Aus der US 5728936 sind bereits Drehratensensoren bekannt, die denen auf der Oberfläche eines Substrats ein erstes und ein zweites Coriolis-Element angeordnet sind. Die Coriolis- Elemente werden zu Schwingungen in einer ersten Achse ange- regt. Die Auslenkungen der Coriolis-Elemente aufgrund einer Coriolis-Kraft in einer zweiten Achse, die ebenfalls paral- lel zum Substrat ist, werden nachgewiesen.

Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Drehratensensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Coriolis-Kräfte und Kräfte, die durch eine Drehbe- schleunigung des Substrats auftreten, unterschiedliche Rich- tungen aufweisen. Der erfindungsgemäße Drehratensensor ist daher weitgehend unempfindlich gegenüber Drehbeschleunigun- gen.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Wenn sich die Schwerpunkte der Coriolis-Elemente senkrecht zu einer Ver- bindungsgeraden zwischen den Schwerpunkten bewegen, so lie- gen die Auslenkungen der Coriolis-Elemente aufgrund der Coriolis-Kraft im zeitlichen Mittel auf ein und derselben Achse, in der eine Drehbeschleunigung keinerlei Kraftkompo- nente ausübt. Die Anregung der Schwingungen der Coriolis- Elemente erfolgt besonders einfach durch ein Antriebsele- ment, welches Antriebskräfte durch Federn überträgt. Das Coriolis-Element kann dabei vollständig an diesem Antrieb- selement aufgehängt werden. Als Anregungsmittel können dabei elektrostatische Kammantriebe an den Antriebselementen vor- gesehen werden. Ein Nachweis der Coriolis-Kraft kann dadurch erfolgen, dass das Coriolis-Element bewegliche Elektroden aufweist, die gegenüber feststehenden Elektroden angeordnet sind. Es können aber auch Nachweiselemente vorgesehen wer- den, auf die die Coriolis-Kräfte mittels Federn übertragen werden. Dabei ist es insbesondere möglich, die Nachweisele- mente so an dem Substrat aufzuhängen, dass nur eine Bewegung in Richtung der Coriolis-Kräfte erfolgt. Störeffekte auf- grund einer Bewegung der beweglichen Elektroden, die nicht in der Nachweisrichtung sind, werden dadurch unterdrückt. Um eine gegenphasige Schwingung der Coriolis-Elemente zu ge- währleisten, sollte sich die gegenphasige Schwingung fre- quenzmäßig eindeutig von der gleichphasigen Schwingung un- terscheiden. Dazu können Kopplungsfedern zwischen Antrieb- selementen und/oder Coriolis-Elementen oder zwischen An- triebselementen und Nachweiselementen vorgesehen werden.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Aufsicht auf einen ersten erfindungsgemäßen Drehratensensor, Figur 2 eine Detailan- sicht des Drehratensensors nach Figur 1, Figur 3 einen Quer- schnitt durch die Figur 2 und die Figuren 4 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele von Drehratensensoren in einer Auf- sicht.

Beschreibung In den Figuren 1-3 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In Figur 1 wird dabei eine Aufsicht auf den gesamten Drehratensensor, in der Figur 2 eine Detailan- sicht eines Teils des Drehratensensors und in der Figur 3 wird eine Seitenansicht eines Querschnitts durch die Figur 2 gezeigt.

