DE102017130384B4 - Synchronized mass gyroscope - Google Patents
Synchronized mass gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- DE102017130384B4 DE102017130384B4 DE102017130384.7A DE102017130384A DE102017130384B4 DE 102017130384 B4 DE102017130384 B4 DE 102017130384B4 DE 102017130384 A DE102017130384 A DE 102017130384A DE 102017130384 B4 DE102017130384 B4 DE 102017130384B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- proof masses
- proof
- axis
- masses
- parallel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
- G01C19/5733—Structural details or topology
- G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
- G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/02—Rotary gyroscopes
Abstract
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; undeinen ersten Koppler, der die erste und die zweite Prüfmasse miteinander koppelt und dazu ausgebildet ist, sich parallel zur ersten Achse linear zu bewegen und die Bewegung der ersten und zweiten Prüfmasse auf eine synchrone, lineare Gegenphasenbewegung zu beschränken, so dass, wenn sich die erste Prüfmasse in eine erste Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt, sich die zweite Prüfmasse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt.A synchronized ground MEMS device, comprising:a substrate;a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion parallel to both first and second transverse axes;a second proof mass supported by a second tether coupled to the substrate and configured for linear movement parallel to both the first and second transverse axes; anda first coupler coupling the first and second proof masses together and configured to linearly move parallel to the first axis and constrain movement of the first and second proof masses to synchronous, anti-phase linear movement such that when the first proof mass moves in a first direction parallel to the second axis, the second proof mass moves in a second direction parallel to the second axis, opposite the first direction.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft MEMS-Bauelemente (MEMS - mikroelektromechanisches System) mit mehreren sich bewegenden Massen.The present disclosure relates to MEMS (microelectromechanical system) devices with multiple moving masses.
HINTERGRUNDBACKGROUND
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.Gyroscopes (sometimes referred to simply as "gyros") are rotation-sensitive devices and can therefore be used to detect rotation. MEMS gyroscopes typically contain a moving body, sometimes referred to as a "proof mass," to which an electrical signal is applied to produce motion primarily along a specific axis. This is referred to as propelling the proof mass, and the axis along which the proof mass is propelled is sometimes referred to as the "drive axis". In addition, when the gyroscope undergoes rotation, the proof mass moves along a different axis than the drive axis, sometimes referred to as the measurement axis. In some MEMS gyroscopes, rotation causes the proof mass to move linearly along the measurement axis. For others, rotation causes the proof mass to rotate. Movement of the proof mass along the measurement axis is detected, thereby providing an indication of the rotation experienced by the gyroscope.
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.Some MEMS gyroscopes contain multiple proof masses that are mechanically coupled together. The proof masses may be coupled together in an attempt to provide synchronous motion while inhibiting undesired motion along either the measurement or drive axis.
US 2014 / 0 260 615 A1 offenbart einen MEMS-Resonator mit zwei schwingenden Massen mit einem gegenphasigen und einem gleichphasigen Resonanzmodus, wobei jeder Modus eine Resonanzfrequenz aufweist, und einem mit den beiden schwingenden Massen gekoppelten Hebelsystem für die gegenphasige Resonanz, um den gleichphasigen Resonanzmodus zu versteifen und/oder zu dämpfen, während der gegenphasige Resonanzmodus nachgiebig bleibt. Dadurch wird die gleichphasige Resonanzfrequenz effektiv über die gegenphasige Resonanzfrequenz angehoben, und es entsteht möglicherweise ein großer Frequenzabstand zwischen den beiden Resonanzmoden. Dadurch wird der Energietransfer zwischen den beiden Schwingungsformen verringert, was zu einer größeren Robustheit gegenüber externen Beschleunigungen führt, da die phasengleiche Schwingungsform eine höhere Frequenz aufweist. Das Anti-Phasen-Resonanz-Hebelsystem ist zwischen den beiden Resonanzmassen als interner Hebelmechanismus oder um die beiden Resonanzmassen herum als externer Hebelmechanismus angeordnet.US 2014 / 0 260 615 A1 discloses a MEMS resonator with two vibrating masses with an anti-phase and an in-phase resonance mode, each mode having a resonance frequency, and a lever system coupled to the two vibrating masses for the anti-phase resonance to the in-phase resonance mode stiffen and/or dampen while the antiphase resonant mode remains compliant. This effectively raises the in-phase resonant frequency above the anti-phase resonant frequency and potentially creates a large frequency separation between the two resonant modes. This reduces the energy transfer between the two modes, resulting in greater robustness to external accelerations since the in-phase mode has a higher frequency. The anti-phase resonance lever system is arranged between the two resonance masses as an internal lever mechanism or around the two resonance masses as an external lever mechanism.
