden Massen wirkenden Kräfte gleich gerichtete Drehmomente. Ein einzelnes Schwingungssystem bzw. ein einzelner Dual-Mass-Sensor ist daher zwar kräftefrei, aber nicht ohne weiteres momentfrei.

Die Schwingungssysteme 1 10, 120 in der Quad-Mass -Anordnung der Fig. 5A und 5B sind identisch aufgebaut und schwingen im Gegentakt. Die durch die Coriolis kraft in den beiden Schwingungssystemen 1 10, 120 hervorgerufenen Drehmomen te sind also (bei zeitlicher Mittelung über eine Schwingungsperiode) genau gegen gleich, d.h. vom gleichen Betrag aber von entgegengesetzter Richtung. Dadurch sind Quad-Mass-Sensoren kräfte- und drehmomentenfrei.

Dies wird aber nur für eine im Wesentlichen parallele und geradlinige Schwingung der Massen 1 15, 125 der beiden Schwingungssysteme 1 10, 120 erreicht. Aus die sem Grund ist die Verwendung von Kopplungsvorrichtungen 130, wie sie oben beschrieben wurden, für Quad-Mass-Sensoren besonders vorteilhaft, da diese in der Lage sind, beide Schwingungssysteme 1 10, 120 auf die vorteilhaften paralle len und linearen Bahnen zu zwingen. Insbesondere die Verwendung von Biegebal kenfedern 135, die mit den oben beschriebenen Drehfederelementen 132, 134, 136 derart verbunden sind, dass die Biegebalkenfeder 125 bei Anregung der Schwingungen der Schwingungssysteme 1 10, 120 in Form einer stehenden Welle schwingt, ist vorteilhaft, da dann die Schwingungssysteme 1 10, 120 in den Maxi- ma der stehende Welle geführt werden können, die sich ausschließlich entlang der x-Richtung bewegen. Auf diese Weise können robuste, verlässliche und hochpräzi se Drehratensensoren 100 bereitgestellt werden.