In Figur 1 wird eine Aufsicht auf eine in der Figur 1 nicht näher dargestelltes Substrat 1 gezeigt, in dem ein erstes Coriolis-Element 100 und ein zweites Coriolis-Element 200 angeordnet sind. Das erste und das zweite Coriolis-Element 100,200 sind als rechteckige, rahmenförmige Strukturen ausgebildet. Die rahmenförmigen Coriolis-Elemente 100 und 200 umgeben Detektionsmittel 101,201, die in der Figur 1 vereinfacht als Gitterlinien dargestellt sind. Die Detekti- onsmittel werden in der Detailansicht der Figur 2 darge- stellt und weiter unten näher erläutert. Die rahmenförmigen Coriolis-Elemente 100,200 sind von ebenfalls rechteckigen, rahmenförmigen Antriebselementen 102,202 umgeben. Die Ver- bindung zwischen den Antriebselementen 102,202 und den Coriolis-Elementen wird durch Biegefedern 103,203 herge- stellt. Die Biegefedern sind dabei so ausgebildet, dass sie in X-Richtung weich ausgebildet sind und in Y-Richtung steif ausgebildet sind. An den Antriebselementen 102,202 sind bewegliche Elektroden 104,204 befestigt, die kammartig in feststehende Elektroden 105,205 greifen. Die feststehenden Elektroden 105,205 sind durch Lagerblöcke 106,206 fest mit dem Substrat 1 verbunden. Weiterhin sind die Antriebselemen- te 102,202 mittels Federn 107,207 mit weiteren Lagerblök- ken 106,206 verbunden, die ebenfalls fest mit dem Substrat 1 verbunden sind.

Der Drehratensensor ist somit nur über die Lagerblöcke 106, 206 mit dem Substrat 1 verbunden. Sowohl die Coriolis- Elemente 100,200 wie auch die Antriebselemente 102,202 können somit der relativ zum Substrat 1 beliebig bewegt werden. Die Bewegung dieser Elemente wird nur durch die Federelemente 103,203 und 107,207 bestimmt.

Die Federn 107,207 sind so ausgelegt, dass sie in Y- Richtung weich und in X-Richtung steif ausgebildet sind. Die Antriebselemente 102,202 können sich somit im Wesentlichen nur entlang von Bahnen bewegen, die parallel zur Y-Richtung sind. Die Coriolis-Elemente 100,200 sind über die Federn 103,203 mit den Antriebselementen 102,202 verbunden. Die Coriolis-Elemente 100,200 können sich somit relativ zu den Antriebselementen 102,202 im Wesentlichen nur in X-Richtung bewegen. Bei einer Bewegung der Antriebselemente 102,202 in einer Richtung, die parallel zur Y-Richtung ist, werden natürlich auch die Coriolis-Elemente 100,200 in diesen Richtungen bewegt. Relativ zum Substrat 1 sind somit die Coriolis-Elemente 100,200 sowohl in einer Richtung parallel zur Y-Richtung wie auch in X-Richtung beweglich.

Für die Beschreibung der Funktion des Sensors ist noch von jedem der Coriolis-Elemente 100,200 ein Schwerpunkt 110, 210 angegeben. Die Schwerpunkte liegen jeweils im Mittel- punkt der rahmenförmigen Coriolis-Elemente 100,200.

Durch Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen den be- weglichen Elektroden 104,204 und den feststehenden Elektro- den 105, 205 werden die Antriebselemente 102,202 zu Schwin- gungen angeregt. Entsprechend werden auch die Coriolis- Elemente 100,200 zu Schwingungen angeregt. Der Schwerpunkt 110,210 der Coriolis-Elemente 100,200 bewegt sich dann jeweils auf einer Achse, die parallel zur Y-Achse ist. Die Bewegungen der beiden Coriolis-Elemente 100,200 erfolgen somit in Achsen, die parallel zueinander ausgebildet sind.

Die Schwerpunkte bewegen sich dabei ohne die Einwirkung einer Corioliskraft (d. h. ohne eine Drehbewegung des Sub- strats um eine Achse die senkrecht auf dem Substrat 1 steht) auf Geraden die zueinander parallel sind. Wenn es dabei zu einer Drehung des Substrats 1 um die Z-Achse kommt, d. h. um die Achse, die senkrecht auf dem Substrat 1 steht, so wirken auf jedes der Coriolis-Elemente 100,200 Coriolis-Kräfte, die senkrecht zu der Drehachse und senkrecht zu der Bewe- gungsachse sind. Diese Kräfte wirken dann in X-Richtung.