US 2010 / 0 313 657 A1 offenbart einen Z-Achse-Vibrationskreisel, der mit mindestens zwei entkoppelten Vibrationszinken, einem zwischen den Zinken gekoppelten Antriebsmodus-Mechanismus, der strukturell eine gegenphasige Antriebsmodus-Bewegung der Zinken bei einer vorbestimmten Antriebsfrequenz erzwingt, hergestellt ist, um störende Frequenzmoden der gegenphasigen Antriebsmodusbewegung der Zinken zu eliminieren, die niedriger als die vorbestimmte Antriebsfrequenz sind, und um eine Synchronisation der Antriebs- und Abtastmodusbewegung der Zinken bereitzustellen, und einen Abtastmodusmechanismus, der zwischen den Zinken gekoppelt ist, der so angeordnet und konfiguriert ist, dass er eine linear gekoppelte, dynamisch ausgeglichene gegenphasige Abtastmodusbewegung der Zinken bereitstellt, um den Energieverlust des Substrats zu minimieren und den Qualitätsfaktor des Abtastmodus und die Ratenempfindlichkeit zu verbessern.US 2010 / 0 313 657 A1 discloses a Z-axis vibratory gyro made with at least two decoupled vibratory tines, a drive mode mechanism coupled between the tines that structurally enforces anti-phase drive mode movement of the tines at a predetermined drive frequency to to eliminate spurious frequency modes of the anti-phase drive mode movement of the tines that are lower than the predetermined drive frequency, and to provide synchronization of the drive and scan mode movement of the tines, and a scan mode mechanism coupled between the tines arranged and configured such that It provides linearly coupled, dynamically balanced, anti-phase scan mode motion of the tines to minimize substrate energy loss and improve scan mode quality factor and rate sensitivity.
KURZFASSUNG DER OFFENBARUNGSUMMARY OF REVELATION
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.Micromachined inertial devices are presented that have multiple linearly moving masses coupled together by couplers that move linearly when the coupled masses exhibit antiphase motion. The couplers move in ent opposite directions from each other such that a coupler on one side of the moveable masses moves in a first linear direction and another coupler on the opposite side of the moveable masses moves in a second linear direction opposite to the first linear direction. The couplers ensure proper anti-phase movement of the masses.
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.In certain embodiments, a balanced multi-mass MEMS device is provided that includes a substrate, a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion, and a second proof mass coupled to the substrate by a second tether Substrate is coupled and is designed for linear movement having. The balanced multi-mass MEMS device further includes a first coupler that couples the first and second proof masses together and for linear motion when the first proof mass moves in a first direction and the second proof mass moves in a second direction opposite the first direction Moved direction is formed.
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.In certain embodiments, a method of operating a multi-mass balanced MEMS device is provided, comprising linearly moving a first proof mass and a second proof mass in anti-phase motion and linearly translating a first coupler coupling the first and second proof masses when the first and moving the second proof mass linearly in anti-phase motion.
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.In certain embodiments, a balanced multi-mass MEMS device is provided that includes a substrate, a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion, and a second proof mass coupled to the substrate by a second tether Substrate is coupled and is designed for linear movement having. The balanced multi-mass MEMS device further includes means for blocking in-phase motion of the first and second proof masses.
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.In certain embodiments, a synchronized mass MEMS device is provided that includes a substrate, a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion parallel to both the first and second transverse axes, and a second proof mass coupled to the substrate by a second tether and adapted for linear motion parallel to both the first and second transverse axes, a third proof mass coupled to the substrate by a third tether and adapted for linear motion parallel to both the first and second second transverse axis, and a fourth proof mass coupled to the substrate by a fourth tether and configured for linear movement parallel to both the first and second transverse axes. The device further includes a first coupler that couples the first and second proof masses together and for linear movement parallel to the first axis when the first proof mass moves in a first direction parallel to the second axis and the second proof mass moves in one of the first Direction opposite second direction moves parallel to the second axis is formed.
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.In certain embodiments, a method of operating a synchronized mass MEMS device having four proof masses coupled together is provided, the method comprising moving the four proof masses in linear anti-phase motion parallel to a first axis, linearly translating one of the first and the second proof mass of the four proof masses coupling the first coupler when the four proof masses move in a linear anti-phase motion parallel to the first axis, and linearly translating a second coupler coupling the third and fourth proof masses of the four proof masses when the four proof masses move in a linear Move in anti-phase motion parallel to the first axis having.
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.In certain embodiments, a balanced, synchronized-mass MEMS gyroscope is provided that includes a first substrate, first, second, third, and fourth proof masses suspended over and coupled to the substrate and each for translating linearly parallel to the first and second axis, and means for forcing linear anti-phase motion of the four proof masses parallel to the first axis.
