DE102017130384A1

DE102017130384A1 - Gyroskop mit synchronisierter Masse

Info

Publication number: DE102017130384A1
Application number: DE102017130384.7A
Authority: DE
Inventors: Igor P. Prikhodko; Jeffrey A. Gregory; John A. Geen
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: DE102017130384B4; JP2018100966A; JP6640176B2; CN108204806B; CN108204806A

Abstract

Es werden mikrobearbeitete Trägheitsbauelemente vorgestellt, die mehrere sich linear bewegende Massen aufweisen, welche durch Koppler miteinander gekoppelt sind, die sich linear bewegen, wenn die gekoppelten Massen eine Gegenphasenbewegung zeigen. Die Koppler bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, so dass sich ein Koppler auf einer Seite der beweglichen Massen in eine erste lineare Richtung bewegt und sich ein anderer Koppler auf der gegenüberliegenden Seite der beweglichen Massen in eine der ersten linearen Richtung entgegengesetzte zweite lineare Richtung bewegt. Die Koppler gewährleisten eine ordnungsgemäße Gegenphasenbewegung der Massen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft MEMS-Bauelemente (MEMS - mikroelektromechanisches System) mit mehreren sich bewegenden Massen.
HINTERGRUND
Gyroskope (manchmal einfach als „Gyros“ bezeichnet) sind drehsensitive Bauelemente und können deshalb zum Detektieren von Drehung verwendet werden. MEMS-Gyroskope enthalten in der Regel einen beweglichen Körper, manchmal als „Prüfmasse“ bezeichnet, an den ein elektrisches Signal angelegt wird, um eine Bewegung in erster Linie entlang einer bestimmten Achse zu erzeugen. Dies wird als Antreiben der Prüfmasse bezeichnet, und die Achse, entlang der die Prüfmasse angetrieben wird, wird manchmal als die „Antriebsachse“ bezeichnet. Wenn das Gyroskop eine Drehung erfährt, bewegt sich die Prüfmasse darüber hinaus entlang einer anderen Achse als die Antriebsachse, die manchmal als die Messachse bezeichnet wird. Bei einigen MEMS-Gyroskopen bewirkt eine Drehung, dass sich die Prüfmasse linear entlang der Messachse bewegt. Bei anderen bewirkt eine Drehung, dass sich die Prüfmasse dreht. Die Bewegung der Prüfmasse entlang der Messachse wird detektiert, wodurch eine Anzeige der von dem Gyroskop erfahrenen Drehung bereitgestellt wird.
Einige MEMS-Gyroskope enthalten mehrere Prüfmassen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Prüfmassen können in einem Versuch, eine synchrone Bewegung bereitzustellen, während eine unerwünschte Bewegung entlang entweder der Mess- oder Antriebsachse gesperrt wird, miteinander gekoppelt sein.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNG
Es werden mikrobearbeitete Trägheitsbauelemente vorgestellt, die mehrere sich linear bewegende Massen aufweisen, welche durch Koppler miteinander gekoppelt sind, die sich linear bewegen, wenn die gekoppelten Massen eine Gegenphasenbewegung zeigen. Die Koppler bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen voneinander, so dass sich ein Koppler auf einer Seite der beweglichen Massen in eine erste lineare Richtung bewegt, und sich ein anderer Koppler auf der gegenüberliegenden Seite der beweglichen Massen in eine der ersten linearen Richtung entgegengesetzte zweite lineare Richtung bewegt. Die Koppler gewährleisten eine ordnungsgemäße Gegenphasenbewegung der Massen.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein ausgeglichenes Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement bereitgestellt, das ein Substrat, eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist, und eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist, aufweist. Das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement weist ferner einen ersten Koppler auf, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und zur linearen Bewegung, wenn sich die erste Prüfmasse in eine erste Richtung bewegt und sich die zweite Prüfmasse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, ausgebildet ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines ausgeglichenen Mehrfachmassen-MEMS-Bauelements bereitgestellt, das lineares Bewegen einer ersten Prüfmasse und einer zweiten Prüfmasse in einer Gegenphasenbewegung und lineares translatorisches Bewegen eines die erste und die zweite Prüfmasse koppelnden ersten Kopplers, wenn sich die erste und die zweite Prüfmasse in einer Gegenphasenbewegung linear bewegen, aufweist.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein ausgeglichenes Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement bereitgestellt, das ein Substrat, eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist, und eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist, aufweist. Das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement weist ferner ein Mittel zum Blockieren einer Inphasenbewegung der ersten und der zweiten Prüfmasse.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein MEMS-Bauelement mit synchronisierter Masse bereitgestellt, das ein Substrat, eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zweiten Querachse ausgebildet ist, und eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zweiten Querachse ausgebildet ist, eine dritte Prüfmasse, die durch ein drittes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zweiten Querachse ausgebildet ist, und eine vierte Prüfmasse, die durch ein viertes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zweiten Querachse ausgebildet ist, aufweist. Ferner weist das Bauelement einen ersten Koppler auf, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und zur linearen Bewegung parallel zur ersten Achse, wenn sich die erste Prüfmasse in eine erste Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt und sich die zweite Prüfmasse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt, ausgebildet ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Bauelements mit synchronisierter Masse, das vier miteinander gekoppelte Prüfmassen aufweist, bereitgestellt, wobei das Verfahren Bewegen der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer ersten Achse, lineares translatorisches Bewegen eines die erste und die zweite Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelnden ersten Kopplers, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen, und lineares translatorisches Bewegen eines die dritte und die vierte Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelnden zweiten Kopplers, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen, aufweist.
Bei bestimmten Ausführungsformen wird ein ausgeglichenes MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse bereitgestellt, das ein erstes Substrat, eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Prüfmasse, die über dem Substrat aufgehängt und damit gekoppelt sind und jeweils zum translatorischen linearen Bewegen parallel zur ersten und zweiten Achse ausgebildet sind, und ein Mittel zum Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur ersten Achse aufweist.
Figurenliste
Es werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung beschrieben. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Figuren nicht zwangsweise maßstäblich gezeichnet sind. In mehreren Figuren erscheinende Objekte werden in all den Figuren, in denen sie erscheinen, mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet.

1A ist eine Blockdiagrammdarstellung eines MEMS-Bauelements mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer miteinander gekoppelten Prüfmassen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
Die 1B-1E stellen vier Zustände eines antisymmetrischen (oder Gegenphasen-)Betriebs des MEMS-Bauelements von 1A dar.
1F ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Gyroskops mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer miteinander gekoppelten Prüfmassen, das mehrere sich entgegengesetzt bewegende Läufer auf einer gleichen Seite der Prüfmassen enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
2A stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1A dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar.
2B ist eine Nahansicht eines Haltebands der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art zur Kopplung einer Prüfmasse mit einem beweglichen Schieber.
2C ist eine Nahansicht eines Ankers und Schwenkpunkts der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
2D ist eine Nahansicht eines Scharniers der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
2E-1 ist eine Darstellungsskizze eines schwenkbaren Gelenks der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
2E-2 stellt einen ersten Verformungszustand der Struktur von 2E-1 dar, in dem die schwenkbaren Gelenksegmente in entgegengesetzte Richtungen schwenken.
2E-3 stellt einen zweiten Verformungszustand der Struktur von 2E-1 dar, in dem die schwenkbaren Gelenksegmente jeweils in die gleiche Richtung schwenken.
2F-1 ist eine Nahansicht eines Kastenfederverbinders zur Kopplung benachbarter Prüfmassen in dem Gyroskop von 2A.
2F-2 stellt eine gestattete Bewegung der Struktur von 2F-1 da.
2F-3 stellt eine verhinderte Bewegung der Struktur von 2F-1 dar.
2G ist eine Nahansicht eines die linearen Läufer mit einem schwenkbaren Gelenk des Gyroskops von 2A koppelnden Kopplers.
2H stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1F dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar.
2I stellt einen Verformungszustand des Gyroskops von 2H dar, in dem die Prüfmassen eine Gegenphasenbewegung in die y-Richtung zeigen.
2J ist eine Darstellungsskizze von zwei ausgeglichenen Läufern des Gyroskops von 2I, die einen Verformungszustand zeigt.
2K stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2J dar, bei der die ausgeglichenen Läufer eines Gyroskops durch ein Gelenk, das sich im Wesentlichen senkrecht zu den Längen der Läufer erstreckt, miteinander gekoppelt sind.
2L stellt eine alternative Läuferkonfiguration zu der in 2H gezeigten dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer an ihren Innen- und Außenrändern zurückgehalten werden.
2M stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2L dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer direkt miteinander gekoppelt sind.
2N stellt einen Verformungszustand einer Struktur wie der in 2M gezeigten dar.
3A ist eine Blockdiagrammdarstellung eines MEMS-Bauelements mit vier durch sich linear bewegende Läufer miteinander gekoppelten Prüfmassen.
Die 3B-3E stellen vier Zustände eines antisymmetrischen Betriebs des MEMS-Bauelements von 3A dar.
4A stellt einen ersten Verformungszustand eines MEMS-Gyroskops mit einer Prüfmassenanordnung von vier gekoppelten Prüfmassen und die Prüfmassen koppelnden, sich linear bewegenden Läufern dar.
4B stellt einen zweiten Verformungszustand des MEMS-Gyroskops von 4A dar.
4C stellt ein Gyroskop mit synchronisierter Masse gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung dar.
5 stellt ein Automobil dar, das MEMS-Bauelemente der hierin beschriebenen Arten gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung einsetzen kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Aspekte der vorliegenden Offenbarung stellen mikrobearbeitete oder MEMS-Bauelemente mit mehreren Prüfmassen, die durch sich linear bewegende mechanische Koppler miteinander gekoppelt sind, welche die Bewegung der gekoppelten Prüfmassen auf eine synchrone, lineare Gegenphasenbewegung beschränken, bereit. Die Koppler bewegen sich linear, während die Prüfmassen eine lineare Gegenphasenbewegung zeigen, anstatt zu schwenken oder sich zu drehen. Somit werden sie hierin bei mindestens einigen Ausführungsformen als „Läufer“ bezeichnet und dienen als Kopplungs- und Bewegungsübertragungsmechanismen.
Bei einigen Ausführungsformen enthält das MEMS-Bauelement mehrere solche Läufer, die dahingehend ausgebildet sind, sich in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, wodurch ein ausgeglichener Betrieb ohne Nettoimpuls von der linearen Bewegung der Läufer bereitgestellt wird. Dies kann eine unerwünschte Bewegung der Prüfmassen verhindern, wodurch ein Sperren von Linear- und Winkelbeschleunigungen gewährleistet wird. Die sich entgegengesetzt bewegenden Läufer können im Wesentlichen die gleichen Massen und/oder Verschiebungen aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen sind zwei oder mehr Prüfmassen eines MEMS-Bauelements in einer Prüfmassenanordnung angeordnet, wobei Läufer auf einander gegenüberliegenden Seiten der Prüfmassenanordnung positioniert sind. Die Läufer auf einander gegenüberliegenden Seiten der Prüfmassenanordnung können sich linear in entgegengesetzte Richtungen bewegen, wodurch ein ausgeglichener Betrieb bereitgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen sind mehrere sich entgegengesetzt bewegende Läufer sowohl auf der gleichen Seite der Prüfmassenanordnung als auch auf gegenüberliegenden Seiten der Prüfmassenanordnung vorgesehen. Somit können bei einigen Ausführungsformen vier oder mehr Läufer in einem MEMS-Bauelement vorgesehen sein.