Die beweglichen Elektroden 104,204, zusammen mit den fest- stehenden Elektroden 105,205 und den Antriebselementen 102, 202 bilden somit Anregungsmittel, durch die die Coriolis- Elemente 100,200 zu Schwingungen angeregt werden, bei denen die Schwingungsachsen der Schwerpunkte 110,210 zueinander parallel ausgerichtet sind. Diese Achsen sind dabei in einem gewissen Abstand zueinander angeordnet, der mindestens die laterale Ausdehnung eines der Coriolis-Elemente 100,200 in der X-Richtung beträgt.

Die beiden Antriebselemente 102,202 sind mittels einer Koppelfeder 51 verbunden. Durch diese Koppelfeder wird eine frequenzmäßige Trennung von Schwingungsmoden der Antrieb- selemente 102,202 in Y-Richtung erreicht. Für eine gleich- phasige Schwingung sind nämlich die Federsteifigkeiten der Federn 107,207 in Y-Richtung zu berücksichtigen. Für eine gegenphasige Schwingung ist neben den Federsteifigkeiten der Federn 107,207 auch noch die Federsteifigkeit der Koppelfe- der 51 in Y-Richtung zu berücksichtigen. Die Eigenfrequenzen der gleichphasigen Schwingung unterscheidet sich somit von der Frequenz der gegenphasigen Schwingung, was eine gezielte Anregung der unterschiedlichen Schwingungsmoden erleichtert.

Gewünscht ist hier insbesondere eine Anregung. der Gegenpha- se-Schwingungsmoden, d. h., wenn sich die linke Seite des Drehratensensors nach unten bewegt, soll sich die rechte Seite nach oben bewegen und umgekehrt. Bei einer derartigen gegenphasigen Schwingung der beiden Hälften des Drehraten- sensors werden entsprechend auch gegenphasige Bewegungen der Coriolis-Elemente 100,200 in X-Richtung bewirkt. Die Corio- lis-Elemente 100,200 bewegen sich somit bei einer Drehung entweder aufeinander zu oder entfernen sich voneinander.

D. h. auch diese Elemente führen eine gegenphasige Schwingung aus.

Vorteilhaft ist dabei, dass bezogen auf die Ruhelage der Coriolis-Elemente 100,200 die Bewegung in X-Richtung auf einer gemeinsamen Achse erfolgt. Der Vorteil dieses Prinzips ist, dass eine Drehbeschleunigung um die Z-Achse herum kei- nen unmittelbaren Einfluß auf die Bewegung der Coriolis- Elemente 100,200 ausüben kann, da diese von einer Drehbe- schleunigung um die Z-Achse herum nicht ausgelenkt werden.

Der Drehratensensor ist daher besonders unempfindlich gegen- über Drehbeschleunigungen um die Z-Achse.

In der Figur 2 wird eine vergrößerte Detailansicht der Aus- wertemittel 101 des Coriolis-Elements 100 der Figur 1 ge- zeigt. Das rahmenförmige Coriolis-Element 100 umgibt die Auswertemittel 101. Diese sind als gitterförmige Elektroden 121 ausgebildet, wobei eine Vielzahl von gitterförmigen Elektroden 121 innerhalb der rahmenförmigen Struktur des Coriolis-Elements 100 vorgesehen ist. Zur Stabilisierung sind diese gitterförmigen Elektroden 121 noch mit einem Mittelbalken 130 miteinander verbunden. Jede der Elektroden 121 bewegt sich zusammen mit dem Coriolis-Element 100. Die Elektroden 121 sind zwischen feststehenden Elektroden 122, 123 angeordnet, die durch Lager 106 auf dem Substrat 1 befe- stigt sind. Die Elektroden 112,123 sind somit als festste- hende Elektroden ausgebildet, die sich relativ zum Substrat nicht bewegen.