Figurenlistecharacter list
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 von1A 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 in1A dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar. -
2B ist eine Nahansicht eines Haltebands der in dem Gyroskop von2A enthaltenen Art zur Kopplung einer Prüfmasse mit einem beweglichen Schieber. -
2C ist eine Nahansicht eines Ankers und Schwenkpunkts der in dem Gyroskop von2A enthaltenen Art. -
2D ist eine Nahansicht eines Scharniers der in dem Gyroskop von2A enthaltenen Art. -
2E-1 ist eine Darstellungsskizze eines schwenkbaren Gelenks der in dem Gyroskop von2A enthaltenen Art. -
2E-2 stellt einen ersten Verformungszustand der Struktur von2E-1 dar, in dem die schwenkbaren Gelenksegmente in entgegengesetzte Richtungen schwenken. -
2E-3 stellt einen zweiten Verformungszustand der Struktur von2E-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 von2A . -
2F-2 stellt eine gestattete Bewegung der Struktur von2F-1 da. -
2F-3 stellt eine verhinderte Bewegung der Struktur von2F-1 dar. -
2G ist eine Nahansicht eines die linearen Läufer mit einem schwenkbaren Gelenk des Gyroskops von2A koppelnden Kopplers. -
2H stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in1F dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar. -
2I stellt einen Verformungszustand des Gyroskops von2H dar, in dem die Prüfmassen eine Gegenphasenbewegung in die y-Richtung zeigen. -
2J ist eine Darstellungsskizze von zwei ausgeglichenen Läufern des Gyroskops von2I , die einen Verformungszustand zeigt. -
2K stellt eine Alternative zu der Konfiguration von2J 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 in2H gezeigten dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer an ihren Innen- und Außenrändern zurückgehalten werden. -
2M stellt eine Alternative zu der Konfiguration von2L dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer direkt miteinander gekoppelt sind. -
2N stellt einen Verformungszustand einer Struktur wie der in2M 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 von3A 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 von4A 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.
-
1A Figure 12 is a block diagram representation of a MEMS device having multiple sliders interconnected by linear motion coupled proof masses according to an embodiment of the present application. - the
1B-1E represent four states of anti-symmetric (or anti-phase) operation of the MEMS device1A represent. -
1F 12 is a block diagram representation of a gyroscope having multiple proof masses coupled together by linearly moving sliders, including multiple counter-moving sliders on a same side of the proof masses, according to an embodiment of the present application. -
2A represents a gyroscope with several runners moving linearly through the in1A illustrated type of coupled test masses. -
2 B 12 is a close-up view of a tether used in the gyroscope of FIG2A included method of coupling a proof mass to a moveable slider. -
2C 12 is a close-up view of an anchor and pivot used in the gyroscope of FIG2A contained Art. -
2D is a close-up view of a hinge used in the gyroscope of2A contained Art. -
2E-1 FIG. 12 is a sketch representation of a pivotal joint used in the gyroscope of FIG2A contained Art. -
2E-2 represents a first state of deformation of the structure of2E-1 represents, in which the pivotable joint segments pivot in opposite directions. -
2E-3 represents a second deformation state of the structure of2E-1 is, in which the pivotable joint segments each pivot in the same direction. -
2F-1 12 is a close-up view of a box spring connector for coupling adjacent proof masses in the gyroscope of FIG2A . -
2F-2 represents a permitted movement of the structure of2F-1 there. -
2F-3 represents a prevented movement of the structure of2F-1 represent. -
2G is a closeup of one of the linear runners with a pivoting joint of the gyroscope2A coupling coupler. -
2H represents a gyroscope with several runners moving linearly through the in1F illustrated type of coupled test masses. -
2I represents a deformation state of the gyroscope of2H where the proof masses show anti-phase motion in the y-direction. -
2y is a representation sketch of two balanced gyroscope runners from2I , showing a state of deformation. -
2K provides an alternative to configuring2y in which the balanced runners of a gyroscope are coupled together by a hinge extending substantially perpendicular to the lengths of the runners. -
2L represents an alternative runner configuration to that in2H shown, in which a plurality of linearly arranged runners are restrained at their inner and outer edges. -
2M provides an alternative to configuring2L in which several linearly arranged runners are coupled directly to one another. -
2N represents a deformation state of a structure like that in2M shown. -
3A Figure 12 is a block diagram representation of a MEMS device having four proof masses coupled together by linearly moving sliders. - the
3B-3E represent four states of antisymmetric operation of the MEMS device of FIG3A represent. -
4A Figure 12 illustrates a first strain state of a MEMS gyroscope with a proof mass assembly of four coupled proof masses and linearly moving sliders coupling the proof masses. -
4B represents a second deformation state of the MEMS gyroscope of4A represent. -
4C 12 illustrates a synchronized mass gyroscope in accordance with one non-limiting embodiment of the present application. -
5 14 illustrates an automobile that may employ MEMS devices of the types described herein, in accordance with a non-limiting embodiment of the present application.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
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.Aspects of the present disclosure provide micromachined or MEMS devices having multiple proof masses coupled together by linearly moving mechanical couplers that constrain motion of the coupled proof masses to synchronous, anti-phase linear motion. The couplers move move linearly, while the proof masses exhibit linear anti-phase motion rather than pivoting or rotating. Thus, in at least some embodiments, they are referred to herein as "runners" and serve as coupling and motion-transmitting mechanisms.