Verschiedene Arten von MEMS-Bauelementen können Läufer der hierin beschriebenen Arten enthalten. Zum Beispiel können MEMS-Gyroskope, -Beschleunigungsmesser und -Resonatoren zwei oder mehr Prüfmassen enthalten, die durch ausgeglichene Läufer der hierin beschriebenen Arten gekoppelt sind. Es sind auch andere mikrobearbeitete Bauelemente möglich.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind Läufer der hierin beschriebenen Arten in einem MEMS-Gyroskop enthalten und koppeln zwei sich linear bewegende Prüfmassen des MEMS-Gyroskops. Die Koppler können dahingehend ausgebildet sein, sich linear zu bewegen, wenn die Prüfmassen entlang einer Antriebsachse angetrieben werden und/oder beim Erfassen von Bewegung der Prüfmassen entlang einer Messachse. Die Koppler können zum Beispiel dahingehend angeordnet sein, sich als Reaktion darauf, dass das Gyroskop eine Drehung erfährt, linear zu bewegen. Die Läufer können einer Bewegung widerstehen, wenn das Gyroskop einen Stoß oder andere Formen von Beschleunigung (zum Beispiel eine Linear- oder Winkelbeschleunigung) erfährt, und deshalb können solche Koppler einsetzende Gyroskope eine reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit zeigen und können als beschleunigungsunempfindliche Gyroskope bezeichnet werden. Bei einigen Ausführungsformen sind die Läufer dahingehend angeordnet, eine synchrone Bewegung sowohl im Antriebs- als auch im Messmodus des Gyroskops oder des anderen MEMS-Sensors bereitzustellen.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein Gyroskop mit synchronisierter Masse bereitgestellt, das vier durch Läufer der hierin beschriebenen Arten gekoppelte Prüfmassen enthält. Die Läufer können dahingehend ausgebildet sein, eine lineare Gegenphasenbewegung der vier gekoppelten Prüfmassen zu erzwingen. Dies kann einen impulsausgeglichenen Betrieb des Gyroskops mit synchronisierter Masse erleichtern. Darüber hinaus können die Läufer selbst impulsausgeglichen sein, so dass ihre eigene Bewegung das Gyroskop nicht mit einem Nettoimpuls beaufschlagt.
1A stellt eine vereinfachte Form eines MEMS-Bauelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung mit zwei durch sich linear bewegende Koppler („Läufer“), die einer symmetrischen Bewegung (auch als „Inphasenbewegung“ bezeichnet) der Prüfmassen widerstehen (oder sie blockieren) und eine antisymmetrische Bewegung (auch als „Gegenphasenbewegung“ bezeichnet) der Prüfmassen gestatten, miteinander gekoppelten Prüfmassen. Das MEMS-Bauelement 100 enthält eine erste Prüfmasse 102a, eine zweite Prüfmasse 102b, ein Substrat 104, Haltebänder 106a, 106b, 106c, 106d, 106e und 106f, Läufer 108a und 108b und einen Koppler 114.
Die Prüfmassen 102a und 102b werden in vereinfachter Blockdiagrammform gezeigt, sie können jedoch eine beliebige geeignete Größe und Form aufweisen und können aus irgendeinem geeigneten Material bzw. irgendwelchen geeigneten Materialien gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Prüfmassen 102a und 102b im Wesentlichen rechtwinklig, wie beispielsweise im Wesentlichen quadratisch. Sie können aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Die Prüfmassen 102a und 102b können bei mindestens einigen Ausführungsformen im Wesentlichen identisch sein.
Das Substrat 104 kann ein Siliziumsubstrat (zum Beispiel ein aus einem Siliziumwafer ausgeschnittenes Silizium-Die) oder ein anderes Substrat sein, das mit Mikrobearbeitungstechniken kompatibel ist. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 104 aus dem gleichen Material wie die Prüfmassen 102a und 102b gebildet. Die Prüfmassen 102a und 102b können durch geeignete Mikrobearbeitungstechniken, wie zum Beispiel durch Lithographie- und Ätzprozesse, aus dem Substrat 104 gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Bildung der Prüfmassen 102a und 102b einen Löseschritt aufweisen, bei dem die Prüfmassen aus dem Substrat 104 gelöst und somit durch einen Spalt (oder einen Hohlraum) von dem Substrat getrennt werden.
Wie gezeigt sind die Prüfmassen 102a und 102b durch Haltebänder 106a-106f, die irgendeine geeignete Form annehmen können, mit dem Substrat 104 gekoppelt. Ein nicht einschränkendes Beispiel für eine geeignete Haltebandstruktur ist ein gefaltetes Halteband, von dem ein Beispiel unten in Verbindung mit 2B beschrieben wird. Die Haltebänder gestatten, dass sich die Prüfmassen 102a und 102b bezüglich des Substrats 104 bewegen. Die Prüfmassen können zwei Freiheitsgrade haben, was bedeutet, dass sie sich allgemein entlang mindestens zwei Achsen bewegen können. Dies gestattet, dass die Prüfmassen sowohl in einem Antriebsmodus, in dem sie durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Signals aktiv angetrieben werden, als auch in einem Messmodus, in dem sie sich als Reaktion auf das Erfahren eines Zustands, wie zum Beispiel einer Coriolis-Kraft (im Falle eines Gyroskops), bewegen, betrieben werden können. Die Prüfmassen können auch dahingehend ausgebildet sein, als Reaktion auf eine Beschleunigung (im Falle eines Beschleunigungsmessers) symmetrisch mit unabhängigen Reaktionen in den zwei Freiheitsgraden zu reagieren. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b in Anbetracht der Situation, in der es sich bei dem MEMS-Bauelement 100 um ein Gyroskop handelt, so ausgebildet und mit dem Substrat 104 gekoppelt sein, dass sie sich sowohl entlang der x- als auch der y-Achse bewegen können. Zum Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b entlang der x-Achse angetrieben werden und sich als Reaktion auf eine Drehung R des MEMS-Bauelements um einen Punkt 112 entlang der y-Achse bewegen. Die Haltebänder 106a-106f können eine geeignete Konfiguration aufweisen, um solch eine Bewegung zu gestatten. Des Weiteren können alternative oder zusätzliche Haltebänder enthalten sein, um solch eine Bewegung zu gestatten. Somit sollte auf der Hand liegen, dass die Darstellung der Haltebänder 106a-106f eine Verallgemeinerung zur Kopplung der Prüfmassen 102a und 102b mit dem Substrat 104 darstellt und dass verschiedene Anbindeanordnungen gemäß Aspekten der vorliegenden Anmeldung implementiert werden können. Die unten beschriebene 2A stellt ein Beispiel für eine geeignete Anbindeanordnungen bereit.
Der Koppler 114 stellt eine Verallgemeinerung eines Mechanismus zum Miteinanderkoppeln der Prüfmassen 102a und 102b dar. Der Koppler 114 kann eine Rahmenfederverbindung, eine Verbindung mit geradem Träger oder irgendein anderer geeigneter Koppler sein. Alternative Kopplungssysteme von Prüfmasse zu Prüfmasse können implementiert werden, darunter die Verwendung von zusätzlichen Kopplern. Einige Beispiele werden unten in Verbindung mit 2A beschrieben. Der Koppler 114 kann in einem Versuch der Bereitstellung einer synchronen Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b verwendet werden. Ein Beispiel für solch eine Bewegung wird unten in Verbindung mit den 1B-1E beschrieben.
Die Prüfmassen 102a und 102b sind darüber hinaus durch Läufer 108a und 108b gekoppelt, die sich linear oder translatorisch bewegen, wenn die Prüfmassen 102a und 102b eine antisymmetrische (oder „Gegenphasen“-)Bewegung in der y-Richtung zeigen. Die Läufer sind dahingehend ausgebildet, sich linear in die durch die Pfeile 110a und 110b dargestellten Richtungen, in diesem Fall die positive und die negative x-Richtung, zu bewegen. Insbesondere schränken die Läufer 108a und 108b die Prüfmassen 102a und 102b auf eine lineare Gegenphasenbewegung ein, wobei sie sich selbst linear bewegen, wenn sich die Prüfmassen 102a und 102b auf antiparallele Weise entlang der y-Richtung bewegen, aber einer Bewegung widerstehen oder diese blockieren, bei der sich die Prüfmassen auf parallele Weise entlang der y-Richtung bewegen. Somit verläuft bei mindestens einigen Ausführungsformen die lineare Bewegung der Läufer in einer senkrecht zu der entsprechenden Bewegung der Prüfmassen verlaufenden Richtung. In der nicht einschränkenden Situation, in der es sich bei dem MEMS-Bauelement 100 um ein Gyroskop handelt, kann die y-Richtung die Antriebs- oder Messrichtung darstellen, und somit können die Läufer 108a und 108b die Prüfmassen im Antriebs- oder Messmodus auf eine lineare Gegenphasenbewegung beschränken. Wie weiter unten beschrieben wird, können zusätzliche Läufer vorgesehen sein, um eine lineare Gegenphasenbewegung sowohl im Antriebs- als auch Messmodus zu gewährleisten, und bei mindestens einigen Ausführungsformen kann die Kombination aus Läufern sowohl im Antriebs- als auch im Messmodus eine lineare Gegenphasenbewegung mit null Nettoimpuls gewährleisten.
Die Läufer 108a und 108b bewegen sich bei mindestens einigen Ausführungsformen in entgegengesetzte Richtungen. Wenn sich der Läufer 108a zum Beispiel entlang der Richtung der x-Achse nach rechts bewegt, kann sich der Läufer 108b entlang der Richtung der x-Achse nach links bewegen, und umgekehrt. Diese lineare Bewegung der Läufer kann durch eine geeignete Konfiguration des Läufers selbst und/oder der Art und Weise, auf die er mit den Prüfmassen gekoppelt ist, erreicht werden. Bei einigen Ausführungsformen sind die Läufer starre Stäbe, die mit schwenkbaren Gelenken gekoppelt sind, welche wiederum mit den Prüfmassen 102a und 102b gekoppelt sind. Die Schwenkbewegung der schwenkbaren Gelenke kann zu einer linearen Bewegung der Läufer 108a und 108b führen. Ein Beispiel wird unten in Verbindung mit 2A beschrieben.
Die Läufer 108a und 108b können aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. Bei mindestens einigen Ausführungsformen sind die Läufer 108a und 108b aus dem gleichen Material wie die Prüfmassen 102a und 102b gebildet und sind durch geeignete Mikrobearbeitung (zum Beispiel Lithographie und Ätzen) aus dem Substrat 104 gebildet. Die Läufer 108a und 108b können im Wesentlichen identisch sein, einschließlich im Wesentlichen identische Massen aufweisen, um dem MEMS-Bauelement 100 Symmetrie zu verleihen. Die Läufer 108a und 108b können Längen parallel zur x-Achse und Breiten parallel zur y-Achse haben, wobei die Längen als nicht einschränkendes Beispiel zwischen dem 2-Fachen und dem 100-Fachen größer als die Breiten (oder irgendein Wert innerhalb dieses Bereichs) sind.
Obgleich 1A in vereinfachter Form zwei Läufer 108a und 108b darstellt, sollte auf der Hand liegen, dass mehr als zwei Läufer enthalten sein können und bei einigen Ausführungsformen sind. Bei einigen Ausführungsformen sind mehr als zwei Läufer auf einer gegebenen Seite der Prüfmassen 102a und 102b vorgesehen. Die mehreren Läufer auf einer gegebenen Seite können dahingehend ausgebildet sein, sich in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen, wobei eine impulsausgeglichene Konfiguration bereitgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen sind mehrere Läufer auf mehreren Seiten einer Anordnung von Prüfmassen enthalten, wobei sich eine gleiche Anzahl der Läufer in entgegengesetzte Richtungen bewegt, um eine ausgeglichene Bewegung bereitzustellen und somit das MEMS-Bauelement mit keinem Nettoimpuls zu beaufschlagen. Ein Beispiel wird unten in Verbindung mit 1F beschrieben.
Es sollte auf der Hand liegen, dass das MEMS-Bauelement 100 wahlweise Merkmale zusätzlich zu den dargestellten enthalten kann und dass die Beschaffenheit jeglicher solcher zusätzlichen Merkmale von der Art des Bauelements (zum Beispiel Gyroskop, Beschleunigungsmesser, Resonator) abhängen kann. Zum Beispiel können ein oder mehrere Anker enthalten sein, um Komponenten, wie zum Beispiel die Prüfmassen 102a und 102b, mit dem Substrat 104 zu verankern. Elektrische Merkmale, die Ansteuer- und Messelektroden aufweisen, können enthalten sein und können irgendeine Form zur Bereitstellung eines Ansteuer- und Messbetriebs annehmen. Es können auch andere Merkmale enthalten sein.
Wie oben beschrieben, kann ein MEMS-Bauelement (zum Beispiel ein Gyroskop) bei mindestens einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung mehrere Prüfmassen enthalten, die dahingehend ausgebildet sind, eine synchrone, antisymmetrische Bewegung zu zeigen. Zum Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b des Gyroskops 100 miteinander gekoppelt sein, um eine synchrone, antisymmetrische Bewegung bereitzustellen. Die 1B-1E stellen Zustandsdiagramme einer solchen antisymmetrischen Bewegung dar. In diesen Figuren weisen die x- und y-Achsen die gleiche Ausrichtung wie in 1A auf.
Zur Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei dem MEMS-Bauelement 100 um ein Gyroskop handelt und dass die x-Achse die Richtung der Antriebsbewegung darstellt. Das heißt, die Prüfmassen 102a und 102b werden entlang der x-Achse angetrieben. Die y-Achse stellt die Richtung der Reaktion auf eine Drehung dar und kann in diesem Beispiel somit als die Messachse betrachtet werden.
Die 1B und 1C stellen die Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b im Antriebsmodus dar und zeigen, dass die Bewegung antisymmetrisch ist. Wie in 1B gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach links (in die negative x-Richtung) bewegt, nach rechts (in die positive x-Richtung). Wie in 1C gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach rechts (in die positive x-Richtung) bewegt, nach links (in die negative x-Richtung). Die Bewegung kann insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.
Die 1D und 1E stellen eine antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b im Messmodus dar. Wie in 1D gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach oben (in die positive y-Richtung) bewegt, nach unten (in die negative y-Richtung). Wie in 1E gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach unten (in die negative y-Richtung) bewegt, nach oben (in die positive y-Richtung). Die Bewegung kann wieder insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.
Obgleich die 1B-1E eine Linearbewegung in von oben nach unten und von links nach rechts verlaufenden Richtungen darstellen, sollte auf der Hand liegen, dass jegliche Kombination einer solchen Bewegung durch ein MEMS-Bauelement implementiert werden kann. Zum Beispiel kann die Bewegung der Massen unter anderem stattdessen entlang einer diagonalen Richtung (zum Beispiel in einem Winkel von 45 Grad zu der x- und y-Achse) verlaufen. Zum Beispiel kann die Antriebsachse in einem Winkel von 45° zur x-Achse liegen, und die Messachse kann in einem Winkel von 135° zur x-Achse liegen. Es sind auch andere Ausrichtungen möglich. Obgleich die 1B-1C als einen Antriebsmodus des Betriebs und die 1D-1E als einen Messmodus betreffend beschrieben werden, sollte auf der Hand liegen, dass die Antriebs- und Messrichtungen auch umgedreht sein können. Im Allgemeinen sollte auf der Hand liegen, dass die 1B-1E lediglich ein Beispiel für eine Gegenphasenbewegung darstellen, die durch ein MEMS-Bauelement mit zwei beweglichen Massen implementiert werden kann, und dass die Bewegungsrichtungen und Bezeichnung des Antriebs- und Messmodus verschiedene Formen annehmen können. Zum Beispiel können der Antriebs- und Messmodus im Vergleich zu dem Beschriebenen umgedreht sein.
Die in den 1B-1E dargestellte antisymmetrische (oder „Gegenphasen-‟)Bewegung kann bei mindestens einigen Ausführungsformen wünschenswert sein. Die Läufer 108a und 108b sind bei mindestens einigen Ausführungsformen dahingehend ausgebildet, die Prüfmassen auf eine Gegenphasenbewegung entlang mindestens einer der Achsen (zum Beispiel einer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Läufer verlaufenden Achse) zu beschränken. Zum Beispiel können die Läufer eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen im Antriebsmodus, im Messmodus oder in beiden erzwingen. Dies wird bei einigen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass die Läufer einer symmetrischen Bewegung widerstehend ausgeführt werden. Ein Beispiel für eine geeignete Läuferkonfiguration, die einer solchen symmetrischen Bewegung widersteht und diese deshalb blockiert, wird in 2A dargestellt und weiter unten beschrieben.
Wie oben beschrieben, kann das MEMS-Bauelement bei einigen Ausführungsformen mehrere Läufer auf einer einzigen Seite der gekoppelten Prüfmassen enthalten. Erneut auf 1A Bezug nehmend, kann eine Bewegung der Läufer 108a und 108b in entgegengesetzte Richtungen die gewünschte antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b bereitstellen, kann aber unerwünschterweise eine symmetrische Bewegung der Prüfmassen durch Bereitstellung eines nichtlinearen Nettoimpulses zwischen den Läufern gestatten. Somit stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung Gyroskope mit ausgeglichenen Läuferkonfigurationen bereit, bei denen kein Nettoimpuls und keine andere Form von Ungleichgewicht, der bzw. das sich aus der linearen Bewegung der Läufer ergibt, vorliegt. 1F stellt ein Beispiel dar.
Das MEMS-Bauelement 120 von 1F, bei dem es sich um irgendeine der zuvor beschriebenen Arten von MEMS-Bauelementen handeln kann, enthält viele der gleichen Komponenten wie das MEMS-Bauelement 100 von 1A, unterscheidet sich aber darin, dass mehrere Läufer auf den gleichen Seiten der Prüfmassen 102a und 102b vorgesehen sind. Das heißt, zusätzlich zu den Läufern 108a und 108b sind Läufer 122a und 122b enthalten. Wie die Läufer 108a und 108b können die Läufer 122a und 122b zur linearen Bewegung ausgebildet sein und können eine antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b entlang der y-Achse gestatten oder diese erzwingen, während eine symmetrische Bewegung entlang der y-Achse verhindert wird. Des Weiteren kann der Läufer 122a dahingehend ausgebildet sein, sich in eine entgegengesetzte Richtung zu der des Läufers 108a zu bewegen, und der Läufer 122b kann dahingehend ausgebildet sein, sich in eine entgegengesetzte Richtung zu der des Läufers 108b zu bewegen. Auf diese Weise wird das MEMS-Bauelement 120 durch die lineare Bewegung der Läufer 108a, 108b, 122a und 122b mit keinem Nettoimpuls beaufschlagt. Darüber hinaus können die Läufer 122a und 122b Massen aufweisen, die im Wesentlichen gleich sind und denen der Läufer 108a und 108b im Wesentlichen entsprechen, wodurch eine ausgeglichene Konfiguration bereitgestellt wird, die keinen mit der linearen Bewegung der Läufer verbundenen linearen Nettoimpuls hat, weil sie gleiche Massen aufweisen, die sich im gleichen Ausmaß in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
Die Läufer 122a und 122b können aus dem gleichen Material wie die Läufer 108a und 108b gebildet sein und können auf im Wesentlichen gleiche Weise gebildet sein, indem sie zum Beispiel während der gleichen Lithographie- und Ätzschritte wie zur Bildung der Läufer 108a und 108b verwendet gebildet werden.
2A stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1A dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar. Obgleich ein Gyroskop gezeigt und beschrieben wird, versteht sich, dass andere Arten von MEMS-Bauelementen die hierin dargestellten Läufer und Strukturen verwenden können, wie zum Beispiel Resonatoren und Beschleunigungsmesser, aber nicht darauf beschränkt. Das Gyroskop 200 enthält Prüfmassen 202a und 202b, die durch sich linear bewegende Läufer 208a und 208b gekoppelt sind. Darüber hinaus enthält das Gyroskop 200 Schieber 204a und 204b, die den Prüfmassen 202a bzw. 202b entsprechen, und mehrere schwenkbare Gelenke 206a-206h. Die schwenkbaren Gelenke 206a, 206b, 206c und 206d entsprechen der Prüfmasse 202a, und die schwenkbaren Gelenke 206e, 206f, 206g und 206h entsprechen der Prüfmasse 202b. Des Weiteren enthält das Gyroskop Haltebänder 212, die die Prüfmassen 202a und 202b mit den jeweiligen Schiebern 204a und 204b koppeln. In diesem nicht einschränkenden Beispiel sind acht Haltebänder 212 vorgesehen, die jede der Prüfmassen mit ihrem jeweiligen Schieber koppeln. Anker 210 stützen die schwenkbaren Gelenke 206a - 206h und somit die Schieber 204a und 204b, wobei die schwenkbaren Gelenke und Schieber durch Scharniere 214 verbunden sind. In diesem Beispiel sind acht Anker 210 jeder der Prüfmassen zugeordnet. Elektrodenbereiche 216 können Elektroden zum Ansteuern der Prüfmassen 202a und 202b entlang der x-Achse enthalten oder aufnehmen, und Elektrodenbereiche 218 können Elektroden zum Messen einer Bewegung der Prüfmassen 202a und 202b entlang der y-Achse als Reaktion auf eine Drehung des Gyroskops in der Ebene der Seite enthalten oder aufnehmen.
Die Schieber 204a und 204b sind beweglich und sind ferner optional. Wie gezeigt, ist jeder der Schieber 204a und 204b in diesem nicht einschränkenden Beispiel segmentiert. Anders ausgedrückt, die dargestellten Schieber können als mehrteilige Schieber betrachtet werden, oder die Schieber 204a und 204b könnten ebenso jeweils als vier getrennte Schieber betrachtet werden. Zur Beschreibung wird der Schieber 204a hierin als vier Segmente (oder Teile) 205a, 205b, 205c und 205d enthaltend beschrieben. Der Schieber 204b wird hierin als vier Segmente (oder Teile) 205e, 205f, 205g und 205h enthaltend beschrieben. Mehrteilige Schieber dieser Art gestatten, dass sich ein Abschnitt (oder Teil) des Schiebers im Antriebsmodus und ein anderer Abschnitt im Messmodus bewegt.
Wie beschrieben sind die Schieber optional. Sie können dazu enthalten sein, eine Fehlausrichtung der Antriebskraft und/oder eine Fehlausrichtung der Messkraft zu unterdrücken, indem sie einer orthogonal zu der gewünschten Bewegung verlaufenden Bewegung widerstehen. Jedoch enthalten nicht alle Ausführungsformen solche Schieber. Einige Ausführungsformen enthalten Prüfmassen, schwenkbare Gelenke und Läufer, aber keine Schieber. Die Prüfmasse kann bei solchen Ausführungsformen direkt mit dem schwenkbaren Gelenk gekoppelt sein.
Die schwenkbaren Gelenke 206a-206h sind dazu enthalten, eine Phasenquadratur zu reduzieren oder vollständig zu beseitigen. Eine Phasenquadratur ist die Bewegung der Prüfmassen in die orthogonal zur Antriebsbewegung, die idealerweise 90° außer Phase mit der Coriolis-Reaktion ist, verlaufende Richtung. In der Regel ist eine Phasenquadratur unerwünscht, da das Gyroskop möglicherweise nicht dazu in der Lage ist, zwischen sich aus der Phasenquadratur ergebenden elektrischen Signalen im Gegensatz zu jenen, die aus Drehung resultieren, zu unterscheiden, und somit kann die Genauigkeit des Gyroskops beim Detektieren von Drehung durch das Auftreten von Phasenquadratur beeinträchtigt werden.
Jedes der dargestellten schwenkbaren Gelenke enthält zwei Segmente, die durch einen Verbinder 217 verbunden sind, von dem ein Beispiel unten in Verbindung mit den 2E-1, 2E-2 und 2E-3 beschrieben wird. Die beiden Segmente des schwenkbaren Gelenks können im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. In diesem Betriebszustand, der bei allen schwenkbaren Gelenken dem in 2A gezeigten Zustand entspricht, bilden die beiden Segmente des schwenkbaren Gelenks zusammen einen im Wesentlichen starren Stab in einer Gleichgewichtsposition. Wenn sich ein Schieber linear von einem gegebenen schwenkbaren Gelenk weg bewegt, kann sich das schwenkbare Gelenk durchbiegen (oder krümmen), da sich der Verbinder biegen kann. Der Verbinder 217 kann jedoch einer Torsion und/oder einer Scherung widerstehen, wodurch ein Kippen des schwenkbaren Gelenks blockiert und eine Drehung des Schiebers (und der damit verbundenen Masse) verhindert wird. Das schwenkbare Gelenk reduziert oder verhindert vollständig eine Phasenquadraturbewegung des Gyroskops, indem es eine unerwünschte Drehung oder ein Kippen des Schiebers (und der damit verbundenen Masse) blockiert, während die gewünschte Linearbewegung gestattet wird.
Die schwenkbaren Gelenke sind an Drehpunkten mit den Ankern 210 verbunden und sind durch die Scharniere 214 an den Schiebern angelenkt. Auf diese Weise können die schwenkbaren Gelenke als Reaktion darauf, dass die Schieber 204a und 204b angetrieben werden, sowie als Reaktion darauf, dass sich die Schieber 204a und 204b infolge des Erfahrens einer Coriolis-Kraft bewegen, um die Anker 210 schwenken.
Das nicht einschränkende Beispiel von 2A stellt ein MEMS-Bauelement dar, dass eine Symmetrie zeigt. Nicht alle Ausführungsformen sind in dieser Hinsicht beschränkt.
2B stellt eine Nahansicht des Haltebands 212 des Gyroskops 200 von 2A dar. In diesem nicht einschränkenden Beispiel ist das Halteband 212 ein doppelt gefaltetes Halteband, das an einem einzigen Punkt mit dem Schieber 204a (oder 204b) und an zwei Punkten mit der Prüfmasse 202a (oder 202b) verbunden ist. Die Form des Haltebands ist nicht einschränkend, da verschiedene geeignete Haltebandkonfigurationen verwendet werden können, um eine Bewegung der Prüfmasse bezüglich des Schiebers zu gestatten.
2C ist eine Nahansicht eines Ankers 210 und Schwenkpunkts der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art. In diesem nicht einschränkenden Beispiel stützt der Anker 210 das schwenkbare Gelenk 206a am Drehpunkt 223. Der Schieber 204a weist eine Form auf, die der Form des Ankers 210 allgemein entspricht, aber nicht direkt oder starr mit dem Acker 210 verbunden ist und sich somit bezüglich des Ankers 210 bewegen kann. Angesichts der dargestellten verschachtelten Anordnung des Ankers 210 und des Schiebers 204a sollte auf der Hand liegen, dass sich der Schieber deutlich mehr in die durch den Pfeil 220 dargestellte Richtung als in die durch den Pfeil 222 dargestellte Richtung bewegen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann sich der Schieber überhaupt nicht in die Richtung von Pfeil 222 bewegen. Die anderen Anker des Gyroskops 200 können bezüglich der schwenkbaren Gelenke, mit denen sie verbunden sind, im Wesentlichen die gleiche Ausführung und Anordnung aufweisen.
2D ist eine Nahansicht eines Scharniers der in dem Gyroskop 200 von 2A enthaltenen Art. Das Scharnier 214 enthält einen L-förmigen Biegeträger 224 in dem schwenkbaren Gelenk 206a (oder anderen schwenkbaren Gelenk des Gyroskops), der ein Schwenken gestattet und ein translatorisches Bewegen des schwenkbaren Gelenkssegments bezüglich des Drehpunkt 225 verhindert. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich. Das schwenkbare Gelenk 206a verbindet den Schieber 204a in diesem nicht einschränkenden Beispiel an einer einzigen Ecke 225. Gemäß einer Ausführungsform weisen alle Scharniere des Gyroskops 200 im Wesentlichen die gleiche Konfiguration auf.
2E-1 ist eine Darstellungsskizze eines mittleren Teils eines schwenkbaren Gelenks, der einen Verbinder 217 der die Segmente eines schwenkbaren Gelenks verbindenden Art enthält, wie er durch jegliche und alle der schwenkbaren Gelenke 206a-206h eingesetzt werden kann. Der Verbinder 217 ist in 2E-1 insbesondere bezüglich des schwenkbaren Gelenks 206a und der Segmente 207a und 207b dargestellt, aber die gleiche Konfiguration kann auch auf die anderen schwenkbaren Gelenke des Gyroskops 200 angewandt werden. Das schwenkbare Gelenk 206a enthält die Segmente 207a und 207b. Der Verbinder 217 kann ein relativ schmaler und kurzer Träger sein, der die beiden Segmente 207a und 207b miteinander koppelt. Der Verbinder 217 kann sich durchbiegen, wenn die beiden Segmente 207a und 208b um ihre jeweiligen Drehpunkte an den Ankern 210 in entgegengesetzte Richtungen schwenken, können aber Scherung oder Torsion widerstehen. Somit kann der Verbinder 217 ein Schwenken der beiden Segmente 207a und 207b in die gleiche Richtung verhindern. 2E-2 und 2E-3 stellen eine gestattete und gesperrte Bewegung der Struktur von 2E-1 dar.
In 2E-2 schwenken die Segmente 207a und 207b in voneinander entgegengesetzte Richtungen um ihre Drehpunkte, die von ihren jeweiligen Ankern 210 gestützt werden, wie durch die kreisförmigen Pfeile gezeigt. Der Verbinder 217 biegt sich durch, um dieses Schwenken zu gestatten. Es kommt zu dem dargestellten Verformungszustand, wenn sich das Schiebersegment 205a in der Figur translatorisch nach unten bewegt. 2E-3 stellt eine Verformung dar, die dem Schwenken der Segmente 207a und 207b in die gleiche Richtung um ihre jeweiligen Drehpunkte zugeordnet ist. Wie gezeigt würde dies der Tatsache entsprechen, dass das Schiebersegment 205a eine Kippbewegung zeigt und würde ein Scheren des Verbinders 217 aufweisen. Der Verbinder widersteht dieser Bewegung jedoch, und deshalb wird das in 2E-3 dargestellte Kippen durch die schwenkbare Gelenkkonfiguration, die den Verbinder 217 enthält, verhindert. Wenn die Masse oder der Schieber an den entgegengesetzt schwenkenden Segmenten (zum Beispiel durch Scharniere oder andere Biegungsarten) befestigt ist, gewährleistet somit das schwenkbare Gelenksystem eine lineare Bewegung der Masse (oder des Schiebers) und reduziert eine dadurch, dass zwei Segmente in die gleiche Richtung schwenken, verursachte unerwünschte Drehung. Infolgedessen kann das schwenkbare Gelenk mit dem ordnungsgemäß ausgeführten Verbinder 217 eine unerwünschte Phasenquadraturbewegung verhindern.
2F-1 ist eine Nahansicht eines Kastenfederverbinders 219 zur Kopplung benachbarter Prüfmassen in dem Gyroskop von 2A. Insbesondere koppelt der Kastenfederverbinder 219, der ein nicht einschränkendes Beispiel für den Verbinder 114 von 1A ist, schwenkbare Gelenke der benachbarten Prüfmassen, in diesem Fall die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f. Der Kastenfederverbinder 219 kann eine beliebige geeignete Größe und Form aufweisen. Er kann dahingehend positioniert sein, eine Drehung der verbundenen schwenkbaren Gelenke 206d und 206f in entgegengesetzte Richtungen zu gestatten. Die Kastenfeder kann einer Scherbewegung widerstehen und somit ein Drehen der schwenkbaren Gelenke 206d und 206f in die gleiche Richtung verhindern. Auf diese Weise können die durch die Kastenfeder verbundenen schwenkbaren Gelenke eine Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 202a und 202b gestatten oder erzwingen, wären sie eine Inphasenbewegung in Richtung der x-Achse bezüglich der Anordnung von 2F-1 sperren. Beispiele für eine gestattete und verhinderte Bewegung werden in den 2F-2 bzw. 2F-3 gezeigt.
In 2F-2 schwenken die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f um die durch ihre jeweiligen Anker 210 gestützten Drehpunkte in entgegengesetzte Richtungen. Der Kastenfederverbinder 219 gestattet solch eine Bewegung durch Dehnung in die Vertikalrichtung der Figur. 2F-3 stellt hingegen einen Zustand dar, in dem die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f um die durch ihre jeweiligen Anker gestützten Drehpunkte in die gleiche Richtung schwenken. Um diese Bewegung zu gestatten, würde sich der Kastenfederverbinder 219 selbst in die Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in die die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f schwenken, im Gegenuhrzeigersinn drehen. Die Kastenfeder 219 widersteht solch einer Bewegung, wodurch die gewünschte Bewegung von 2F-2 erzwungen wird.
Der Kastenfederverbinder 219 ist ein nicht einschränkendes Beispiel für einen geeigneten Verbinder zum Koppeln der benachbarten schwenkbaren Gelenke des Gyroskops 200. Als Alternative kann ein gerader Trägerverbinder verwendet werden.
2G ist eine Nahansicht eines die Läufer mit dem Schieber des Gyroskops 200 von 2A koppelnden Kopplers 221. Wie gezeigt, kann der Koppler 221 ein Halbkastenfederverbinder sein. Es kann jedoch irgendein anderer geeigneter Verbinder implementiert werden, der bewirkt, dass sich der Läufer 208a als Reaktion auf ein Schwenken des schwenkbaren Gelenks 206e linear bewegt. Das heißt, bezüglich der Anordnung von 2G bewirkt der Koppler 221, dass sich der Läufer 208a nach rechts (Pfeil 226a) bewegt, wenn sich die rechte Seite des schwenkbaren Gelenks nach unten bewegt (Pfeil 228a), und bewirkt, dass sich der Läufer nach links (Pfeil 226b) bewegt, wenn sich die rechte Seite des schwenkbaren Gelenks nach oben bewegt (Pfeil 228b).
Erneut auf 2A Bezug nehmend, kann das Gyroskop 200 im Betrieb eine synchrone Gegenphasenbewegung zeigen. Wenn sich die Schiebersegmente 205b und 205d nach rechts in die positive x-Richtung bewegen, schwenken das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206b und das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206d im Uhrzeigersinn, während das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206b und das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206d im Gegenuhrzeigersinn schwenken. Die Schiebersegmente 205f und 205h bewegen sich nach links in die negative x-Richtung. Insbesondere schwenken das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206f und das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206h im Gegenuhrzeigersinn, während das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206f und das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206h im Uhrzeigersinn schwenken.
Im Messmodus schwenken das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206c als Reaktion auf die Drehung des Gyroskops 200 im Gegenuhrzeigersinn, wenn sich die Schiebersegmente 205a und 205c nach unten in die negative y-Richtung bewegen, während das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 206c im Uhrzeigersinn schwenken. Die Schiebersegmente 205e und 205g bewegen sich aufgrund der Läufer 208a und 208b nach oben in die positive y-Richtung. Das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206e und das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206g schwenken im Uhrzeigersinn, und das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 206e und das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 106g schwenken im Gegenuhrzeigersinn. Die Läufer 208a und 208b beschränken die Prüfmassen und Schieber auf solch eine Bewegung. Das heißt, der Läufer 208a zwingt das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206e zur Drehung in die gleiche Richtung (im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn), indem er sich selbst linear nach rechts oder links bewegt. Auf ähnliche Weise zwingt der Läufer 208b das rechte Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und das linke Segment des schwenkbaren Gelenks 206g zur Drehung in die gleiche Richtung, indem er sich selbst linear nach rechts oder links in die entgegengesetzte Richtung von Läufer 208a bewegt. Da die Läufer 208a und 208b jedoch starre Stäbe oder andere starre Koppler sein können, verhindern sie eine Drehung der gekoppelten Segmente der schwenkbaren Gelenke in entgegengesetzte Richtungen. Somit sperren die Läufer 208a und 208b eine Inphasenbewegung der Schieber 204a und 204b im Messmodus oder verhindern diese vollständig. Deshalb wird keine Beschleunigung einer Art detektiert, die tendenziell eine Inphasenbewegung der Schieber 204a und 204b erzeugt. Demgemäß stellen die Läufer 208a und 208b ein beschleunigungsunempfindliches Gyroskop bereit.
Wie oben in Verbindung mit 1F beschrieben, kann ein MEMS-Bauelement, wie zum Beispiel MEMS-Gyroskop, bei einigen Ausführungsformen eine ausgeglichene Läuferkonfiguration aufweisen, bei der mehrere Läufer auf einer gleichen Seite der gekoppelten Prüfmassen enthalten sind. 2H stellt ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Implementierung solch eines Gyroskops dar. Das Gyroskop 250 enthält viele der der gleichen in Verbindung mit 2A bereits dargestellten und beschriebenen Komponenten, und somit werden sie hier nicht erneut ausführlich beschrieben. Das Gyroskop 250 unterscheidet sich jedoch insofern von dem Gyroskop 200, dass es eine ausgeglichene Läuferkonfiguration mit zwei sich linear bewegenden Läufern auf jeder Seite der gekoppelten Prüfmassen enthält. Insbesondere enthält das Gyroskop 250 die Läufer 252a, 252b, 254a und 254b.
Der Läufer 252a ist durch einen Koppler 256a mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und durch einen Koppler 256b mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206e gekoppelt. Auf ähnliche Weise ist der Läufer 252b durch einen Koppler 256c mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und durch den Koppler 256d mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206g gekoppelt. Die Koppler 256a-256d können einander gleich sein und können die in 2G gezeigte Art von Koppler oder irgendein anderer geeigneter Koppler, der eine lineare Bewegung der Läufer 252a und 252b in entgegengesetzte Richtungen gestattet, sein.
Der Läufer 254a ist durch einen Koppler 258a mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und durch einen Koppler 258b mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206e gekoppelt. Der Läufer 254b ist durch einen Koppler 258c mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und durch einen Koppler 258d mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206g gekoppelt. Die Koppler 258a-258d können einander gleich sein und können die in 2G gezeigte Art von Koppler oder irgendein anderer geeigneter Koppler, der eine lineare Bewegung der Läufer 254a und 254b in entgegengesetzte Richtungen gestattet, sein.
Da die Läufer 252a und 254a mit verschiedenen Segmenten des schwenkbaren Gelenks 206a und 206e gekoppelt sind und da sich diese verschiedenen Segmente in entgegengesetzte Richtungen drehen, bewegen sich die Läufer 252a und 254a während des Betriebs in entgegengesetzte lineare Richtungen, wie weiter unten in Verbindung mit 2I beschrieben wird. Da gleichermaßen die Läufer 252b und 254b mit verschiedenen Segmenten des schwenkbaren Gelenks 206c und 206g gekoppelt sind und da sich diese verschiedenen Segmente in entgegengesetzte Richtungen drehen, bewegen sich die Läufer 252b und 254b während des Betriebs in entgegengesetzte Richtungen. Insgesamt bewegen sich die Läufer 252a und 252b dann in entgegengesetzte Richtungen, und die Läufer 254a und 254b bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Somit geht von der Kombination der Läufer 252a-252b und 254a-254b im Wesentlichen kein linearer Nettoimpuls aus, solange ihre Massen und Geschwindigkeiten gleich sind, was als Impulsgleichgewicht bezeichnet wird. Dies stellt dann eine ausgeglichene Läuferkonfiguration bereit, die die Prüfmassen mit keiner unerwünschten Inphasenbewegung (symmetrischen Bewegung) beaufschlagt.
Die Läufer 252a und 252b sind genauso wie die Läufer 254a und 254b im Wesentlichen identisch. Alle vier Läufer können im Wesentlichen die gleiche Masse aufweisen, wodurch sie eine ausgeglichene Konfiguration bereitstellen. In dem dargestellten Beispiel sind die Läufer 252a und 252b (in der x-Richtung) länger als die Läufer 254a und 254b. Die Läufer 254a und 254b können in der y-Richtung breiter als die Läufer 252a und 252b sein, um im Wesentlichen gleiche Massen bereitzustellen, oder sie können irgendeine andere geeignete Konfiguration aufweisen. Es ist zu sehen, dass in diesem Beispiel alle vier Läufer in der x-Richtung länger als in der y-Richtung sind. Die Längen in der x-Richtung können zwischen dem 2-Fachen und dem 100-Fachen der Breiten in der y-Richtung betragen oder irgendein Wert innerhalb dieses Bereichs sein. Es sind auch alternative Abmessungen möglich.
Weiterhin ist aus 2H ersichtlich, dass die Läufer 252a und 254a bei dem nicht einschränkenden Beispiel eine verschachtelte Konfiguration einnehmen. Der Läufer 254a befindet sich nahe den Prüfmassen, während sich der Läufer 252a distal der Prüfmassen befindet. Das gleiche gilt für die Läufer 254b bzw. 252b. Es sind auch andere Konfigurationen möglich.
2I stellt einen Betriebszustand des Gyroskops 250 von 2H dar und zeigt den ausgeglichenen Betrieb der Läufer 252a, 252b, 254a und 254b. Bei dem dargestellten Betriebszustand, der einen Zustand des Messbetriebsmodus darstellen kann, bewegen sich die Prüfmasse 202a und die Schiebersegmente 205a und 205c in die positive y-Richtung nach oben. Die Prüfmasse 202b und die Schiebersegmente 205e und 205g bewegen sich in die negative y-Richtung nach unten. Das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e schwenken um ihren jeweiligen Drehpunkt im Uhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 252a in die positive x-Richtung nach rechts bewegt. Das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206g schwenken im Uhrzeigersinn um ihren jeweiligen Drehpunkt, so dass sich der Läufer 252b in die negative x-Richtung nach links und deshalb entgegengesetzt der Richtung des Läufers 252a bewegt.
Das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e drehen sich um ihren jeweiligen Drehpunkt im Gegenuhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 254a in die negative x-Richtung linear nach links bewegt. Das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206g drehen sich im Uhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 254b in die positive x-Richtung nach rechts und deshalb entgegengesetzt zum Läufer 254a bewegt. Somit wird aufgrund der Läufer eine symmetrische Bewegung (Inphasenbewegung) der Prüfmassen gesperrt.
Somit ist anhand des Betriebszustands in 2I zu sehen, dass eine ausgeglichene Läuferkonfiguration bereitgestellt wird, bei der sich die vier Läufer linear bewegen, aber einen Nettoimpuls von null haben. Dadurch wird dann die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass das Gyroskop 250 mit einer unerwünschten Bewegung beaufschlagt wird.
2J stellt eine Nahdarstellungsskizze eines Teils des Gyroskops 250 dar, wobei sie eine andere Darstellung der Bewegung der Läufer bereitstellt. Insbesondere stellt 2I einen Betriebszustand dar, in dem sich das Schiebersegment 205a in die negative y-Richtung nach unten bewegt und sich das Schiebersegment 205e in die positive y-Richtung nach oben bewegt. Es ist zu sehen, dass das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e im Gegenuhrzeigersinn schwenken, so dass sich der Läufer 252a in die negative x-Richtung nach links bewegt. Das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e schwenken im Uhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 254a in die positive x-Richtung linear nach rechts bewegt.
Bei einigen Ausführungsformen können mehrere Läufer auf einer gleichen Seite gekoppelter Prüfmassen eines Gyroskops miteinander gekoppelt sein. 2K stellt ein nicht einschränkendes Beispiel dar, das eine Variation der Konfiguration von 2J darstellt. In 2K sind die Läufer 252a und 254a durch einen Koppler oder ein Gelenk 260 miteinander gekoppelt. Der Koppler 260 kann allgemein senkrecht zu beiden Läufern 252a und 254a ausgerichtet sein und kann eine Länge aufweisen, die zur Bereitstellung eines gewünschten Grads an Flexibilität/Starrheit ausgewählt ist. Der Koppler 260 kann bei einigen Ausführungsformen im Vergleich zu den Längen der Läufer in der x-Richtung relativ kurz sein, obgleich nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind.
Obgleich die 2H-2K Beispiele darstellen, in denen mehrere Läufer auf einer Seite gekoppelter Prüfmassen nebeneinander angeordnet sind, sind auch andere Konfigurationen zur Bereitstellung ausgeglichener Läufer möglich. Gemäß einigen Ausführungsformen sind mehrere Läufer linear auf einer Seite gekoppelter Prüfmassen angeordnet. Die mehreren Läufer können auf mehreren Seiten eingeschränkt sein. Ein Beispiel wird in 2L gezeigt.
2L zeigt eine Teilansicht eines Gyroskops mit mehreren linear angeordneten Läufern als eine Alternative zu den Läufern 252a und 254a. Die Teilansicht zeigt einen Teil der zuvor beschriebenen Schiebersegmente 205a und 205e, lässt aber der einfachen Darstellung halber den Rest der Schieber und Prüfmassen aus. Einige der Komponenten sind zuvor in Verbindung mit anderen Ausführungsformen beschrieben worden und werden somit hier nicht ausführlich beschrieben. Wie gezeigt, kann das Bauelement mehrere linear angeordnete Läufer 270a, 270b und 270c enthalten, die entlang einer gemeinsamen Achse (oder Linie) P-P angeordnet sind. Darüber hinaus sind schwenkbare Gelenke 272a und 272b enthalten und sind genauso wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e mit gegenüberliegenden Seiten der Läufer 270a-270c gekoppelt. Die schwenkbaren Gelenke 272a und 272b können die gleiche Art von schwenkbaren Gelenken wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e sein und können auf die gleiche Weise, wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e mit den Ankern 210 gekoppelt sind, mit Ankern 274 gekoppelt sein. Die Anker 274 und 210 weisen bei einigen Ausführungsformen die gleiche Ausführung auf, einschließlich Drehzapfen, wie zuvor in Verbindung mit den Ankern 210 beschrieben.
Der Läufer 270a kann auf einer Seite durch einen Koppler 276a mit dem schwenkbaren Gelenk 272a und auf der anderen Seite durch einen Koppler 276b mit dem schwenkbaren Gelenk 206a gekoppelt sein. Der Läufer 270b kann durch einen Koppler 276c auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272a und auf der anderen Seite durch einen Koppler 276d mit dem schwenkbaren Gelenk 206a gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Läufer 270b durch einen Koppler 276e auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272b und durch einen Koppler 276f auf der anderen Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 206e gekoppelt sein. Der Läufer 270c kann durch einen Koppler 276g auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272b und durch einen Koppler 276h auf der anderen Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 206e gekoppelt sein. Die Koppler 276a-276h können von der zuvor in Verbindung mit 2G dargestellten und beschriebenen Art sein, oder sie können von irgendeiner anderen geeigneten Art von Koppler sein, die als Reaktion auf ein Schwenken des schwenkbaren Gelenks 206a, 206e, 272a und 272b eine lineare Bewegung der Läufer 270a-270c bereitstellt.
Im Betrieb bewegen sich die Läufer 270a und 270c in die entgegengesetzte Richtung von der des Läufers 270b. Die Läufer 270a und 270c können eine kombinierte Masse, die im Wesentlichen gleich der des Läufers 270b ist, aufweisen, wodurch sie eine ausgeglichene Konfiguration bereitstellen, bei der der lineare Nettoimpuls der Läufer null ist und die Läufer deshalb die Schieber und/oder Prüfmassen mit keiner unerwünschten Bewegung beaufschlagen. Deshalb sind bei einigen Ausführungsformen die Läufer 270a und 270c kürzer als der Läufer 270b. Bei einigen solchen Ausführungsformen weisen die Läufer 270a und 270c eine Länge auf, die ungefähr gleich der Hälfte der Länge des Läufers 270b ist.
Es sollte auf der Hand liegen, dass 2L zwar eine Teilansicht eines Gyroskops darstellt, die linear angeordneten Läufer aber spiegelbildlich auf den gegenüberliegenden Seiten der Schieber und Prüfmassen des Gyroskops angeordnet sein können. Das heißt, die Läufer 252b und 254b in 2I können durch eine Konfiguration wie die von 2L ersetzt werden.
Die Läufer 270a-270c erzwingen eine antisymmetrische Bewegung der Schiebersegmente 205a und 205e im Messbetriebsmodus und verhindern eine symmetrische Bewegung. Somit können die Gyroskope (oder andere MEMS-Bauelemente), die die Läuferkonfiguration von 2L implementieren, im Vergleich zu Gyroskopen ohne solche Läufer eine reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit aufweisen.
2M stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2L dar, bei der die Läufer direkt miteinander verbunden sind. Nur ein Teil der Struktur von 2L wird gezeigt, wobei der Fokus auf der Verbindung zwischen dem Läufer 270a und 270b liegt. Wie gezeigt, können diese beiden Läufer durch einen Koppler 278 an ihren nebeneinanderliegenden Enden miteinander verbunden werden. In der Darstellung enthält der Koppler 278 eine T-Verbindung am Ende jedes der Läufer 270a und 270b, es sind aber auch alternative Kopplungskonfigurationen möglich. Der Koppler 278 ist biegefähig, wodurch sich die Läufer 270a und 270b bezüglich einander bewegen können. Ebenso können die Läufer 270b und 270c auf die gleiche Weise direkt miteinander gekoppelt sein, obgleich sie in 2M nicht gezeigt werden.
2N stellt einen Verformungszustand einer Struktur der in 2M dargestellten Art dar. In dieser Figur werden mehr der Komponenten von 2L reproduziert, als in 2M gezeigt werden. Zum Beispiel werden das Schiebersegment 205e, das schwenkbare Gelenk 206e, der Läufer 270c und das schwenkbare Gelenk 272b zusätzlich dargestellt. Die Läufer 270b und 270c sind durch einen Koppler 280, der von der gleichen Art wie der in Verbindung mit 2M beschriebene Koppler 278 sein kann, an benachbarten Enden direkt miteinander gekoppelt.
In 2N ist zu sehen, dass, wenn sich die Schiebersegmente 205a und 205e in einer linearen Gegenphasenbewegung bewegen (hier bewegt sich das Schiebersegment 205a in der Figur linear nach oben, während sich das Schiebersegment 205e linear nach unten bewegt), sich die Läufer 270a und 270c linear in die gleiche Richtung (in diesem Beispiel nach rechts) und in entgegengesetzter Richtung zu dem Läufer 270b (der sich in dieser Figur nach links bewegt) bewegen. Die Koppler 278 und 280 können sich biegen, wodurch solch eine Bewegung gestattet wird.
Man kann sagen, dass die Konfigurationen der 2L, 2M und 2N ein MEMS-Bauelement (zum Beispiel ein Gyroskop) mit eingeschränkten Läufern darstellen. Die Läufer 270a-270c werden auf zwei gegenüberliegenden Seiten (nahe und distal der Prüfmassen/Schieber) entlang ihrer Länge eingeschränkt. Dies steht im Gegensatz zu der Konfiguration von 2H, bei der die Läufer auf einer einzigen Seite entlang ihrer Länge mit schwenkbaren Gelenken gekoppelt sind.
Wie oben beschrieben, kann die Verwendung von zwei oder mehr Prüfmassen in einem MEMS-Bauelement, wie zum Beispiel einem MEMS-Gyroskop, bestimmte Vorteile mit sich bringen. Die Verwendung von vier Prüfmassen kann eine reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Schwingungskorrektur (oder g-×-g-Empfindlichkeit) und Linearbeschleunigung (oder g-Empfindlichkeit) durch mechanisches Aufheben von Gleichtaktsignalen bereitstellen. Die Verwendung von vier Prüfmassen kann auch ein Impulsungleichgewicht von null bereitstellen, das wiederum Empfindlichkeit gegenüber Paketmodi reduzieren kann, wodurch Übersprechen zwischen mehreren Gyroskopkernen eliminiert werden kann. Die geometrische Symmetrie der Verwendung von vier Prüfmassen kann auch die Verwendung eines Gyroskops in einem modenangepassten Betrieb gestatten, wodurch der Rauschabstand (SNR - signal-to-noise ratio) verbessert wird sowie eine fliegende Selbstkalibrierung des Gyroskops (ohne Unterbrechung seines normalen Betriebs) gestattet wird. Somit können der Skalierungsfaktor und die Offsetstabilität verbessert werden, und eine Nachkalibrierung unter Verwendung eines Rüttel- oder Klassifizierungstisches im Labor kann vermieden werden. Um solche Vorzüge zu realisieren, können die vier Massen mechanisch gekoppelt sein, um eine synchrone Bewegung zu gewährleisten. Des Weiteren kann die Verwendung von sich linear bewegenden Kopplern der hierin beschriebenen Arten ein Erzwingen der Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen erleichtern, während einer unerwünschten translatorischen Bewegung, die empfindlich für Schwingungen (zum Beispiel Inphasenbewegung) ist, entgegengewirkt wird.
Somit verwenden Aspekte der vorliegenden Anmeldung sich linear bewegende Koppler der hierin beschriebenen Arten zum Miteinanderkoppeln von vier Prüfmassen zur Bildung eines Gyroskops mit synchronisierter Masse. Die architektonische Herausforderung für MEMS-Gyroskope besteht darin, zwei Freiheitsgrade zu bewahren, da ein Gyroskopbetrieb sowohl den Resonatormodus (Antriebsmodus) als auch den Coriolisempfindlichen Modus (Messmodus) verwendet. Die hierin beschriebenen Gyroskope mit synchronisierter Masse können sich linear bewegende Koppler enthalten, die eine lineare Gegenphasenbewegung der vier gekoppelten Prüfmassen im Antriebsmodus, im Messmodus oder in beiden erzwingen, ohne eine Störung zwischen den beiden zu verursachen. Darüber hinaus sind die Koppler dahingehend angeordnet, bei mindestens einigen Ausführungsformen einen Nettoimpuls von null bereitzustellen.
3A stellt in vereinfachter Form ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung mit vier Prüfmassen dar, die durch Läufer der zuvor hierin beschriebenen Arten gekoppelt sind, die dahingehend ausgebildet sind, einer symmetrischen Bewegung jedes benachbarten Paars der Prüfmassen zu widerstehen (oder diese zu blockieren) und eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen zu gestatten oder zu erzwingen. Das MEMS-Bauelement 300 stellt eine Erweiterung des MEMS-Bauelements 100 von 1A dar, mit dem Zusatz von zwei Prüfmassen 102c und 102d und verschiedenen Kopplern, die die vier Prüfmassen koppeln. Insbesondere enthält das MEMS-Bauelement 300 die erste Prüfmasse 102a und die zweite Prüfmasse 102b, eine dritte Prüfmasse 102c, eine vierte Prüfmasse 102d, das Substrat 104, Haltebänder 306a-306h, Läufer 108a, 108b, 108c, 108d, 122a, 122b, 122c und 112d und Koppler 114a, 114b, 114c und 114d. Die Haltebänder 306a-306h können von der gleichen Art wie zuvor in Verbindung mit den Haltebändern 106a-106f beschrieben oder von irgendeiner anderen geeigneten Art sein. Die Koppler 114a-114d können von der gleichen Art wie der zuvor in Verbindung mit 1A beschriebene Koppler 114 oder von irgendeiner anderen geeigneten Art sein. Die Läufer 108a-108d und 122a-122d können beliebige der hierin beschriebenen Arten von Läufern sein.
Die Läufer 108a-108d und 122a-122d können eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d parallel zu der x- und y-Richtung erzwingen. Zum Beispiel können die Läufer 108a, 108b und 122a und 122b eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d parallel zur y-Richtung erzwingen. Die Läufer 108c, 108d, 122c und 122 können eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d parallel zur x-Richtung erzwingen. Die Bewegung der Prüfmassen entlang der x- und y-Richtung kann jedoch voneinander entkoppelt sein.
3A stellt dar, dass bei einigen Ausführungsformen ein Gyroskop mit einer Prüfmassenanordnung, die vier Prüfmassen enthält, sich linear bewegende ausgeglichene Läufer auf einander gegenüberliegenden Seiten der Anordnung enthalten kann. Die Läufer können sich, wie dargestellt, in die durch die Pfeile 110a, 110b, 110c und 110d angezeigten Richtungen bewegen. Ein impulsausgeglichener Betrieb kann durch geeignete Auswahl der Massen, derart, dass die kombinierten Impulse der einzelnen Massen voneinander versetzt sind, realisiert werden. Zum Beispiel können die Läufer 108a, 122a, 108b und 122b im Wesentlichen gleiche Massen aufweisen und können zur translatorischen Bewegung in entgegengesetzte Richtungen (zum Beispiel 108a entgegengesetzt zu 122a und 108b entgegengesetzt zu 122b) angeordnet sein, so dass sie sich mit gleichen und entgegengesetzten Impulsen bewegen und sich deshalb gegenseitig aufheben. Es sollte jedoch auf der Hand liegen, dass nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind, da ein MEMS-Gyroskop gemäß alternativen Ausführungsformen vier Massen aufweisen kann, die durch Läufer der hierin beschriebenen Arten gekoppelt sind, die nicht impulsausgeglichen sind. Zum Beispiel können bei einem MEMS-Gyroskop einer Ausführungsform die Läufer 122a-122d weggelassen sein.
Die 3B-3E stellen in Blockdiagrammform verschiedene Zustände einer Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d von 3A gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. Für Zwecke der Erörterung wird angenommen, dass das MEMS-Bauelement 300 ein Gyroskop sowohl mit Antriebs- als auch Messmodus ist. 3B stellt in Blockdiagrammform einen ersten Zustand einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d in einem Antriebsbetriebsmodus gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. Wie dargestellt, verläuft die Bewegung der Prüfmassen 102a-102d insofern gegenphasig, als die Bewegung irgendeiner gegebenen Masse von den vier in einer entgegengesetzten Richtung zu der der beiden direkt benachbarten Massen verläuft. In dem dargestellten nicht einschränkenden Beispiel bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die negative x-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die positive x-Richtung bewegen. Die Bewegung kann insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.
3C stellt einen zweiten Zustand der Gegenphasenbewegung des Antriebsmodus dar. In diesem Zustand haben die Prüfmassen 102a-102d im Vergleich zu 3B eine umgekehrte Richtung. Die Prüfmassen 102a und 102d bewegen sich linear in die x-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die negative x-Richtung bewegen.
3D stellt einen Zustand der Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d in einem Messbetriebsmodus gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. In diesem nicht einschränkenden Beispiel bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die y-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die negative y-Richtung bewegen. Die Bewegung kann wieder insofern synchron sein, als eine der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.
3E stellt einen zweiten Zustand der Gegenphasenbewegung im Messmodus dar. In diesem Zustand bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die negative y-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c in die y-Richtung bewegen.
Obgleich die 3B-3E eine lineare Bewegung der Prüfmassen in die von oben nach unten und von links nach rechts verlaufenden Richtungen darstellen, sollte auf der Hand liegen, dass durch einen MEMS-Bauelement jegliche Kombination einer solchen Bewegung implementiert werden kann. Zum Beispiel kann die Bewegung der Prüfmassen stattdessen unter anderem entlang einer diagonalen Richtung (zum Beispiel in einem Winkel von 45 Grad zu der x- und y-Achse) verlaufen. Zum Beispiel kann sich die Antriebsachse in einem Winkel von 45° zu der x-Achse befinden, und die Messachse kann sich in einem Winkel von 135° zu der x-Achse befinden. Es sind auch andere Ausrichtungen möglich. Obgleich die 3B-3C als sich auf einen Antriebsbetriebsmodus beziehend und die 3D-3E als sich auf einen Messmodus beziehend beschrieben werden, sollte ferner auf der Hand liegen, dass die Antriebs- und Messrichtung umgekehrt sein können. Im Allgemeinen sollte auf der Hand liegen, dass die 3B-3E lediglich ein Beispiel für eine lineare Gegenphasenbewegung darstellen, die durch ein MEMS-Bauelement mit vier beweglichen Massen implementiert werden kann, und dass die Bewegungsrichtungen und Bezeichnung der Antriebs- und Messmodi verschiedene Formen annehmen können.
Die Läufer 108a-108d und 122a-122d priorisieren eine Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d, während Störmodi, die durch Linearbeschleunigung und Winkelbeschleunigung erregt werden können, gesperrt werden. Insbesondere priorisieren die Läufer 108a-108b und 122a-122d eine Gegenphasenbewegung in die y-Richtung, während die Läufer 108c-108d und 122c-122d eine Gegenphasenbewegung in die x-Richtung priorisieren. Dabei kann das MEMS-Bauelement 300 im Wesentlichen unempfindlich oder immun gegenüber Linearbeschleunigung und Winkelbeschleunigung sein, wodurch ein genauerer Betrieb des MEMS-Bauelements als Gyroskop gewährleistet wird. Die Läufer können die lineare Gegenphasenbewegung durch Modenordnung der Modi des MEMS-Bauelements derart, dass sich jene Modi, die für äußere Kräfte empfindlich sind, auf wesentlich höheren Frequenzen als die gewünschten Betriebsmodi befinden, erzwingen. Auf diese Weise können Störmodi gesperrt werden.
Die 4A-4B stellen ein Beispiel für ein vier Prüfmassen enthaltendes Gyroskop mit synchronisierter Masse in zwei Verformungszuständen gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. 4A stellt einen Verformungszustand dar, bei dem die Prüfmassen des MEMS-Gyroskops 400 eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur x-Achse erfahren, während 4B einen Verformungszustand darstellt, bei dem die Prüfmassen des MEMS-Gyroskops 400 eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur y-Achse erfahren.
Das MEMS-Gyroskop 400 mit synchronisierter Masse enthält die Prüfmassen 402a-402d, die mit jeweiligen Schiebern 404 gekoppelt sind. Es werden vier schwenkbare Gelenke 406 für jede der vier Prüfmassen bereitgesellt. Insgesamt werden acht Läufer bereitgestellt, die vier Läufer 408 und vier Läufer 410 aufweisen. Die Läufer 408 sind von der zuvor in Verbindung mit den Läufern 252a und 252b beschriebenen Art, und die Läufer 410 sind von der zuvor in Verbindung mit den Läufern 254a und 254b beschriebenen Art.
In 4A wird das MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse in Verbindung mit einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d parallel zur x-Achse verformt. Insbesondere werden die Prüfmassen 402a und 402d aus ihren Gleichgewichtspositionen in die negative x-Richtung verschoben, und die Prüfmassen 402b und 402c werden in die x-Richtung verschoben. Diese Bewegung kann als ein nicht einschränkendes Beispiel einem Antriebsbetriebsmodus des MEMS-Gyroskops zugeordnet werden. In diesem Zustand werden die Läufer 408 und 410 auf der linken und rechten Seite der Prüfmassenanordnung in die durch die fett gedruckten Pfeile angezeigten Richtungen verschoben. Insbesondere werden die die Prüfmasse 402a mit 402c und die Prüfmasse 402b mit 402d koppelnden Läufer 408 in die negative y-Richtung verschoben, und die diese Prüfmassen koppelnden Läufer 410 werden in die y-Richtung verschoben. Die die Prüfmasse 402a mit 402b und die Prüfmasse 402c mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 werden in diesem Betriebszustand nicht verschoben.
In 4B wird das MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse in Verbindung mit einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d parallel zur y-Achse verformt. Insbesondere werden die Prüfmassen 402a und 402d aus ihren Gleichgewichtspositionen in die y-Richtung verschoben, und die Prüfmassen 402b und 204c werden in die negative y-Richtung verschoben. Diese Bewegung kann als ein nicht einschränkendes Beispiel einem Messbetriebsmodus des MEMS-Gyroskops zugeordnet werden. In diesem Zustand werden die die Prüfmasse 402a mit 402b und die Prüfmasse 402c mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 in die durch die fettgedruckten Pfeile angezeigten Richtungen verschoben. Insbesondere werden die Läufer 408 in die x-Richtung verschoben, und die Läufer 410 werden in die negative x-Richtung verschoben. Die die Prüfmasse 402a mit 402c und die Prüfmasse 402b mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 werden in diesem Betriebszustand nicht verschoben.
Aus den 4A-4B sollte hervorgehen, dass die Läufer 408 und 410 eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d sowohl in die x- als auch in die y-Richtung erzwingen können, aber dass die Bewegung der Prüfmassen in diese beiden Richtungen entkoppelt ist. Somit werden zwei Freiheitsgrade bereitgestellt, wodurch ein genauer Betrieb der Vorrichtung als Gyroskop gewährleistet wird.
Obgleich das MEMS-Gyroskop 400 mit synchronisierter Masse Läufer der zuvor in Verbindung mit den 2H und 2I beschriebenen Art darstellt, sollte auf der Hand liegen, dass jegliche der hierin beschriebenen Läuferarten verwendet werden können. Zum Beispiel können stattdessen anstelle der Läufer 408 und 410 die eingeschränkten Läufer der 2L und 2M implementiert werden. Somit ist die spezielle Ausführung des MEMS-Gyroskops 400 ein nicht einschränkendes Beispiel eines Gyroskops mit synchronisierter Masse.
4C zeigt eine alternative Konfiguration eines Gyroskops mit synchronisierter Masse. Das Gyroskop 420 mit synchronisierter Masse enthält vier Prüfmassen 402a-402d, die Haltebänder 212, die schwenkbaren Gelenke 406, die Läufer 408 und 410, den Koppler 260 und den Schieber 422. In diesem nicht einschränkenden Beispiel sind die Läufer 408 durch die Koppler 260 mit jeweiligen Läufern 410 gekoppelt. Die Koppler 260 sind von der in 2K dargestellten Art und wurden zuvor in Verbindung mit dieser Figur beschrieben. Sie können relativ kurz sein, gestatten aber den Läufern 408 und 410, sich bezüglich einander zu bewegen. In 4C ist jeder Läufer 408 durch drei Koppler 260 mit einem jeweiligen Läufer 410 gekoppelt. Es können jedoch auch andere Anzahlen von Kopplern 260 verwendet werden, darunter ein einziger Koppler 260, der einen Läufer 408 mit einem entsprechenden Läufer 410 koppelt.
Bei dem Gyroskop 420 mit synchronisierter Masse von 4C sind die schwenkbaren Gelenke 406 direkt mit den Prüfmassen gekoppelt anstatt über einen Schieber. Hier ist der Schieber 422 kleiner als die Schieber 404 der 4A-4B ausgeführt, wodurch dem Gyroskop 420 eine größere Winkelverstärkung bereitgestellt wird. Winkelverstärkung ist das Verhältnis der auf die Winkeldrehung reagierenden Masse zu der gesamten modalen Masse des Messmodus.
Aus dem Vorhergehenden sollte hervorgehen, dass Aspekte der vorliegenden Anmeldung Gyroskope mit synchronisierter Masse bereitstellen. Die Gyroskope mit synchronisierter Masse können vier gekoppelte Prüfmassen, die dahingehend ausgebildet sind, sich entlang Querrichtungen linear zu bewegen, und mehrere Läufer, die an einem Umfang der Prüfmassenanordnung angeordnet sind und eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen erzwingen, aufweisen. Die Läufer selbst bewegen sich linear und tun dies auf eine impulsausgeglichene Weise, derart, dass sie einen Nettoimpuls von im Wesentlichen null haben. Die Läufer können eine Bewegung der Prüfmassen parallel zu einer Bewegungsachse der Prüfmassen parallel zu einer zweiten Achse entkoppeln. Somit bleiben der Antriebs- und Messmodus voneinander entkoppelt, während beide Modi die eine lineare Gegenphasenbewegung zeigen.
Wie beschrieben worden ist, stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung MEMS-Bauelemente bereit, die mehrere bewegliche Prüfmassen enthalten, welche durch Koppler gekoppelt sind, die die Prüfmassen auf eine lineare Gegenphasenbewegung beschränken, und bei denen sich die Koppler selbst linear bewegen. Die Bauelemente können unter anderen möglichen Bauelementen Resonatoren, Gyroskope oder Beschleunigungsmesser sein. Verschiedene Systeme können solche Bauelemente einsetzen. Demgemäß stellen verschiedene Aspekte der vorliegenden Anmeldung MEMS-Bauelemente mit Läufern der hierin beschriebenen Arten bereit, wobei die Bauelemente in verschiedenen Bereichen zur Detektion von Drehung verwendet werden, darunter unter anderem Sport, Gesundheitswesen, Militär und industrielle Anwendungen. Es werden nunmehr einige nicht einschränkende Beispiele beschrieben.
Ein System, das ein MEMS-Bauelement der hierin beschriebenen Arten einsetzt, kann eine mit dem Bauelement gekoppelte Energiequelle, eine Verarbeitungsschaltungsanordnung (zum Beispiel eine Messschaltungsanordnung) die dahingehend ausgebildet ist, durch das Bauelement erzeugte elektrische Signale zu verarbeiten, um ein Merkmal, das von Interesse ist, wie zum Beispiel Drehung, zu bewerten, und/oder eine Kommunikationsschaltungsanordnung zur Kommunikation mit externen Bauelementen, drahtlos oder durch eine verdrahtete Verbindung, enthalten. Solche Komponenten können in einem einzigen Gehäuse kombiniert sein, wodurch sie ein integriertes Produkt bereitstellen.
MEMS-Bauelemente der hierin beschriebenen Arten können in den verschiedensten Vorrichtungen, Produkten und Bereichen verwendet werden. Ein solcher Bereich ist in Fahrzeugen, wie zum Beispiel Automobilen, in Wasserfahrzeugen und Luftfahrzeugen. 5 stellt ein Beispiel dar, in dem ein MEMS-Bauelement der hierin beschriebenen Arten in einem Auto eingesetzt wird. In dem Beispiel von 5 enthält ein Automobil 500 eine Steuereinheit 502, die durch eine verdrahtete oder drahtlose Verbindung 506 mit einem Bordcomputer 504 des Autos gekoppelt ist. Die Steuereinheit 502 kann einen MEMS-Sensor oder ein MEMS-Bauelement der hierin beschriebenen Arten, wahlweise zusammen mit einer Energiequelle, einer Verarbeitungsschaltung, einer Interface-Schaltungsanordnung zur Kommunikation über die Verbindung 506 oder irgendwelchen anderen geeigneten Komponenten aufweisen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Steuereinheit 502 ein MEMS-Gyroskop der hierin beschriebenen Arten enthalten. Das MEMS-Gyroskop kann als Beispiel ein Gieren des Automobils 500 erfassen. Die Steuereinheit 502 kann ein Package oder ein Gehäuse aufweisen, das an einem geeigneten Teil des Automobils 500 mit dem MEMS-Bauelement darin befestigt ist. Die Steuereinheit 502 kann Energie und Steuersignale von dem Bordcomputer 504 empfangen und dem Bordcomputer 504 Messsignale zu führen.
Ein anderer Bereich, in dem MEMS-Bauelemente der hierin beschriebenen Arten verwendet werden können, sind Sensorbauelemente für Sportanwendungen, wie zum Beispiel unter anderem Tennis, Schwimmen, Laufen, Baseball oder Hockey. Bei einigen Ausführungsformen kann ein MEMS-Gyroskop der hierin beschriebenen Arten Teil eines tragbaren Fitnessgeräts sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Sensor Teil eines Sportausrüstungsteils, wie zum Beispiel Teil eines Tennisschlägers, Baseballschlägers oder Hockeyschlägers, sein. Messdaten von dem Sensor können zur Bewertung der Leistung des Benutzers verwendet werden.
Verschiedene bis hierher beschriebene Ausführungsformen haben den Betrieb von Gyroskopen in Bezug auf das Detektieren von Drehung in der Ebene der Prüfmassen dargestellt. Solche Gyroskope werden als Giergyroskope bezeichnet. Die Verwendung von Läufern, wie hierin beschrieben, kann jedoch auch auf Gyroskope angewandt werden, die zusätzlich oder als Alternative zu dem Detektieren von Gieren andere Formen von Drehung detektieren. Zum Beispiel können Gyroskope, die sowohl Gieren als auch Nicken, sowohl Rollen als auch Nicken oder alle drei, Gieren, Rollen und Nicken, detektieren, Läufer der hierin beschriebenen Arten verwenden, die mehrere Prüfmassen miteinander koppeln und sich als Reaktion auf eine Gegenphasenbewegung der Prüfmassen linear translatorisch bewegen. Somit sollte auf der Hand liegen, dass diese hierin beschriebenen Ausführungsformen, die Gyroskope betreffen, nicht hinsichtlich der bereitgestellten Gyroskopart eingeschränkt sind.
Verschiedene bis hierher beschriebene Ausführungsformen stellen MEMS-Gyroskope mit sich linear bewegenden Kopplern bereit, die zwei oder mehr Prüfmassen des Gyroskops miteinander koppeln. Solche Koppler können mit Mehrfachmassenresonatoren verwendet werden. Somit stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung Resonatoren mit mehreren durch sich linear bewegende Koppler miteinander gekoppelten Prüfmassen bereit.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen MEMS-Bauelemente (zum Beispiel Gyroskope, Beschleunigungsmesser und Resonatoren) bereit, die verschiedene günstige Eigenschaften besitzen, von denen zumindest einige bereits beschrieben worden sind. Es sollte auf der Hand liegen, dass nicht alle Aspekte der Anmeldung zwangsweise jeden Vorteil bereitstellen, noch sind die Vorzüge auf die hierin beschriebenen beschränkt. Es werden nunmehr einige Beispiele beschrieben.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Anmeldung werden Mehrfachprüfmassen-MEMS-Bauelemente bereitgestellt, die einen geringen Grad an Beschleunigungsempfindlichkeit besitzen (was auch als beschleunigungsunempfindlich beschrieben werden kann). Somit können Gyroskope zum Beispiel bezüglich Drehungsdetektion eine äußerst genaue Leistung besitzen. Einige Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen MEMS-Gyroskope bereit, die sowohl im Antriebs- als auch Messmodus auf eine antisymmetrische Weise arbeiten. Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen MEMS-Gyroskope bereit, die zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorzügen relativ unempfindlich gegenüber Phasenquadratur sind. Des Weiteren kann die Herstellung von solchen Bauelementen, einschließlich von Läufern, im Vergleich zu der Herstellung von anderen Arten von Kopplern relativ einfach und genau sein. Somit können hochgenaue MEMS-Bauelemente, die eine hochgenaue synchrone Gegenphasenbewegung besitzen, selbst bei mit typischen Mikrofertigungstechniken verbundenen Herstellungsfehlern, realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein ausgeglichenes MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein Substrat, eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Prüfmasse, die über dem Substrat aufgehängt und damit gekoppelt sind und jeweils dahingehend ausgebildet sind, sich translatorisch linear parallel zu der ersten und zweiten Achse zu bewegen; und Mittel zum Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur ersten Achse.
Das ausgeglichene MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse weist bei einigen Ausführungsformen ein Mittel zum Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur zweiten Achse auf.
Das Mittel zum Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur ersten Achse und das Mittel zum Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur zweiten Achse enthält bei einigen Ausführungsformen ein Mittel zur Bereitstellung eines impulsausgeglichenen Betriebs des ausgeglichene MEMS-Gyroskops mit synchronisierter Masse.
Das ausgeglichene MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse weist bei einigen Ausführungsformen ferner ein Mittel zum Blockieren einer Phasenquadratur der vier Prüfmassen auf.
Das ausgeglichene MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse weist bei einigen Ausführungsformen ferner ein Mittel zum Blockieren einer Phasenquadratur der vier Prüfmassen auf.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein ausgeglichenes Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein Substrat, eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist; eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist; und einen ersten Koppler, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und zur linearen Bewegung, wenn sich die erste Prüfmasse in eine erste Richtung bewegt und sich die zweite Prüfmasse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, ausgebildet ist.
Bei einigen Ausführungsformen definieren die erste und die zweite Prüfmasse zumindest teilweise eine Prüfmassenanordnung, wobei der erste Koppler auf einer ersten Seite der Prüfmassenanordnung angeordnet ist, und wobei das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner einen zweiten Koppler aufweist, der auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Prüfmassenanordnung angeordnet ist und zur linearen Bewegung entgegengesetzt zu dem ersten Koppler, wenn die erste und die zweite Prüfmasse eine lineare Gegenphasenbewegung zeigen, ausgebildet ist.
Das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement weist bei einigen Ausführungsformen ferner einen zweiten Koppler auf, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und zur linearen Bewegung entgegengesetzt zu dem ersten Koppler, wenn sich die erste Prüfmasse in die erste Richtung bewegt und sich die zweite Prüfmasse in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, ausgebildet ist. Bei einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Koppler auf der gleichen Seite der ersten Prüfmasse gekoppelt.
Bei einigen Ausführungsformen definieren die erste und die zweite Prüfmasse zumindest teilweise eine Prüfmassenanordnung und weist das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner einen dritten und einen vierten Koppler auf einer dem ersten und dem zweiten Koppler gegenüberliegenden Seite der Prüfmassenanordnung auf, wobei der dritte Koppler dahingehend ausgebildet ist, sich in eine gleiche Richtung wie der erste Koppler linear zu bewegen, und der vierte Koppler dahingehend ausgebildet ist, sich in eine gleiche Richtung wie der zweite Koppler linear zu bewegen, wenn sich die erste Prüfmasse in die erste Richtung bewegt und sich die zweite Prüfmasse in die der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung bewegt.
Bei einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Koppler bezüglich einander linear angeordnet.
Bei einigen Ausführungsformen befindet sich der erste Koppler nahe der ersten und der zweiten Prüfmasse und befindet sich der zweite Koppler distal der ersten und der zweiten Prüfmasse.
Bei einigen Ausführungsformen weist das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner ein schwenkbares Gelenk auf, das zwischen dem ersten Koppler und der ersten Prüfmasse gekoppelt ist, wobei der erste Koppler dahingehend ausgebildet ist, sich linear zu bewegen, wenn das schwenkbare Gelenk schwenkt.
Bei einigen solchen Ausführungsformen weist das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner einen beweglichen Schieber auf, der an dem schwenkbaren Gelenk angelenkt und zwischen dem schwenkbaren Gelenk und der ersten Prüfmasse angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines ausgeglichenen Mehrfachmassen-MEMS-Bauelements bereitgestellt, das Folgendes aufweist: lineares Bewegen einer ersten Prüfmasse und einer zweiten Prüfmasse in einer Gegenphasenbewegung; und lineares translatorisches Bewegen eines die erste und die zweite Prüfmasse koppelnden ersten Kopplers, wenn sich die erste und die zweite Prüfmasse in einer Gegenphasenbewegung linear bewegen.
Bei einigen Ausführungsformen definieren die erste und die zweite Prüfmasse zumindest teilweise eine Prüfmassenanordnung, wobei der erste Koppler auf einer ersten Seite der Prüfmassenanordnung angeordnet ist, und wobei das Verfahren ferner lineares translatorisches Bewegen eines zweiten Kopplers in eine dem ersten Koppler entgegengesetzte Richtung, wenn sich die erste und die zweite Prüfmasse linear in einer Gegenphasenbewegung bewegen, aufweist, wobei der zweite Koppler auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Prüfmassenanordnung angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren zum Betreiben des ausgeglichenen Mehrfachmassen-MEMS-Bauelements ferner lineares translatorisches Bewegen eines die erste und die zweite Prüfmasse koppelnden zweiten Kopplers in eine dem ersten Koppler entgegengesetzte Richtung auf, wenn sich die erste und die zweite Prüfmasse linear in einer Gegenphasenbewegung bewegen.
Bei einigen Ausführungsformen definieren die erste und die zweite Prüfmasse zumindest teilweise eine Prüfmassenanordnung, und wobei das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner einen dritten und einen vierten Koppler auf einer dem ersten und dem zweiten Koppler gegenüberliegenden Seite der Prüfmassenanordnung aufweist, und wobei das Verfahren ferner lineares translatorisches Bewegen des dritten Kopplers in die gleiche Richtung wie der erste Koppler und lineares translatorisches Bewegen des vierten Kopplers in eine gleiche Richtung wie der zweite Koppler, wenn sich die erste und die zweite Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung bewegen, aufweist.
Bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens weist lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers entlang einer gemeinsamen Achse auf.
Bei einigen Ausführungsformen des Verfahrens zum Betreiben des ausgeglichenen Mehrfachmassen-MEMS-Bauelements weist lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten Kopplers entlang einer Achse nahe der ersten und der zweiten Prüfmasse und des zweiten Kopplers entlang einer Achse distal der ersten und der zweiten Prüfmasse auf.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner Schwenken eines zwischen dem ersten Koppler und der ersten Prüfmasse schwenkbaren Gelenks auf, während sich der erste Koppler linear translatorisch bewegt.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner lineares translatorisches Bewegen eines Schiebers auf, der an dem schwenkbaren Gelenk angekoppelt und zwischen dem schwenkbaren Gelenk und der ersten Prüfmasse angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein ausgeglichenes Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement bereitgestellt, das Folgendes aufweist: ein Substrat; eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist; eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung ausgebildet ist; und ein Mittel zum Blockieren einer linearen Inphasenbewegung der ersten und der zweiten Prüfmasse.
Bei einigen Ausführungsformen beschränkt das Mittel zum Blockieren einer linearen Inphasenbewegung der ersten der zweiten Prüfmasse die erste und die zweite Prüfmasse auf eine lineare Gegenphasenbewegung.
Bei einigen Ausführungsformen weist das Mittel zum Blockieren einer linearen Inphasenbewegung der ersten und zweiten Prüfmasse ein Mittel zum Blockieren einer Drehung der ersten und der zweiten Prüfmasse auf.
Bei einigen Ausführungsformen weist das ausgeglichene Mehrfachmassen-MEMS-Bauelement ferner ein Mittel zum Blockieren einer Phasenquadratur auf, das mit dem Mittel zum Blockieren einer linearen Inphasenbewegung der ersten der zweiten Prüfmasse gekoppelt ist.
Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können so verwendet werden, dass sie bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 20% eines Zielwertes, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 10% eines Zielwertes, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 5% eines Zielwertes und dennoch bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 2% liegen. Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können den Zielwert beinhalten.

Claims

MEMS-Bauelement mit synchronisierter Masse, das Folgendes aufweist: ein Substrat; eine erste Prüfmasse, die durch ein erstes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; eine zweite Prüfmasse, die durch ein zweites Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; eine dritte Prüfmasse, die durch ein drittes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; eine vierte Prüfmasse, die durch ein viertes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; und einen ersten Koppler, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und zur linearen Bewegung parallel zur ersten Achse, wenn sich die erste Prüfmasse in eine erste Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt und sich die zweite Prüfmasse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt, ausgebildet ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen zweiten Koppler, der die dritte und die vierte Prüfmasse miteinander koppelt und dahingehend ausgebildet ist, sich parallel zur ersten Achse linear zu bewegen, wenn sich die dritte Prüfmasse in die zweite Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt und sich die vierte Prüfmasse in die erste Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear in die gleiche Richtung zu bewegen.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen dritten Koppler, der die erste und die dritte Prüfmasse miteinander koppelt, und einen vierten Koppler, der die zweite und die vierte Prüfmasse miteinander koppelt, wobei der dritte und der vierte Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear parallel zur zweiten Achse zu bewegen, wenn sich die vier Prüfmassen linear in einer Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, ferner aufweisend einen dritten Koppler, der die erste und die zweite Prüfmasse koppelt, wobei der erste und der dritte Koppler bezüglich einander linear angeordnet sind.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, wobei das MEMS-Bauelement mehrere Koppler aufweist, die den ersten Koppler aufweisen, und wobei die mehreren Koppler dahingehend ausgebildet sind, zusammen eine lineare Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur ersten und zur zweiten Achse zu erzwingen, und wobei die Koppler der mehreren Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear zu bewegen, wenn die vier Prüfmassen eine Gegenphasenbewegung zeigen.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 7, wobei die Koppler der mehreren Koppler Massen aufweisen, die so ausgewählt sind, dass sie zusammen einen Nettoimpuls von im Wesentlichen null bereitstellen, wenn sie sich linear translatorisch bewegen.
Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Bauelements mit synchronisierter Masse, das vier miteinander gekoppelte Prüfmassen aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bewegen der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer ersten Achse; lineares translatorisches Bewegen eines ersten Kopplers, der die erste und die zweite Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelt, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen; und lineares translatorisches Bewegen eines zweiten Kopplers, der die dritte und die vierte Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelt, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei lineares translatorisches Bewegen des ersten Kopplers und lineares translatorisches Bewegen des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei lineares translatorisches Bewegen des ersten Kopplers und lineares translatorisches Bewegen des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers in entgegengesetzte Richtungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend Bewegen der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse, lineares translatorisches Bewegen eines dritten Kopplers, der eine dritte Prüfmasse der vier Prüfmassen mit der ersten Prüfmasse koppelt, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur zweiten Achse bewegen, und lineares translatorisches Bewegen eines vierten Kopplers, der eine vierte Prüfmasse der vier Prüfmassen mit der zweiten Prüfmasse koppelt, wenn sich die vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur zweiten Achse bewegen.
Verfahren nach Anspruch 9, das lineares translatorisches Bewegen mehrerer Koppler, aufweisend den ersten und den zweiten Koppler in einem impulsausgeglichenen Betrieb, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei Bewegen der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse Antreiben der vier Prüfmassen aufweist, wobei das Verfahren ferner Erfassen einer Drehung des MEMS-Bauelements mit synchronisierter Masse durch Bewegen der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse aufweist, und wobei das Verfahren ferner Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen sowohl entlang der ersten als auch der zweiten Achse unter Verwendung mehrerer sich linear translatorisch bewegender Koppler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, ferner aufweisend lineares translatorisches Bewegen eines dritten Kopplers, der die erste und die zweite Prüfmasse koppelt, in eine Richtung, die der entgegengesetzt ist, in die der erste Koppler translatorisch bewegt wird.