In der Figur 3 wird ein Querschnitt entlang der Linie III- III der Figur 2 gezeigt. Figur 3 zeigt im Querschnitt das Substrat 1 und eine auf der Oberfläche des Substrats ange- ordnete Leiterbahn 130. Auf dieser Leiterbahn 130 sind die Verankerungen 106 befestigt und somit fest mit dem Substrat 1 verbunden. Die Lager 106 und auch die daran befestigten Elektroden sind elektrisch leitend und werden durch die Leiterbahn 130 parallel geschaltet. Jede der beweglichen Elektroden 121 ist zwischen einer feststehenden Elektrode 122 und einer feststehenden Elektrode 123 angeordnet. Es werden so zwei Kondensatoren gebildet, zum einen zwischen der beweglichen Elektrode 121 und den Elektroden 122 und zum anderen zwischen der beweglichen Elektrode 121 und der fest- stehenden Elektroden 123. Diese beiden Kapazitäten sind als Differentialkapazitäten ausgebildet, d. h. bei einer Zunahme der einen Kapazität verringert sich die andere Kapazität entsprechend. Durch die seitliche Versetzung der Lagerblöcke 106 der beiden Elektrodengruppen 122,123 lassen sich durch entsprechende Leiterbahnen 130 jeweils die entsprechenden Kapazitäten miteinander parallel schalten.

In der Figur 3 ist im Querschnitt sehr gut zu erkennen, dass das Coriolis-Element 100 über dem Substrat 1 angeordnet ist und dass auch die mit dem Coriolis-Element 100 verbundenen Elektroden 121 über dem Substrat 1 angeordnet sind. Im Quer- schnitt wird der Schnitt durch die Lagerblöcke 106 der Elek- troden 122 gezeigt, die durch die Lagerblöcke 106 auf der Leiterbahn 130 angeordnet sind und so fest mit dem Substrat 1 verbunden sind. Die Elektroden 123 werden im Querschnitt der Figur 3 ebenfalls über dem Substrat gezeigt. Sie sind jedoch an einer anderen Stelle mit dem Substrat 1 über eine entsprechende Leiterbahn 130 für diese Elektroden fest mit dem Substrat 1 verbunden.

Für das Substrat 1 und die über dem Substrat angeordneten Elemente wie Corioliselemente 100,200, Antriebselemente 102,202, die Federn und Elektroden wird als Matrial vor- zugsweise Silizium verwendet, welches durch entsprechende Dotierungen leitend ausgebildet ist. Das Substrat kann durch isolierende Schichten dort wo es erfolderlich ist, elek- trisch isoliert werden. Es können aber auch andere Materia- lien wie Keramik, Glas oder Metalle für die Senoren verwen- det werden.

Wesentlich an den Drehratensensoren nach Figur 1 ist, dass bezogen auf die Ruhelage der Schwerpunkte 110,210 der Co- riolis-Elemente 100,200 die Bewegung der Coriolis-Elemente in X-Richtung entlang der Verbindungsachse der Schwerpunkte 110,210 erfolgt und sich infolgedessen die Coriolis- Elemente bei einer gegenphasigen Anregung der Schwingungen der Coriolis-Elemente in X-Richtung auf einer gemeinsamen Achse aufeinander zu bewegen oder voneinander entfernen. Es kann so der störende Einfluß von Drehbeschleunigungen um die Z-Achse bereits durch das mechanische Design des Drehraten- sensors unterdrückt werden.

In der Figur 4 wird die Aufsicht auf ein weiteres Ausfüh- rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehratensensors ge- zeigt. In der Figur 4 wird eine Aufsicht auf ein Substrat 1 gezeigt, auf dem wie in der Figur 1 Coriolis-Elemente 100, 200 angeordnet sind, die von Antriebselementen 102,202 umgeben sind. Coriolis-Elemente 100,200 und Antriebselemen- te 102,202 sind wieder mit Federn 103,203 verbunden. Die Antriebselemente 102,202 sind mittels Federn 107,207 mit Lagerblöcken 106,206 verbunden. Weiterhin sind bewegliche Elektroden 104,204, feststehende Elektroden 105,205 und Lagerblöcke 106 für die feststehenden Elektroden 105,205 vorgesehen. Die beiden Antriebselemente 102, 202 sind mit- tels einer Koppelfeder 51 verbunden. Alle diese Elemente entsprechen den Elementen wie sie bereits in Figur 1 be- schrieben wurden und üben die gleiche Funktion aus.