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.In some embodiments, the MEMS device includes multiple such runners configured to move in opposite directions, thereby providing balanced operation with no net momentum from the linear motion of the runners. This can prevent undesired movement of the proof masses, thereby ensuring locking of linear and angular accelerations. The oppositely moving runners may have substantially the same masses and/or displacements.
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.In some embodiments, two or more proof masses of a MEMS device are arranged in a proof mass array, with sliders positioned on opposite sides of the proof mass array. The runners on opposite sides of the proof mass assembly can move linearly in opposite directions, thereby providing balanced operation. In some embodiments, multiple counter-moving runners are provided on both the same side of the proof mass assembly and on opposite sides of the proof mass assembly. Thus, in some embodiments, four or more runners may be included in a MEMS device.
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.Various types of MEMS devices may include runners of the types described herein. For example, MEMS gyroscopes, accelerometers, and resonators may include two or more proof masses coupled by balanced sliders of the types described herein. Other micromachined devices are also possible.
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.According to one aspect of the present disclosure, sliders of the types described herein are included in a MEMS gyroscope and couple two linearly moving proof masses of the MEMS gyroscope. The couplers may be configured to move linearly when the proof masses are driven along a drive axis and/or when detecting movement of the proof masses along a measurement axis. For example, the couplers may be arranged to move linearly in response to the gyroscope undergoing rotation. The sliders may resist movement when the gyroscope experiences shock or other forms of acceleration (e.g., linear or angular acceleration), and therefore gyroscopes employing such couplers may exhibit reduced acceleration sensitivity and may be referred to as acceleration-insensitive gyroscopes. In some embodiments, the sliders are arranged to provide synchronous motion in both drive and sense modes of the gyroscope or other MEMS sensor.
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.In some embodiments, a synchronized mass gyroscope is provided that includes four proof masses coupled by movers of the types described herein. The sliders can be configured to force linear anti-phase motion of the four coupled proof masses. This may facilitate momentum balanced operation of the synchronized mass gyroscope. In addition, the runners themselves can be momentum balanced so that their own motion does not impose a net momentum on the gyroscope.
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.The
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
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
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
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
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
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.It should be appreciated that the
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
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.For explanation, assume that the
Die
Die
Obgleich die
Die in den
Wie oben beschrieben, kann das MEMS-Bauelement bei einigen Ausführungsformen mehrere Läufer auf einer einzigen Seite der gekoppelten Prüfmassen enthalten. Erneut auf
Das MEMS-Bauelement 120 von
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.
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.As described, the sliders are optional. They may be included to suppress driving force misalignment and/or measuring force misalignment by resisting movement orthogonal to the desired movement. However, not all embodiments include such sliders. Some embodiments include proof masses, pivoting joints, and runners, but no sliders. In such embodiments, the proof mass can be coupled directly to the pivotable joint.
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.Pivoting
Jedes der dargestellten schwenkbaren Gelenke enthält zwei Segmente, die durch einen Verbinder 217 verbunden sind, von dem ein Beispiel unten in Verbindung mit den
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.The pivotable joints are connected at pivot points to the
Das nicht einschränkende Beispiel von
In
In
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.
Erneut auf
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.In the measurement mode, the left segment of pivot joint 206a and the left segment of pivot joint 206c pivot in response to counterclockwise rotation of
Wie oben in Verbindung mit
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
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
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
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
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.The right-most segment of pivot joint 206a and the left-most segment of pivot joint 206e rotate about their respective pivots counterclockwise so that
Somit ist anhand des Betriebszustands in
Bei einigen Ausführungsformen können mehrere Läufer auf einer gleichen Seite gekoppelter Prüfmassen eines Gyroskops miteinander gekoppelt sein.
Obgleich die
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
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.In operation,
Es sollte auf der Hand liegen, dass
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
In
Man kann sagen, dass die Konfigurationen der
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.As described above, the use of two or more proof masses in a MEMS device, such as a MEMS gyroscope, can provide certain benefits. The use of four proof masses can provide reduced sensitivity to vibration correction (or g×g sensitivity) and linear acceleration (or g sensitivity) by mechanically canceling common mode signals. The use of four proof masses can also provide zero momentum imbalance, which in turn can reduce sensitivity to packet modes, which can eliminate crosstalk between multiple gyroscope cores. The geometric symmetry of using four proof masses can also allow a gyroscope to be used in mode-matched operation, thereby improving the signal-to-noise ratio (SNR) as well as allowing the gyroscope to self-calibrate on the fly (without interrupting its normal operation). . Thus, the scaling factor and the offset stability can be improved den, and recalibration using a shaking or classification table in the laboratory can be avoided. To realize such benefits, the four masses can be mechanically coupled to ensure synchronous movement. Furthermore, the use of linearly moving couplers of the types described herein may facilitate forcing anti-phase motion of the four proof masses while counteracting unwanted translational motion that is sensitive to vibration (e.g., in-phase motion).