Im Unterschied zu Figur 1 sind jedoch für den Nachweis der Auslenkung der Coriolis-Elemente 100,200 jeweils ein rah- menförmiges Nachweiselement 140,240 im Inneren der rahmen- förmigen Coriolis-Elemente 100,200 vorgesehen. Die Nachwei- selemente 140,240 sind ebenfalls als rechteckige Rahmen- strukturen ausgeführt, die mittels Federelementen 141,241 mit Lagerblöcken 106,206 mit dem Substrat 1 verbunden sind.

Die Federelemente 141, 241 sind weich in X-Richtung und steif in Y-Richtung und erlauben somit im wesentlichen nur, dass die Nachweisrahmen 140,240 in X-Richtung auslenkbar sind. Die Nachweisrahmen 140,240 sind durch Federelemente 142,242 mit den entsprechenden Coriolis-Elementen 100,200 verbunden. Die Federelemente 142,242 sind in Y-Richtung weich und in X-Richtung steif ausgelegt und übertragen somit besonders gut die Coriolis-Kräfte in X-Richtung. Im Inneren der Nachweisrahmen 140,240 sind wieder gitterförmige Nach- weiselektroden 143,243 angeordnet, die in der Figur 4 nur angedeutet werden. Eine Detailansicht dieser Elemente ent- spricht wieder den Figuren 2 und 3.

Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass die gitterförmigen Elektroden 143,243 nur in X-Richtung beweg- lich sind und somit keine Querbewegung relativ zu den fest- stehenden Elektroden erfolgt. In der Figur 1 bzw. in der Detailansicht nach Figur 2 sind die beweglichen Elektroden 121 unmittelbar mit dem Coriolis-Elemente 100 verbunden, so dass diese beweglichen Elektroden sowohl eine Bewegung in X- Richtung wie auch in Y-Richtung ausführen. Die Bewegung in X-Richtung ist notwendig für die Messung der Auslenkung des Coriolis-Elements 100 in X-Richtung. Die Bewegung in Y- Richtung ist jedoch für die Messung nicht erwünscht und kann eine mögliche Quelle von Fehlern sein. In der Figur 4 sind jedoch die Nachweisrahmen 140,240 und ihre Verankerungen über die Federn 141,241 an das Substrat 1 so ausgeführt, dass die beweglichen Elektroden 143,243 nur eine Bewegung in X-Richtung ausführen. Es wird somit eine mögliche Ursache für Störungen des Mess-Signals beseitigt.

In der Figur 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel ge- zeigt. Die Elemente 100,200,103,203,104,204,105,205, 106,206,107,207 entsprechen den aus der Figur 1 bekannten Elementen und dienen auch den gleichen Funktionen. Im Unter- schied zu Figur 1 sind jedoch die rahmenförmigen Antrieb- selemente 102,202 nicht als vollständige Rahmen, sondern als offene Rahmen ausgeführt. Dadurch ist es möglich, eine direkte Kopplung der beiden Coriolis-Elemente 100,200 mit- tels einer Koppelfeder 52 herzustellen. Durch diese Koppel- feder 52 erfolgt nun eine direkte Kopplung der Schwingungen der Coriolis-Elemente 100,200. Bei einer gleichphasigen Schwingung der beiden Coriolis-Elemente 100,200 wird die Feder 52 nicht verformt, so dass die Federkonstante der Feder 52 für diesen Schwingungsmodus nicht zu berücksichti- gen ist. Bei einer gegenphasigen Schwingung der Coriolis- Elemente 100,200 ist jedoch die Federkonstante der Feder 52 zu berücksichtigen, da diese Feder bei dieser Art der Schwingung verformt wird. Die Eigenfrequenzen der gleichpha- sigen und gegenphasigen Schwingungen der Coriolis-Elemente 100,200 unterscheiden sich somit in der Frequenz, wodurch eine gezielte Anregung der Schwingungsmoden insbesondere der gegenphasigen Schwingungsmoden, erfolgen kann. Dies erfolgt dadurch, dass entsprechende Anregungsfrequenzen für die elektrischen Signale an den feststehenden und beweglichen Elektroden 104,204,105,205 gewählt werden. Eine direkte Kopplung der Antriebselemente 102,202 wie es in der Figur 1 gezeigt wurde, kann in diesem Fall entfallen. Aufgrund der Ausführung der Koppelfeder 52 wird zusätzlich eine frequenz- mäßige Trennung von Schwingungsmoden der Antriebselemente 102,202 in Y-Richtung erreicht. Für eine gleichphasige Schwingung sind nämlich die Federsteifigkeiten der Federn 107,207 in Y-Richtung zu berücksichtigen. Für eine gegen- phasige Schwingung ist neben den Federsteifigkeiten der Federn 107,207 auch noch die Federsteifigkeit der Koppelfe- der 52 in Y-Richtung zu berücksichtigen. Die Eigenfrequenz der gleichphasigen Schwingung unterscheidet sich somit von der Frequenz der gegenphasigen Schwingung, was eine gezielte Anregung der unterschiedlichen Schwingungsmoden erleichtert.