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 Coriolis-empfindlichen 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.Thus, aspects of the present application use linearly moving couplers of the types described herein to couple four proof masses together to form a synchronized mass gyroscope. The architectural challenge for MEMS gyroscopes is to preserve two degrees of freedom, since gyroscope operation uses both resonator mode (drive mode) and Coriolis-sensitive mode (measurement mode). The synchronized mass gyroscopes described herein may include linearly moving couplers that force antiphase linear motion of the four coupled proof masses in drive mode, measure mode, or both without causing interference between the two. Furthermore, the couplers are arranged to provide zero net momentum in at least some embodiments.
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.The
Die
Obgleich die
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
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.The synchronized
In
In
Aus den
Obgleich das MEMS-Gyroskop 400 mit synchronisierter Masse Läufer der zuvor in Verbindung mit den
Bei dem Gyroskop 420 mit synchronisierter Masse von
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.From the foregoing, it should be apparent that aspects of the present application provide synchronized mass gyroscopes. The synchronized mass gyroscopes may include four coupled proof masses configured to linearly move along transverse directions and a plurality of runners disposed at a perimeter of the proof mass assembly and forcing anti-phase linear motion of the proof masses. The runners themselves move linearly and do so in a momentum-balanced manner, such that they have essentially zero net momentum. The runners can decouple a movement of the proof masses parallel to an axis of movement of the proof masses parallel to a second axis. Thus, the drive and measurement modes remain decoupled from each other, while both modes exhibit linear anti-phase motion.
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.As has been described, aspects of the present application provide MEMS devices that include multiple moveable proof masses coupled by couplers that constrain the proof masses to linear anti-phase motion, and in which the couplers themselves move linearly. The devices may be resonators, gyroscopes, or accelerometers, among other possible devices. Various systems can use such components. Accordingly, various aspects of the present application provide MEMS devices with runners of the types described herein, the devices in different areas used to detect rotation including but not limited to sports, healthcare, military and industrial applications. Some non-limiting examples will now be described.
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.A system employing a MEMS device of the types described herein may include a power source coupled to the device, processing circuitry (e.g., sensing circuitry) configured to process electrical signals generated by the device to produce a feature derived from Interest is included to evaluate such as rotation, and/or communication circuitry for communicating with external devices, wirelessly or through a wired connection. Such components can be combined into a single housing, thereby providing an integrated product.
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.
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.Another area where MEMS devices of the types described herein can be used is in sensor devices for sports applications such as tennis, swimming, running, baseball, or hockey, among others. In some embodiments, a MEMS gyroscope of the types described herein may be part of a wearable fitness device. In other embodiments, the sensor may be part of a piece of sports equipment, such as part of a tennis racket, baseball bat, or hockey stick. Measurement data from the sensor can be used to evaluate the user's performance.
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.Various embodiments described thus far have illustrated the operation of gyroscopes in relation to detecting in-plane rotation of proof masses. Such gyroscopes are referred to as yaw gyroscopes. However, the use of cursors as described herein can also be applied to gyroscopes that detect other forms of rotation in addition to or as an alternative to detecting yaw. For example, gyroscopes that detect both yaw and pitch, both roll and pitch, or all three, yaw, roll and pitch, can use sliders of the types described herein that couple multiple proof masses together and move in response to anti-phase movement of the proof masses move linearly translationally. Thus, it should be understood that the embodiments described herein that pertain to gyroscopes are not limited as to the type of gyroscope provided.
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.Various embodiments described thus far provide MEMS gyroscopes with linearly moving couplers that couple two or more proof masses of the gyroscope together. Such couplers can be used with multiple mass cavities. Thus, aspects of the present application provide resonators with multiple proof masses coupled together by linearly moving couplers.
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.Aspects of the present application provide MEMS devices (e.g., gyroscopes, accelerometers, and resonators) that possess various beneficial properties, at least some of which have previously been described. It should be understood that not all aspects of the application necessarily provide every benefit, nor are benefits limited to those described herein. Some examples will now be described.
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.In accordance with aspects of the present application, multiple proof mass MEMS devices are provided that have a low level of acceleration sensitivity (which can also be described as acceleration insensitive). Thus, for example, gyroscopes can have extremely accurate performance with respect to rotation detection. Some aspects of the present application provide MEMS gyroscopes that operate in an anti-symmetric manner in both drive and sense modes. Aspects of the present application provide MEMS gyroscopes that are in addition to those described above advantages are relatively insensitive to phase quadrature. Furthermore, the manufacture of such devices, including runners, can be relatively easy and accurate compared to the manufacture of other types of couplers. Thus, high-precision MEMS devices possessing high-precision synchronous anti-phase motion, even with manufacturing errors associated with typical micro-fabrication techniques, can be realized.
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.According to one embodiment, there is provided a synchronized ground balanced MEMS gyroscope, comprising: a substrate, first, second, third, and fourth proof masses suspended over and coupled to the substrate and each configured to rotate translate linearly parallel to the first and second axes; and means for forcing linear anti-phase motion of the four proof masses parallel to the first axis.
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.The balanced synchronized mass MEMS gyroscope, in some embodiments, includes a means for forcing linear anti-phase motion of the four proof masses parallel to the second axis.
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.The means for forcing linear anti-phase motion of the four proof masses parallel to the first axis and the means for forcing linear anti-phase motion of the four proof masses parallel to the second axis includes, in some embodiments, means for providing momentum-balanced operation of the balanced synchronized-mass MEMS gyroscope.
Das ausgeglichene MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse weist bei einigen Ausführungsformen ferner ein Mittel zum Blockieren einer Phasenquadratur der vier Prüfmassen auf.The balanced synchronized mass MEMS gyroscope, in some embodiments, further comprises means for blocking phase quadrature of the four proof masses.
Das ausgeglichene MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse weist bei einigen Ausführungsformen ferner ein Mittel zum Blockieren einer Phasenquadratur der vier Prüfmassen auf.The balanced synchronized mass MEMS gyroscope, in some embodiments, further comprises means for blocking phase quadrature of the four proof masses.
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.According to one embodiment, there is provided a multi-mass balanced MEMS device, comprising: a substrate, a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion; a second proof mass coupled to the substrate by a second tether and configured for linear movement; and a first coupler coupling the first and second proof masses together and configured to move linearly when the first proof mass moves in a first direction and the second proof mass moves in a second direction opposite the first direction.
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.In some embodiments, the first and second proof masses at least partially define a proof mass assembly, wherein the first coupler is disposed on a first side of the proof mass assembly, and wherein the balanced multi-mass MEMS device further includes a second coupler disposed on an opposite side of the first side second side of the proof mass assembly and configured for linear motion opposite to the first coupler when the first and second proof masses exhibit anti-phase linear motion.
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.The balanced multi-mass MEMS device, in some embodiments, further includes a second coupler that couples the first and second proof masses together and for linear movement opposite to the first coupler when the first proof mass moves in the first direction and the second moves Proof mass moves in the second direction opposite the first direction, is formed. In some embodiments, the first and second couplers are coupled on the same side of the first proof mass.
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.In some embodiments, the first and second proof masses at least partially define a proof mass assembly, and the balanced multi-mass MEMS device further includes third and fourth couplers on opposite sides of the proof mass assembly from the first and second couplers, the third coupler being configured thereto is to linearly move in a same direction as the first coupler and the fourth coupler is adapted to linearly move in a same direction as the second coupler when the first proof mass moves in the first direction and the second Proof mass moves in the second direction opposite to the first direction.
Bei einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Koppler bezüglich einander linear angeordnet.In some embodiments, the first and second couplers are linearly arranged with respect to each other.
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.In some embodiments, the first coupler is proximate to the first and second proof masses and the second coupler is distal to the first and second proof masses.
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.In some embodiments, the balanced multi-mass MEMS device further includes a pivotable hinge positioned between the first coupler and the first proof mass is coupled, the first coupler being adapted to move linearly as the pivotable joint pivots.
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.In some such embodiments, the balanced multi-mass MEMS device further includes a moveable slider pivoted to the pivoting hinge and disposed between the pivoting hinge and the first proof mass.
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.According to one embodiment, there is provided a method of operating a multi-mass balanced MEMS device, comprising: linearly moving a first proof mass and a second proof mass in anti-phase motion; and linearly translating a first coupler coupling the first and second proof masses when the first and second proof masses linearly translate in anti-phase motion.
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.In some embodiments, the first and second proof masses at least partially define a proof mass assembly, the first coupler being disposed on a first side of the proof mass assembly, and the method further comprising linearly translating a second coupler in a direction opposite to the first coupler when the linearly moving first and second proof masses in anti-phase motion, wherein the second coupler is disposed on a second side of the proof mass assembly opposite the first side.
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.In some embodiments, the method of operating the balanced multi-mass MEMS device further comprises linearly translating a second coupler coupling the first and second proof masses in a direction opposite to the first coupler when the first and second proof masses linearly translate in anti-phase motion move.
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.In some embodiments, the first and second proof masses at least partially define a proof mass assembly, and wherein the balanced multi-mass MEMS device further comprises third and fourth couplers on opposite sides of the proof mass assembly from the first and second couplers, and the method further linearly translating the third coupler in the same direction as the first coupler and linearly translating the fourth coupler in a same direction as the second coupler when the first and second proof masses move in anti-phase linear motion.
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.In some embodiments of the method, linearly translating the first and second couplers comprises linearly translating the first and second couplers along a common axis.
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.In some embodiments of the method of operating the balanced multi-mass MEMS device, linearly translating the first and second couplers comprises linearly translating the first coupler along an axis proximate to the first and second proof masses and the second coupler along an axis distal to the first and the second proof mass.