Gewünscht ist auch hier insbesondere eine gezielte Anregung der Gegenphase-Schwingungsmode.

In der Figur 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel ge- zeigt, welches im Wesentlichen der Figur 4 entspricht. Die Bezugszahlen bezeichnen auch die gleichen Gegenstände mit den gleichen Funktionen wie in der Figur 4. Im Unterschied zur Figur 4 sind jedoch die Antriebselemente 102,202 nicht als geschlossene Rahmen ausgeführt, sondern als Rahmen, die auf den einander zugewandten Seiten nicht geschlossen sind.

Diese ermöglicht dann die Anordnung einer Koppelfeder 53 zwischen den Coriolis-Elementen 100,200. Die Koppelfeder 53 ist dabei so ausgelegt, dass sie sowohl in Y-Richtung wie auch in X-Richtung weich ist. Die Feder 53 bewirkt somit eine Kopplung der Schwingungen der Coriolis-Elemente 100, 200 sowohl in Y-als auch in X-Richtung derart, dass sich die gegenphasigen und gleichphasigen Schwingungsmoden in Y- und in X-Richtung jeweils voneinander unterscheiden. Es können somit gezielt die gegenphasigen Schwingungsmoden angelegt werden.

In der Figur 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches im Wesentlichen dem Ausführungs- beispiel in der Figur 4 entspricht. Die Bezugszahlen be- zeichnen wieder die gleichen Gegenstände mit den gleichen Funktionen wie in der Figur 4. Im Unterschied zu Figur 4 sind hier jedoch sowohl die Antriebselemente 102,202 wie auch die Coriolis-Elemente 100,200 nicht als geschlossene Rahmen, sondern als geöffnete Rahmen ausgeführt, die auf den einander zuweisenden Seiten geöffnet sind. Durch diese Maß- nahme ergibt sich die Möglichkeit, die Auswertemittel 143, 243 insbesondere die Nachweisrahmen 140,240 durch eine Koppelfeder 55 miteinander zu verkoppeln. Weiterhin werden die Antriebselemente 102,202 durch eine Koppelfeder 54 miteinander gekoppelt. Durch die Koppelfeder 55 wird in X- Richtung eine Kopplung der Auswertemittel 143,243 bzw. der Nachweisrahmen 140,240 dergestalt erreicht, dass sich die Eigenfrequenzen der gleichphasigen bzw. gegenphasigen Schwingungen in X-Richtung voneinander unterscheiden. Durch die Kopplung der Antriebselemente 102,202 wird erreicht, dass sich die Eigenfrequenzen der gleichphasigen und gegen- phasigen Schwingungen in Y-Richtung frequenzmäßig voneinan- der unterscheiden. Durch die Wahl der richtigen Anregungs- frequenzen kann also sichergestellt werden, dass die Elemen- te der rechten und linken Seite jeweils gegenseitig zueinan- der schwingen, d. h., dass die Antriebselemente 102,202 und auch die Detektionselemente 140,240 jeweils gegenphasig zueinander schwingen.