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.In some embodiments, the method further comprises pivoting a pivotable joint between the first coupler and the first proof mass while the first coupler linearly translates.
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.In some embodiments, the method further comprises linearly translating a slider coupled to the pivoting joint and disposed between the pivoting joint and the first proof mass.
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.According to one embodiment, there is provided a multi-mass balanced MEMS device, comprising: a substrate; a first proof mass coupled to the substrate by a first tether and configured for linear motion; a second proof mass coupled to the substrate by a second tether and configured for linear movement; and means for blocking in-phase linear motion of the first and second proof masses.
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.In some embodiments, the means for blocking in-phase linear motion of the first or second proof masses constrains the first and second proof masses to anti-phase linear motion.
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.In some embodiments, the means for blocking in-phase linear motion of the first and second proof masses comprises means for blocking rotation of the first and second proof masses.
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.In some embodiments, the balanced multi-mass MEMS device further comprises a means for blocking phase quadrature coupled to the means for blocking in-phase linear motion of the first of the second proof masses.
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.The terms "approximately" and "about" may be used to mean within +20% of a target value in some embodiments, within ±10% of a target value in some embodiments, within ±5% of a target value in some embodiments, and nevertheless be within +2% in some embodiments. The terms "approximately" and "about" may include the target value.
Claims (16)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/383,318 | 2016-12-19 | ||
US15/383,318 US10415968B2 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Synchronized mass gyroscope |
US15/383,366 | 2016-12-19 | ||
US15/383,366 US10697774B2 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Balanced runners synchronizing motion of masses in micromachined devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017130384A1 DE102017130384A1 (en) | 2018-06-21 |
DE102017130384B4 true DE102017130384B4 (en) | 2022-03-31 |
Family
ID=62251098
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102017130384.7A Active DE102017130384B4 (en) | 2016-12-19 | 2017-12-18 | Synchronized mass gyroscope |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6640176B2 (en) |
CN (1) | CN108204806B (en) |
DE (1) | DE102017130384B4 (en) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6922961B2 (en) * | 2018-10-18 | 2021-08-18 | 株式会社村田製作所 | Micro electromechanical device for rotational motion detection |
US11099207B2 (en) * | 2018-10-25 | 2021-08-24 | Analog Devices, Inc. | Low-noise multi-axis accelerometers and related methods |
JP6879391B2 (en) * | 2019-02-15 | 2021-06-02 | 株式会社村田製作所 | Multi-axis gyroscope with sync frame |
EP3971522B1 (en) | 2020-05-25 | 2023-06-28 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Multiaxis gyroscope with supplementary masses |
WO2021252398A1 (en) | 2020-06-08 | 2021-12-16 | Analog Devices, Inc. | Drive and sense stress relief apparatus |
EP4162281A1 (en) | 2020-06-08 | 2023-04-12 | Analog Devices, Inc. | Stress-relief mems gyroscope |
US11698257B2 (en) | 2020-08-24 | 2023-07-11 | Analog Devices, Inc. | Isotropic attenuated motion gyroscope |
CN112014594A (en) * | 2020-08-31 | 2020-12-01 | 中国地震局地球物理研究所 | Sensitivity-enhanced FBG acceleration sensor based on flexible hinge and measurement method |
DE102020211307A1 (en) | 2020-09-09 | 2022-03-10 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Sensor system, method for operating a sensor system |
US11624613B2 (en) * | 2020-12-03 | 2023-04-11 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Synchronized four mass gyroscope |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008042369A1 (en) | 2008-09-25 | 2010-04-01 | Robert Bosch Gmbh | Coupling structure for a rotation rate sensor device, rotation rate sensor device and manufacturing method |
US20100313657A1 (en) | 2009-06-12 | 2010-12-16 | The Regents Of The University Of California | Micromachined tuning fork gyroscopes with ultra-high sensitivity and shock rejection |
US20140260615A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | The Regents Of The University Of California | Lever mechanisms for anti-phase mode isolation in mems tuning-fork structures |
DE102015107251A1 (en) | 2014-05-15 | 2015-11-19 | Maxim Integrated Products, Inc. | Impact resistance systems and methods of a MEMS gyroscope |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6629460B2 (en) * | 2001-08-10 | 2003-10-07 | The Boeing Company | Isolated resonator gyroscope |
CN1278922C (en) * | 2004-03-12 | 2006-10-11 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | Fork type micromechanical gyro and its manufacturing method |
US7421897B2 (en) * | 2005-04-14 | 2008-09-09 | Analog Devices, Inc. | Cross-quad and vertically coupled inertial sensors |
DE102009001244A1 (en) * | 2009-02-27 | 2010-09-02 | Sensordynamics Ag | Micro gyroscope for determining rotational movements about an x, y or z axis |
EP2616772B1 (en) * | 2010-09-18 | 2016-06-22 | Fairchild Semiconductor Corporation | Micromachined monolithic 3-axis gyroscope with single drive |
FI124020B (en) * | 2011-03-04 | 2014-02-14 | Murata Electronics Oy | Spring structure, resonator, resonator array and sensor |
DE102012200929B4 (en) * | 2012-01-23 | 2020-10-01 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical structure and method for manufacturing a micromechanical structure |
WO2013116522A1 (en) * | 2012-02-01 | 2013-08-08 | Cenk Acar | Mems multi-axis gyroscope z-axis electrode structure |
CN202793402U (en) * | 2012-07-19 | 2013-03-13 | 水木智芯科技(北京)有限公司 | Full-decoupling capacitive uniaxial micromechanical gyroscope with four mass blocks |
US8973439B1 (en) * | 2013-12-23 | 2015-03-10 | Invensense, Inc. | MEMS accelerometer with proof masses moving in anti-phase direction normal to the plane of the substrate |
CN104089612B (en) * | 2014-07-28 | 2017-02-15 | 东南大学 | Dual-tuning fork effect-based symmetric full-decoupling dual-mass block silicon micro-gyroscope |
CN104501792B (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-22 | 东南大学 | A kind of split type difference silicon micro-resonance type accelerometer of twin shaft |
CN104931032B (en) * | 2015-06-26 | 2018-04-10 | 清华大学 | A kind of mass MEMS resonant formula gyroscope of single anchor point four |
-
2017
- 2017-12-18 JP JP2017241579A patent/JP6640176B2/en active Active
- 2017-12-18 DE DE102017130384.7A patent/DE102017130384B4/en active Active
- 2017-12-19 CN CN201711370873.1A patent/CN108204806B/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008042369A1 (en) | 2008-09-25 | 2010-04-01 | Robert Bosch Gmbh | Coupling structure for a rotation rate sensor device, rotation rate sensor device and manufacturing method |
US20100313657A1 (en) | 2009-06-12 | 2010-12-16 | The Regents Of The University Of California | Micromachined tuning fork gyroscopes with ultra-high sensitivity and shock rejection |
US20140260615A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | The Regents Of The University Of California | Lever mechanisms for anti-phase mode isolation in mems tuning-fork structures |
DE102015107251A1 (en) | 2014-05-15 | 2015-11-19 | Maxim Integrated Products, Inc. | Impact resistance systems and methods of a MEMS gyroscope |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6640176B2 (en) | 2020-02-05 |
CN108204806B (en) | 2021-10-08 |
JP2018100966A (en) | 2018-06-28 |
DE102017130384A1 (en) | 2018-06-21 |
CN108204806A (en) | 2018-06-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102017130384B4 (en) | Synchronized mass gyroscope | |
DE102017130218B4 (en) | Bending coupler for MEMS devices (MEMS microelectromechanical system) | |
EP2475960B1 (en) | Double-axial, impact-resistant yaw rate sensor comprising nested, linearly oscillating seismic elements | |
EP2160566B1 (en) | Rotation rate sensor | |
DE602004006205T2 (en) | Micro-manufactured gyroscope with double tuning fork | |
DE19928759B4 (en) | Angular rate sensor | |
EP1373831B1 (en) | Angular rate sensor | |
DE69832623T2 (en) | MICRO-MADE CIRCLES | |
DE60032100T2 (en) | Micro gyroscope with two resonant plates | |
US10697774B2 (en) | Balanced runners synchronizing motion of masses in micromachined devices | |
DE69732178T2 (en) | MICROMECHANICAL DEVICE WITH IMPROVED DIMENSIONAL CONTROL | |
DE19534947C2 (en) | Vibrating gyroscope | |
DE602004011691T2 (en) | ELECTRODE MOUNTING FOR COMPENSATING THE REMOVAL FROM THE SUBSTRATE LEVEL FOR A ACCELERATING KNIFE | |
DE60317436T2 (en) | For longitudinal acceleration tunable micro-gyro | |
EP2191162B1 (en) | Micromechanical spring | |
EP2401581A1 (en) | Microgyroscope for determining rotational movements about an x and/or y and z axis | |
DE3417858A1 (en) | ANGLE SPEED SENSING SYSTEM | |
DE102004017480B4 (en) | Rotary rotation rate sensor with mechanically decoupled vibration modes | |
EP2184583A1 (en) | Micromechanical coriolis rotation rate sensor | |
DE102007021920A1 (en) | Micromechanical component, micromechanical system, apparatus for adjusting a sensitivity of a micromechanical component, method for producing a micromechanical component | |
DE102011006394A1 (en) | Rotational speed sensor | |
DE102015117094A1 (en) | MEMS rate sensor | |
EP3167265A1 (en) | Sensor | |
DE60318139T2 (en) | Isolator and arrangement configuration | |
DE102021200483A1 (en) | Triaxial yaw rate sensor with a substrate and a double rotor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ANALOG DEVICES, INC., WILMINGTON, US Free format text: FORMER OWNER: ANALOG DEVICES, INC., NORWOOD, MA, US |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WITTE, WELLER & PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |