DE102017130384B4 - Synchronized mass gyroscope - Google Patents

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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
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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.

DE 10 2015 107 251 A1 offenbart ein Gyroskop, bei dem eine Unempfindlichkeit gegen unerwünschte Kräfte, die den Signalausgang beeinflussen, durch eine Schachbrettmuster-Architektur von Prüfmassen geschaffen ist, die eine zweite Schicht differentieller Signale vorsieht, die bei bekannten Lösungen nicht vorhanden sind. Die Massen sind parallel zueinander in einer Zwei-mal-Zwei-Anordnung mit zwei rechtwinkligen Symmetrieachsen ausgerichtet. Die Massen sind derart zum Schwingen angesteuert, dass sich jede Masse antiparallel zu einer benachbarten Prüfmasse bewegt. DE 10 2015 107 251 A1 discloses a gyroscope in which immunity to unwanted forces affecting signal output is provided by a checkerboard architecture of proof masses that provides a second layer of differential signals not present in known solutions. The masses are aligned parallel to each other in a two by two arrangement with two orthogonal axes of symmetry. The masses are driven to oscillate in such a way that each mass moves anti-parallel to an adjacent proof mass.

DE 10 2008 042 369 A1 offenbart eine Koppelstruktur für eine Drehratensensorvorrichtung, mit mindestens einer ersten Schwingmasse und einem die erste Schwingmasse umgebenden ersten Rahmen, an welchen die erste Schwingmasse gekoppelt ist; wobei der erste Rahmen vier Winkelelemente umfasst, von denen jedes der Winkelelemente mindestens einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist und mit dem ersten Schenkel und mit dem zweiten Schenkel jeweils an ein anderes benachbartes Winkelelement der vier Winkelelemente gekoppelt ist. DE 10 2008 042 369 A1 discloses a coupling structure for a rotation rate sensor device, with at least one first oscillating mass and a first frame surrounding the first oscillating mass, to which the first oscillating mass is coupled; the first frame comprising four angle members, each of the angle members having at least a first leg and a second leg and coupled with the first leg and the second leg to a different adjacent one of the four angle members, respectively.

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 von 1A dar.
  • 1F ist eine Blockdiagrammdarstellung eines Gyroskops mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer miteinander gekoppelten Prüfmassen, das mehrere sich entgegengesetzt bewegende Läufer auf einer gleichen Seite der Prüfmassen enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
  • 2A stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1A dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar.
  • 2B ist eine Nahansicht eines Haltebands der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art zur Kopplung einer Prüfmasse mit einem beweglichen Schieber.
  • 2C ist eine Nahansicht eines Ankers und Schwenkpunkts der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
  • 2D ist eine Nahansicht eines Scharniers der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
  • 2E-1 ist eine Darstellungsskizze eines schwenkbaren Gelenks der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art.
  • 2E-2 stellt einen ersten Verformungszustand der Struktur von 2E-1 dar, in dem die schwenkbaren Gelenksegmente in entgegengesetzte Richtungen schwenken.
  • 2E-3 stellt einen zweiten Verformungszustand der Struktur von 2E-1 dar, in dem die schwenkbaren Gelenksegmente jeweils in die gleiche Richtung schwenken.
  • 2F-1 ist eine Nahansicht eines Kastenfederverbinders zur Kopplung benachbarter Prüfmassen in dem Gyroskop von 2A.
  • 2F-2 stellt eine gestattete Bewegung der Struktur von 2F-1 da.
  • 2F-3 stellt eine verhinderte Bewegung der Struktur von 2F-1 dar.
  • 2G ist eine Nahansicht eines die linearen Läufer mit einem schwenkbaren Gelenk des Gyroskops von 2A koppelnden Kopplers.
  • 2H stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1F dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar.
  • 2I stellt einen Verformungszustand des Gyroskops von 2H dar, in dem die Prüfmassen eine Gegenphasenbewegung in die y-Richtung zeigen.
  • 2J ist eine Darstellungsskizze von zwei ausgeglichenen Läufern des Gyroskops von 2I, die einen Verformungszustand zeigt.
  • 2K stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2J dar, bei der die ausgeglichenen Läufer eines Gyroskops durch ein Gelenk, das sich im Wesentlichen senkrecht zu den Längen der Läufer erstreckt, miteinander gekoppelt sind.
  • 2L stellt eine alternative Läuferkonfiguration zu der in 2H gezeigten dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer an ihren Innen- und Außenrändern zurückgehalten werden.
  • 2M stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2L dar, bei der mehrere linear angeordnete Läufer direkt miteinander gekoppelt sind.
  • 2N stellt einen Verformungszustand einer Struktur wie der in 2M gezeigten dar.
  • 3A ist eine Blockdiagrammdarstellung eines MEMS-Bauelements mit vier durch sich linear bewegende Läufer miteinander gekoppelten Prüfmassen.
  • Die 3B-3E stellen vier Zustände eines antisymmetrischen Betriebs des MEMS-Bauelements von 3A dar.
  • 4A stellt einen ersten Verformungszustand eines MEMS-Gyroskops mit einer Prüfmassenanordnung von vier gekoppelten Prüfmassen und die Prüfmassen koppelnden, sich linear bewegenden Läufern dar.
  • 4B stellt einen zweiten Verformungszustand des MEMS-Gyroskops von 4A dar.
  • 4C stellt ein Gyroskop mit synchronisierter Masse gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung dar.
  • 5 stellt ein Automobil dar, das MEMS-Bauelemente der hierin beschriebenen Arten gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung einsetzen kann.
Various aspects and embodiments of the application are described with reference to the following figures. It should be obvious that the figures are not necessarily drawn to scale. Objects appearing in multiple figures are given the same reference number in all the figures in which they appear.
  • 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 device 1A 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 in 1A illustrated type of coupled test masses.
  • 2 B 12 is a close-up view of a tether used in the gyroscope of FIG 2A 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 FIG 2A contained Art.
  • 2D is a close-up view of a hinge used in the gyroscope of 2A contained Art.
  • 2E-1 FIG. 12 is a sketch representation of a pivotal joint used in the gyroscope of FIG 2A contained Art.
  • 2E-2 represents a first state of deformation of the structure of 2E-1 represents, in which the pivotable joint segments pivot in opposite directions.
  • 2E-3 represents a second deformation state of the structure of 2E-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 FIG 2A .
  • 2F-2 represents a permitted movement of the structure of 2F-1 there.
  • 2F-3 represents a prevented movement of the structure of 2F-1 represent.
  • 2G is a closeup of one of the linear runners with a pivoting joint of the gyroscope 2A coupling coupler.
  • 2H represents a gyroscope with several runners moving linearly through the in 1F illustrated type of coupled test masses.
  • 2I represents a deformation state of the gyroscope of 2H where the proof masses show anti-phase motion in the y-direction.
  • 2y is a representation sketch of two balanced gyroscope runners from 2I , showing a state of deformation.
  • 2K provides an alternative to configuring 2y 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 in 2H shown, in which a plurality of linearly arranged runners are restrained at their inner and outer edges.
  • 2M provides an alternative to configuring 2L in which several linearly arranged runners are coupled directly to one another.
  • 2N represents a deformation state of a structure like that in 2M 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 FIG 3A 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 of 4A 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.

1A stellt eine vereinfachte Form eines MEMS-Bauelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung mit zwei durch sich linear bewegende Koppler („Läufer“), die einer symmetrischen Bewegung (auch als „Inphasenbewegung“ bezeichnet) der Prüfmassen widerstehen (oder sie blockieren) und eine antisymmetrische Bewegung (auch als „Gegenphasenbewegung“ bezeichnet) der Prüfmassen gestatten, miteinander gekoppelten Prüfmassen. Das MEMS-Bauelement 100 enthält eine erste Prüfmasse 102a, eine zweite Prüfmasse 102b, ein Substrat 104, Haltebänder 106a, 106b, 106c, 106d, 106e und 106f, Läufer 108a und 108b und einen Koppler 114. 1A Figure 1 provides a simplified form of a MEMS device in accordance with one aspect of the present application, having two linearly moving couplers (“sliders”) that resist (or block) symmetric motion (also referred to as “in-phase motion”) of the proof masses and one antisymmetric Allowing motion (also referred to as “anti-phase motion”) of proof masses, coupled proof masses. The MEMS device 100 includes a first proof mass 102a, a second proof mass 102b, a substrate 104, tethers 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, and 106f, runners 108a and 108b, and a coupler 114.

Die Prüfmassen 102a und 102b werden in vereinfachter Blockdiagrammform gezeigt, sie können jedoch eine beliebige geeignete Größe und Form aufweisen und können aus irgendeinem geeigneten Material bzw. irgendwelchen geeigneten Materialien gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Prüfmassen 102a und 102b im Wesentlichen rechtwinklig, wie beispielsweise im Wesentlichen quadratisch. Sie können aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Die Prüfmassen 102a und 102b können bei mindestens einigen Ausführungsformen im Wesentlichen identisch sein.Proof masses 102a and 102b are shown in simplified block diagram form, but may be of any suitable size and shape and may be formed of any suitable material or materials. In some embodiments, proof masses 102a and 102b are substantially rectangular, such as substantially square. They can be made of silicon or another suitable material. Proof masses 102a and 102b may be substantially identical in at least some embodiments.

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 substrate 104 may be a silicon substrate (e.g., a silicon die cut from a silicon wafer) or other substrate compatible with micromachining techniques. In some embodiments, substrate 104 is formed from the same material as proof masses 102a and 102b. The proof masses 102a 10 and 102b may be formed from substrate 104 by suitable micromachining techniques, such as lithography and etching processes. In some embodiments, the formation of the proof masses 102a and 102b may include a release step in which the proof masses are released from the substrate 104 and thus separated from the substrate by a gap (or cavity).

Wie gezeigt sind die Prüfmassen 102a und 102b durch Haltebänder 106a-106f, die irgendeine geeignete Form annehmen können, mit dem Substrat 104 gekoppelt. Ein nicht einschränkendes Beispiel für eine geeignete Haltebandstruktur ist ein gefaltetes Halteband, von dem ein Beispiel unten in Verbindung mit 2B beschrieben wird. Die Haltebänder gestatten, dass sich die Prüfmassen 102a und 102b bezüglich des Substrats 104 bewegen. Die Prüfmassen können zwei Freiheitsgrade haben, was bedeutet, dass sie sich allgemein entlang mindestens zwei Achsen bewegen können. Dies gestattet, dass die Prüfmassen sowohl in einem Antriebsmodus, in dem sie durch Anlegen eines geeigneten elektrischen Signals aktiv angetrieben werden, als auch in einem Messmodus, in dem sie sich als Reaktion auf das Erfahren eines Zustands, wie zum Beispiel einer Coriolis-Kraft (im Falle eines Gyroskops), bewegen, betrieben werden können. Die Prüfmassen können auch dahingehend ausgebildet sein, als Reaktion auf eine Beschleunigung (im Falle eines Beschleunigungsmessers) symmetrisch mit unabhängigen Reaktionen in den zwei Freiheitsgraden zu reagieren. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b in Anbetracht der Situation, in der es sich bei dem MEMS-Bauelement 100 um ein Gyroskop handelt, so ausgebildet und mit dem Substrat 104 gekoppelt sein, dass sie sich sowohl entlang der x- als auch der y-Achse bewegen können. Zum Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b entlang der x-Achse angetrieben werden und sich als Reaktion auf eine Drehung R des MEMS-Bauelements um einen Punkt 112 entlang der y-Achse bewegen. Die Haltebänder 106a-106f können eine geeignete Konfiguration aufweisen, um solch eine Bewegung zu gestatten. Des Weiteren können alternative oder zusätzliche Haltebänder enthalten sein, um solch eine Bewegung zu gestatten. Somit sollte auf der Hand liegen, dass die Darstellung der Haltebänder 106a-106f eine Verallgemeinerung zur Kopplung der Prüfmassen 102a und 102b mit dem Substrat 104 darstellt und dass verschiedene Anbindeanordnungen gemäß Aspekten der vorliegenden Anmeldung implementiert werden können. Die unten beschriebene 2A stellt ein Beispiel für eine geeignete Anbindeanordnungen bereit.As shown, proof masses 102a and 102b are coupled to substrate 104 by tethers 106a-106f, which may take any suitable form. A non-limiting example of a suitable tether structure is a folded tether, an example of which is provided below in connection with 2 B is described. The tethers allow proof masses 102a and 102b to move with respect to substrate 104 . The proof masses can have two degrees of freedom, meaning that they can generally move along at least two axes. This allows the proof masses to be operated in both a propulsion mode, where they are actively propelled by application of an appropriate electrical signal, and a measurement mode, where they move in response to experiencing a condition such as a Coriolis force ( in the case of a gyroscope), move, can be operated. The proof masses can also be configured to respond symmetrically in response to acceleration (in the case of an accelerometer) with independent responses in the two degrees of freedom. As a non-limiting example, given the situation where MEMS device 100 is a gyroscope, proof masses 102a and 102b may be configured and coupled to substrate 104 to move along both the x and can move along the y-axis. For example, proof masses 102a and 102b may be driven along the x-axis and move about a point 112 along the y-axis in response to rotation R of the MEMS device. The tethers 106a-106f may be of any suitable configuration to allow for such movement. Furthermore, alternative or additional tethers may be included to allow for such movement. Thus, it should be appreciated that the depiction of tethers 106a-106f is a generalization for coupling proof masses 102a and 102b to substrate 104, and that various tethering arrangements may be implemented in accordance with aspects of the present application. The one described below 2A provides an example of a suitable tethering arrangement.

Der Koppler 114 stellt eine Verallgemeinerung eines Mechanismus zum Miteinanderkoppeln der Prüfmassen 102a und 102b dar. Der Koppler 114 kann eine Rahmenfederverbindung, eine Verbindung mit geradem Träger oder irgendein anderer geeigneter Koppler sein. Alternative Kopplungssysteme von Prüfmasse zu Prüfmasse können implementiert werden, darunter die Verwendung von zusätzlichen Kopplern. Einige Beispiele werden unten in Verbindung mit 2A beschrieben. Der Koppler 114 kann in einem Versuch der Bereitstellung einer synchronen Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b verwendet werden. Ein Beispiel für solch eine Bewegung wird unten in Verbindung mit den 1B-1E beschrieben.Coupler 114 represents a generalization of a mechanism for coupling proof masses 102a and 102b together. Coupler 114 may be a frame spring connection, a straight beam connection, or any other suitable coupler. Alternative proof mass to proof mass coupling schemes may be implemented, including the use of additional couplers. Some examples are linked below 2A described. Coupler 114 may be used in an attempt to provide synchronous movement of proof masses 102a and 102b. An example of such a movement is given in connection with the below 1B-1E described.

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.Proof masses 102a and 102b are further coupled by sliders 108a and 108b, which move linearly or translationally when proof masses 102a and 102b exhibit antisymmetric (or "anti-phase") motion in the y-direction. The sliders are configured to move linearly in the directions represented by arrows 110a and 110b, in this case the positive and negative x-directions. In particular, runners 108a and 108b constrain proof masses 102a and 102b to linear anti-phase motion, moving themselves linearly when proof masses 102a and 102b move in an anti-parallel manner along the y-direction, but resisting or blocking motion. where the proof masses move in a parallel fashion along the y-direction. Thus, in at least some embodiments, the linear movement of the sliders is in a direction perpendicular to the corresponding movement of the proof masses. In the non-limiting situation where MEMS device 100 is a gyroscope, the y-direction may represent the drive or sense direction, and thus runners 108a and 108b may move the proof masses in drive or sense mode to a limit linear anti-phase motion. As described further below, additional runners may be provided to provide anti-phase linear motion in both drive and sense modes, and in at least some embodiments, the combination of runners may provide anti-phase linear motion with zero net momentum in both drive and sense modes guarantee.

Die Läufer 108a und 108b bewegen sich bei mindestens einigen Ausführungsformen in entgegengesetzte Richtungen. Wenn sich der Läufer 108a zum Beispiel entlang der Richtung der x-Achse nach rechts bewegt, kann sich der Läufer 108b entlang der Richtung der x-Achse nach links bewegen, und umgekehrt. Diese lineare Bewegung der Läufer kann durch eine geeignete Konfiguration des Läufers selbst und/oder der Art und Weise, auf die er mit den Prüfmassen gekoppelt ist, erreicht werden. Bei einigen Ausführungsformen sind die Läufer starre Stäbe, die mit schwenkbaren Gelenken gekoppelt sind, welche wiederum mit den Prüfmassen 102a und 102b gekoppelt sind. Die Schwenkbewegung der schwenkbaren Gelenke kann zu einer linearen Bewegung der Läufer 108a und 108b führen. Ein Beispiel wird unten in Verbindung mit 2A beschrieben.Runners 108a and 108b move in opposite directions in at least some embodiments. For example, if mover 108a moves to the right along the x-axis direction, mover 108b may move to the left along the x-axis direction, and vice versa. This linear movement of the runners can be achieved through an appropriate configuration of the runner itself and/or the way in which it is coupled to the proof masses the. In some embodiments, the runners are rigid rods coupled to pivotable joints, which in turn are coupled to proof masses 102a and 102b. Pivoting movement of the pivoting joints can result in linear movement of sliders 108a and 108b. An example is linked below 2A described.

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.Runners 108a and 108b may be formed from any suitable material. In at least some embodiments, runners 108a and 108b are formed from the same material as proof masses 102a and 102b and are formed from substrate 104 by appropriate micromachining (e.g., lithography and etching). Runners 108a and 108b may be substantially identical, including having substantially identical masses, to provide MEMS device 100 with symmetry. The runners 108a and 108b can have lengths parallel to the x-axis and widths parallel to the y-axis, with the lengths being between 2 times and 100 times greater than the widths (or any value within that range) as a non-limiting example. are.

Obgleich 1A in vereinfachter Form zwei Läufer 108a und 108b darstellt, sollte auf der Hand liegen, dass mehr als zwei Läufer enthalten sein können und bei einigen Ausführungsformen sind. Bei einigen Ausführungsformen sind mehr als zwei Läufer auf einer gegebenen Seite der Prüfmassen 102a und 102b vorgesehen. Die mehreren Läufer auf einer gegebenen Seite können dahingehend ausgebildet sein, sich in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen, wobei eine impulsausgeglichene Konfiguration bereitgestellt wird. Although 1A Illustrating in simplified form two runners 108a and 108b, it should be appreciated that more than two runners can be, and in some embodiments are, included. In some embodiments, more than two runners are provided on a given side of proof masses 102a and 102b. The multiple runners on a given face can be configured to move in opposite directions, providing a momentum balanced configuration.

Bei einigen Ausführungsformen sind mehrere Läufer auf mehreren Seiten einer Anordnung von Prüfmassen enthalten, wobei sich eine gleiche Anzahl der Läufer in entgegengesetzte Richtungen bewegt, um eine ausgeglichene Bewegung bereitzustellen und somit das MEMS-Bauelement mit keinem Nettoimpuls zu beaufschlagen. Ein Beispiel wird unten in Verbindung mit 1F beschrieben.In some embodiments, multiple runners are included on multiple sides of an array of proof masses, with an equal number of the runners moving in opposite directions to provide balanced motion and thus impart no net momentum to the MEMS device. An example is linked below 1F described.

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 MEMS device 100 may optionally include features in addition to those illustrated and that the nature of any such additional features may depend on the type of device (e.g., gyroscope, accelerometer, resonator). For example, one or more anchors may be included to anchor components such as proof masses 102a and 102b to substrate 104 . Electrical features having drive and sense electrodes can be included and can take any form to provide drive and sense operation. Other features may also be included.

Wie oben beschrieben, kann ein MEMS-Bauelement (zum Beispiel ein Gyroskop) bei mindestens einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung mehrere Prüfmassen enthalten, die dahingehend ausgebildet sind, eine synchrone, antisymmetrische Bewegung zu zeigen. Zum Beispiel können die Prüfmassen 102a und 102b des Gyroskops 100 miteinander gekoppelt sein, um eine synchrone, antisymmetrische Bewegung bereitzustellen. Die 1B-1E stellen Zustandsdiagramme einer solchen antisymmetrischen Bewegung dar. In diesen Figuren weisen die x- und y-Achsen die gleiche Ausrichtung wie in 1A auf.As described above, in at least some aspects of the present application, a MEMS device (e.g., a gyroscope) may include multiple proof masses configured to exhibit synchronous, antisymmetric motion. For example, proof masses 102a and 102b of gyroscope 100 may be coupled together to provide synchronous, anti-symmetric motion. the 1B-1E represent state diagrams of such an antisymmetric motion. In these figures, the x and y axes have the same orientation as in 1A on.

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 MEMS device 100 is a gyroscope and that the x-axis represents the direction of drive movement. That is, the proof masses 102a and 102b are driven along the x-axis. The y-axis represents the direction of response to a rotation and can thus be considered the measurement axis in this example.

Die 1B und 1C stellen die Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b im Antriebsmodus dar und zeigen, dass die Bewegung antisymmetrisch ist. Wie in 1B gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach links (in die negative x-Richtung) bewegt, nach rechts (in die positive x-Richtung). Wie in 1C gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach rechts (in die positive x-Richtung) bewegt, nach links (in die negative x-Richtung). Die Bewegung kann insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.the 1B and 1C 12 depict the movement of proof masses 102a and 102b in the drive mode and show that the movement is antisymmetric. As in 1B As shown, as proof mass 102a moves to the left (in the negative x-direction), proof mass 102b moves to the right (in the positive x-direction). As in 1C As shown, as proof mass 102a moves to the right (in the positive x-direction), proof mass 102b moves to the left (in the negative x-direction). The movement can be synchronous in that movement of one of the proof masses can cause movement of the other.

Die 1D und 1E stellen eine antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b im Messmodus dar. Wie in 1D gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach oben (in die positive y-Richtung) bewegt, nach unten (in die negative y-Richtung). Wie in 1E gezeigt, bewegt sich die Prüfmasse 102b, wenn sich die Prüfmasse 102a nach unten (in die negative y-Richtung) bewegt, nach oben (in die positive y-Richtung). Die Bewegung kann wieder insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.the 1D and 1E represent an antisymmetric movement of the proof masses 102a and 102b in the measurement mode. As in 1D As shown, as proof mass 102a moves up (in the positive y-direction), proof mass 102b moves down (in the negative y-direction). As in 1E As shown, as proof mass 102a moves down (in the negative y-direction), proof mass 102b moves up (in the positive y-direction). The movement can again be synchronous in that movement of one of the proof masses can cause movement of the other.

Obgleich die 1B-1E eine Linearbewegung in von oben nach unten und von links nach rechts verlaufenden Richtungen darstellen, sollte auf der Hand liegen, dass jegliche Kombination einer solchen Bewegung durch ein MEMS-Bauelement implementiert werden kann. Zum Beispiel kann die Bewegung der Massen unter anderem stattdessen entlang einer diagonalen Richtung (zum Beispiel in einem Winkel von 45 Grad zu der x- und y-Achse) verlaufen. Zum Beispiel kann die Antriebsachse in einem Winkel von 45° zur x-Achse liegen, und die Messachse kann in einem Winkel von 135° zur x-Achse liegen. Es sind auch andere Ausrichtungen möglich. Obgleich die 1B-1C als einen Antriebsmodus des Betriebs und die 1D-1E als einen Messmodus betreffend beschrieben werden, sollte auf der Hand liegen, dass die Antriebs- und Messrichtungen auch umgedreht sein können. Im Allgemeinen sollte auf der Hand liegen, dass die 1B-1E lediglich ein Beispiel für eine Gegenphasenbewegung darstellen, die durch ein MEMS-Bauelement mit zwei beweglichen Massen implementiert werden kann, und dass die Bewegungsrichtungen und Bezeichnung des Antriebs- und Messmodus verschiedene Formen annehmen können. Zum Beispiel können der Antriebs- und Messmodus im Vergleich zu dem Beschriebenen umgedreht sein.Although the 1B-1E represent linear motion in top-to-bottom and left-to-right directions, it should be apparent that any combination of such motion through a MEMS device ment can be implemented. For example, the movement of the masses may instead be along a diagonal direction (e.g., at a 45 degree angle to the x and y axes), among other things. For example, the drive axis can be at an angle of 45° to the x-axis and the measurement axis can be at an angle of 135° to the x-axis. Other orientations are also possible. Although the 1B-1C as a drive mode of operation and the 1D-1E described as pertaining to a measurement mode, it should be appreciated that the drive and measurement directions may be reversed. In general, it should be obvious that the 1B-1E represent only one example of anti-phase motion that can be implemented by a MEMS device with two moving masses, and that the directions of motion and designation of drive and measurement modes can take various forms. For example, the driving and measuring modes can be reversed compared to what is described.

Die in den 1B-1E dargestellte antisymmetrische (oder „Gegenphasen-“)Bewegung kann bei mindestens einigen Ausführungsformen wünschenswert sein. Die Läufer 108a und 108b sind bei mindestens einigen Ausführungsformen dahingehend ausgebildet, die Prüfmassen auf eine Gegenphasenbewegung entlang mindestens einer der Achsen (zum Beispiel einer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Läufer verlaufenden Achse) zu beschränken. Zum Beispiel können die Läufer eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen im Antriebsmodus, im Messmodus oder in beiden erzwingen. Dies wird bei einigen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass die Läufer einer symmetrischen Bewegung widerstehend ausgeführt werden. Ein Beispiel für eine geeignete Läuferkonfiguration, die einer solchen symmetrischen Bewegung widersteht und diese deshalb blockiert, wird in 2A dargestellt und weiter unten beschrieben.The in the 1B-1E The antisymmetric (or "counterphase") motion illustrated may be desirable in at least some embodiments. The sliders 108a and 108b are configured, in at least some embodiments, to constrain the proof masses to anti-phase motion along at least one of the axes (e.g., an axis perpendicular to the direction of movement of the sliders). For example, the runners can force linear anti-phase motion of the proof masses in drive mode, measurement mode, or both. This is achieved in some embodiments by making the runners resist symmetrical movement. An example of a suitable slider configuration that resists such a symmetrical movement and therefore blocks it is given in 2A shown and described below.

Wie oben beschrieben, kann das MEMS-Bauelement bei einigen Ausführungsformen mehrere Läufer auf einer einzigen Seite der gekoppelten Prüfmassen enthalten. Erneut auf 1A Bezug nehmend, kann eine Bewegung der Läufer 108a und 108b in entgegengesetzte Richtungen die gewünschte antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b bereitstellen, kann aber unerwünschterweise eine symmetrische Bewegung der Prüfmassen durch Bereitstellung eines nichtlinearen Nettoimpulses zwischen den Läufern gestatten. Somit stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung Gyroskope mit ausgeglichenen Läuferkonfigurationen bereit, bei denen kein Nettoimpuls und keine andere Form von Ungleichgewicht, der bzw. das sich aus der linearen Bewegung der Läufer ergibt, vorliegt. 1F stellt ein Beispiel dar.As described above, in some embodiments, the MEMS device may include multiple runners on a single side of the coupled proof masses. up again 1A Referring to this, movement of runners 108a and 108b in opposite directions may provide the desired antisymmetric movement of proof masses 102a and 102b, but may undesirably allow symmetric movement of the proof masses by providing a net nonlinear momentum between the runners. Thus, aspects of the present application provide gyroscopes with balanced slider configurations where there is no net momentum or other form of imbalance resulting from the linear motion of the sliders. 1F represents an example.

Das MEMS-Bauelement 120 von 1F, bei dem es sich um irgendeine der zuvor beschriebenen Arten von MEMS-Bauelementen handeln kann, enthält viele der gleichen Komponenten wie das MEMS-Bauelement 100 von 1A, unterscheidet sich aber darin, dass mehrere Läufer auf den gleichen Seiten der Prüfmassen 102a und 102b vorgesehen sind. Das heißt, zusätzlich zu den Läufern 108a und 108b sind Läufer 122a und 122b enthalten. Wie die Läufer 108a und 108b können die Läufer 122a und 122b zur linearen Bewegung ausgebildet sein und können eine antisymmetrische Bewegung der Prüfmassen 102a und 102b entlang der y-Achse gestatten oder diese erzwingen, während eine symmetrische Bewegung entlang der y-Achse verhindert wird. Des Weiteren kann der Läufer 122a dahingehend ausgebildet sein, sich in eine entgegengesetzte Richtung zu der des Läufers 108a zu bewegen, und der Läufer 122b kann dahingehend ausgebildet sein, sich in eine entgegengesetzte Richtung zu der des Läufers 108b zu bewegen. Auf diese Weise wird das MEMS-Bauelement 120 durch die lineare Bewegung der Läufer 108a, 108b, 122a und 122b mit keinem Nettoimpuls beaufschlagt. Darüber hinaus können die Läufer 122a und 122b Massen aufweisen, die im Wesentlichen gleich sind und denen der Läufer 108a und 108b im Wesentlichen entsprechen, wodurch eine ausgeglichene Konfiguration bereitgestellt wird, die keinen mit der linearen Bewegung der Läufer verbundenen linearen Nettoimpuls hat, weil sie gleiche Massen aufweisen, die sich im gleichen Ausmaß in entgegengesetzte Richtungen bewegen.The MEMS device 120 of 1F , which may be any of the types of MEMS devices previously described, includes many of the same components as MEMS device 100 of FIG 1A , but differs in that several runners are provided on the same sides of the proof masses 102a and 102b. That is, in addition to runners 108a and 108b, runners 122a and 122b are included. Like carriages 108a and 108b, carriages 122a and 122b may be configured for linear motion and may permit or constrain antisymmetric motion of proof masses 102a and 102b along the y-axis while preventing symmetric motion along the y-axis. Furthermore, the mover 122a may be configured to move in an opposite direction to that of the mover 108a, and the mover 122b may be configured to move in an opposite direction to that of the mover 108b. In this way, the linear motion of sliders 108a, 108b, 122a, and 122b imposes no net momentum on MEMS device 120. Additionally, runners 122a and 122b can have masses that are substantially the same and substantially equal to that of runners 108a and 108b, thereby providing a balanced configuration that has no net linear momentum associated with the linear motion of the runners because they are the same Have masses moving in opposite directions to the same extent.

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.Runners 122a and 122b may be formed from the same material as runners 108a and 108b and may be formed in substantially the same manner, for example by being formed during the same lithography and etching steps as used to form runners 108a and 108b .

2A stellt ein Gyroskop mit mehreren durch sich linear bewegende Läufer der in 1A dargestellten Art miteinander gekoppelten Prüfmassen dar. Obgleich ein Gyroskop gezeigt und beschrieben wird, versteht sich, dass andere Arten von MEMS-Bauelementen die hierin dargestellten Läufer und Strukturen verwenden können, wie zum Beispiel Resonatoren und Beschleunigungsmesser, aber nicht darauf beschränkt. Das Gyroskop 200 enthält Prüfmassen 202a und 202b, die durch sich linear bewegende Läufer 208a und 208b gekoppelt sind. Darüber hinaus enthält das Gyroskop 200 Schieber 204a und 204b, die den Prüfmassen 202a bzw. 202b entsprechen, und mehrere schwenkbare Gelenke 206a-206h. Die schwenkbaren Gelenke 206a, 206b, 206c und 206d entsprechen der Prüfmasse 202a, und die schwenkbaren Gelenke 206e, 206f, 206g und 206h entsprechen der Prüfmasse 202b. Des Weiteren enthält das Gyroskop Haltebänder 212, die die Prüfmassen 202a und 202b mit den jeweiligen Schiebern 204a und 204b koppeln. In diesem nicht einschränkenden Beispiel sind acht Haltebänder 212 vorgesehen, die jede der Prüfmassen mit ihrem jeweiligen Schieber koppeln. Anker 210 stützen die schwenkbaren Gelenke 206a - 206h und somit die Schieber 204a und 204b, wobei die schwenkbaren Gelenke und Schieber durch Scharniere 214 verbunden sind. In diesem Beispiel sind acht Anker 210 jeder der Prüfmassen zugeordnet. Elektrodenbereiche 216 können Elektroden zum Ansteuern der Prüfmassen 202a und 202b entlang der x-Achse enthalten oder aufnehmen, und Elektrodenbereiche 218 können Elektroden zum Messen einer Bewegung der Prüfmassen 202a und 202b entlang der y-Achse als Reaktion auf eine Drehung des Gyroskops in der Ebene der Seite enthalten oder aufnehmen. 2A represents a gyroscope with several runners moving linearly through the in 1A proof masses coupled together in the manner illustrated. Although a gyroscope is shown and described, it should be understood that other types of MEMS devices may utilize the runners and structures illustrated herein, such as, but not limited to, resonators and accelerometers. Gyroscope 200 includes proof masses 202a and 202b coupled by linearly moving sliders 208a and 208b. Gyroscope 200 also includes sliders 204a and 204b corresponding to proof masses 202a and 202b, respectively, and a plurality of pivoting joints 206a-206h. Pivoting joints 206a, 206b, 206c, and 206d correspond to proof mass 202a, and pivoting joints 206e, 206f, 206g, and 206h correspond to proof mass 202b. The gyroscope also includes tethers 212 that couple proof masses 202a and 202b to respective sliders 204a and 204b. In this non-limiting example, eight tethers 212 are provided, coupling each of the proof masses to its respective slider. Anchors 210 support pivot joints 206a-206h and thus sliders 204a and 204b, with the pivot joints and sliders being connected by hinges 214. FIG. In this example, eight anchors 210 are associated with each of the proof masses. Electrode regions 216 may include or receive electrodes for driving proof masses 202a and 202b along the x-axis, and electrode regions 218 may include electrodes for measuring movement of proof masses 202a and 202b along the y-axis in response to rotation of the gyroscope in the plane of the contain or include page.

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.Sliders 204a and 204b are moveable and are also optional. As shown, each of sliders 204a and 204b is segmented in this non-limiting example. In other words, the sliders shown can be viewed as multi-piece sliders, or sliders 204a and 204b could also be viewed as four separate sliders each. For purposes of description, slider 204a is described herein as including four segments (or portions) 205a, 205b, 205c, and 205d. Slider 204b is described herein as including four segments (or parts) 205e, 205f, 205g and 205h. Multi-section slides of this type allow one section (or part) of the slide to move in drive mode and another section to move in measure mode.

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 joints 206a-206h are included to reduce or completely eliminate phase quadrature. Phase quadrature is the motion of the proof masses in the direction orthogonal to the drive motion, which is ideally 90° out of phase with the Coriolis reaction. Typically, phase quadrature is undesirable because the gyroscope may not be able to distinguish between electrical signals resulting from phase quadrature as opposed to those resulting from rotation, and thus the accuracy of the gyroscope in detecting Rotation can be affected by the occurrence of phase quadrature.

Jedes der dargestellten schwenkbaren Gelenke enthält zwei Segmente, die durch einen Verbinder 217 verbunden sind, von dem ein Beispiel unten in Verbindung mit den 2E-1, 2E-2 und 2E-3 beschrieben wird. Die beiden Segmente des schwenkbaren Gelenks können im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. In diesem Betriebszustand, der bei allen schwenkbaren Gelenken dem in 2A gezeigten Zustand entspricht, bilden die beiden Segmente des schwenkbaren Gelenks zusammen einen im Wesentlichen starren Stab in einer Gleichgewichtsposition. Wenn sich ein Schieber linear von einem gegebenen schwenkbaren Gelenk weg bewegt, kann sich das schwenkbare Gelenk durchbiegen (oder krümmen), da sich der Verbinder biegen kann. Der Verbinder 217 kann jedoch einer Torsion und/oder einer Scherung widerstehen, wodurch ein Kippen des schwenkbaren Gelenks blockiert und eine Drehung des Schiebers (und der damit verbundenen Masse) verhindert wird. Das schwenkbare Gelenk reduziert oder verhindert vollständig eine Phasenquadraturbewegung des Gyroskops, indem es eine unerwünschte Drehung oder ein Kippen des Schiebers (und der damit verbundenen Masse) blockiert, während die gewünschte Linearbewegung gestattet wird.Each of the illustrated pivotal joints includes two segments connected by a connector 217, an example of which is given below in connection with FIGS 2E-1 , 2E-2 and 2E-3 is described. The two segments of the pivoting joint may be of substantially the same length. In this operating state, which is the same for all pivoting joints in 2A corresponds to the condition shown, the two segments of the pivoting joint together form a substantially rigid rod in an equilibrium position. When a slider moves linearly away from a given pivot, the pivot may deflect (or bow) because the connector can flex. However, the connector 217 can resist torsion and/or shear, blocking tilting of the pivot joint and preventing rotation of the slider (and associated mass). The pivoting joint reduces or completely eliminates phase quadrature motion of the gyroscope by blocking unwanted rotation or tilting of the slider (and associated mass) while allowing the desired linear motion.

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 anchors 210 and are pivoted by the hinges 214 to the sliders. In this manner, the pivotable joints may pivot about the anchors 210 in response to the sliders 204a and 204b being driven, as well as in response to the sliders 204a and 204b moving as a result of experiencing a Coriolis force.

Das nicht einschränkende Beispiel von 2A stellt ein MEMS-Bauelement dar, dass eine Symmetrie zeigt. Nicht alle Ausführungsformen sind in dieser Hinsicht beschränkt.The non-limiting example of 2A Figure 12 illustrates a MEMS device that exhibits symmetry. Not all embodiments are limited in this regard.

2B stellt eine Nahansicht des Haltebands 212 des Gyroskops 200 von 2A dar. In diesem nicht einschränkenden Beispiel ist das Halteband 212 ein doppelt gefaltetes Halteband, das an einem einzigen Punkt mit dem Schieber 204a (oder 204b) und an zwei Punkten mit der Prüfmasse 202a (oder 202b) verbunden ist. Die Form des Haltebands ist nicht einschränkend, da verschiedene geeignete Haltebandkonfigurationen verwendet werden können, um eine Bewegung der Prüfmasse bezüglich des Schiebers zu gestatten. 2 B 12 illustrates a close-up view of tether 212 of gyroscope 200 of FIG 2A In this non-limiting example, tether 212 is a double-folded tether that connects to slider 204a (or 204b) at a single point and to proof mass 202a (or 202b) at two points. The shape of the tether is not limiting as various suitable tether configurations can be used to allow movement of the proof mass relative to the slider.

2C ist eine Nahansicht eines Ankers 210 und Schwenkpunkts der in dem Gyroskop von 2A enthaltenen Art. In diesem nicht einschränkenden Beispiel stützt der Anker 210 das schwenkbare Gelenk 206a am Drehpunkt 223. Der Schieber 204a weist eine Form auf, die der Form des Ankers 210 allgemein entspricht, aber nicht direkt oder starr mit dem Acker 210 verbunden ist und sich somit bezüglich des Ankers 210 bewegen kann. Angesichts der dargestellten verschachtelten Anordnung des Ankers 210 und des Schiebers 204a sollte auf der Hand liegen, dass sich der Schieber deutlich mehr in die durch den Pfeil 220 dargestellte Richtung als in die durch den Pfeil 222 dargestellte Richtung bewegen kann. Bei einigen Ausführungsformen kann sich der Schieber überhaupt nicht in die Richtung von Pfeil 222 bewegen. Die anderen Anker des Gyroskops 200 können bezüglich der schwenkbaren Gelenke, mit denen sie verbunden sind, im Wesentlichen die gleiche Ausführung und Anordnung aufweisen. 2C FIG. 12 is a close-up view of an anchor 210 and pivot used in the gyroscope of FIG 2A In this non-limiting example, anchor 210 supports pivotal joint 206a at pivot point 223. Slider 204a has a shape that generally conforms to the shape of anchor 210, but is not directly or rigidly connected to arbor 210 and itself thus can move with respect to the armature 210. Given the illustrated nested arrangement of armature 210 and slider 204a, it should be apparent that the slider can move significantly more in the direction represented by arrow 220 than in the direction represented by arrow 222. In some embodiments, the slider may not move in the direction of arrow 222 at all. The other anchors of gyroscope 200 may be of substantially the same design and arrangement with respect to the pivotal joints to which they are connected.

2D ist eine Nahansicht eines Scharniers der in dem Gyroskop 200 von 2A enthaltenen Art. Das Scharnier 214 enthält einen L-förmigen Biegeträger 224 in dem schwenkbaren Gelenk 206a (oder anderen schwenkbaren Gelenk des Gyroskops), der ein Schwenken gestattet und ein translatorisches Bewegen des schwenkbaren Gelenkssegments bezüglich des Drehpunkt 225 verhindert. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich. Das schwenkbare Gelenk 206a verbindet den Schieber 204a in diesem nicht einschränkenden Beispiel an einer einzigen Ecke 225. Gemäß einer Ausführungsform weisen alle Scharniere des Gyroskops 200 im Wesentlichen die gleiche Konfiguration auf. 2D 12 is a close-up view of a hinge used in gyroscope 200 of FIG 2A The hinge 214 includes an L-shaped flexure 224 in the pivot joint 206a (or other pivot joint of the gyroscope) that permits pivoting and prevents translation of the pivot joint segment with respect to the pivot point 225 . However, other configurations are also possible. Pivoting hinge 206a connects slider 204a at a single corner 225 in this non-limiting example. According to one embodiment, all hinges of gyroscope 200 have substantially the same configuration.

2E-1 ist eine Darstellungsskizze eines mittleren Teils eines schwenkbaren Gelenks, der einen Verbinder 217 der die Segmente eines schwenkbaren Gelenks verbindenden Art enthält, wie er durch jegliche und alle der schwenkbaren Gelenke 206a-206h eingesetzt werden kann. Der Verbinder 217 ist in 2E-1 insbesondere bezüglich des schwenkbaren Gelenks 206a und der Segmente 207a und 207b dargestellt, aber die gleiche Konfiguration kann auch auf die anderen schwenkbaren Gelenke des Gyroskops 200 angewandt werden. Das schwenkbare Gelenk 206a enthält die Segmente 207a und 207b. Der Verbinder 217 kann ein relativ schmaler und kurzer Träger sein, der die beiden Segmente 207a und 207b miteinander koppelt. Der Verbinder 217 kann sich durchbiegen, wenn die beiden Segmente 207a und 208b um ihre jeweiligen Drehpunkte an den Ankern 210 in entgegengesetzte Richtungen schwenken, können aber Scherung oder Torsion widerstehen. Somit kann der Verbinder 217 ein Schwenken der beiden Segmente 207a und 207b in die gleiche Richtung verhindern. 2E-2 und 2E-3 stellen eine gestattete und gesperrte Bewegung der Struktur von 2E-1 dar. 2E-1 Figure 12 is a sketch representation of a pivotal joint middle portion including a connector 217 of the type connecting the segments of a pivotal joint, such as may be inserted through any and all of the pivotal joints 206a-206h. Connector 217 is in 2E-1 1 is shown particularly with respect to pivot joint 206a and segments 207a and 207b, but the same configuration can be applied to the other pivot joints of gyroscope 200 as well. Pivoting joint 206a includes segments 207a and 207b. The connector 217 can be a relatively narrow and short beam that couples the two segments 207a and 207b together. The connector 217 can deflect as the two segments 207a and 208b pivot in opposite directions about their respective pivot points on the anchors 210, but can resist shear or torsion. Thus, the connector 217 can prevent the two segments 207a and 207b from pivoting in the same direction. 2E-2 and 2E-3 represent a permitted and prohibited movement of the structure 2E-1 represent.

In 2E-2 schwenken die Segmente 207a und 207b in voneinander entgegengesetzte Richtungen um ihre Drehpunkte, die von ihren jeweiligen Ankern 210 gestützt werden, wie durch die kreisförmigen Pfeile gezeigt. Der Verbinder 217 biegt sich durch, um dieses Schwenken zu gestatten. Es kommt zu dem dargestellten Verformungszustand, wenn sich das Schiebersegment 205a in der Figur translatorisch nach unten bewegt. 2E-3 stellt eine Verformung dar, die dem Schwenken der Segmente 207a und 207b in die gleiche Richtung um ihre jeweiligen Drehpunkte zugeordnet ist. Wie gezeigt würde dies der Tatsache entsprechen, dass das Schiebersegment 205a eine Kippbewegung zeigt und würde ein Scheren des Verbinders 217 aufweisen. Der Verbinder widersteht dieser Bewegung jedoch, und deshalb wird das in 2E-3 dargestellte Kippen durch die schwenkbare Gelenkkonfiguration, die den Verbinder 217 enthält, verhindert. Wenn die Masse oder der Schieber an den entgegengesetzt schwenkenden Segmenten (zum Beispiel durch Scharniere oder andere Biegungsarten) befestigt ist, gewährleistet somit das schwenkbare Gelenksystem eine lineare Bewegung der Masse (oder des Schiebers) und reduziert eine dadurch, dass zwei Segmente in die gleiche Richtung schwenken, verursachte unerwünschte Drehung. Infolgedessen kann das schwenkbare Gelenk mit dem ordnungsgemäß ausgeführten Verbinder 217 eine unerwünschte Phasenquadraturbewegung verhindern.In 2E-2 segments 207a and 207b pivot in mutually opposite directions about their pivot points supported by their respective anchors 210 as shown by the circular arrows. The connector 217 flexes to allow for this pivoting. The state of deformation shown occurs when the slide segment 205a moves translationally downward in the figure. 2E-3 Figure 12 illustrates a deformation associated with pivoting segments 207a and 207b in the same direction about their respective pivots. As shown, this would correspond to the slider segment 205a exhibiting tilting motion and would exhibit shearing of the connector 217. However, the connector resists this movement and therefore the in 2E-3 illustrated tipping is prevented by the pivoting joint configuration incorporating connector 217. Thus, when the mass or slider is attached to the oppositely pivoting segments (e.g., by hinges or other types of bending), the pivoting linkage system ensures linear movement of the mass (or slider) and reduces one by causing two segments to move in the same direction pan, caused undesired rotation. As a result, with the properly designed connector 217, the pivoting joint can prevent unwanted phase quadrature motion.

2F-1 ist eine Nahansicht eines Kastenfederverbinders 219 zur Kopplung benachbarter Prüfmassen in dem Gyroskop von 2A. Insbesondere koppelt der Kastenfederverbinder 219, der ein nicht einschränkendes Beispiel für den Verbinder 114 von 1A ist, schwenkbare Gelenke der benachbarten Prüfmassen, in diesem Fall die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f. Der Kastenfederverbinder 219 kann eine beliebige geeignete Größe und Form aufweisen. Er kann dahingehend positioniert sein, eine Drehung der verbundenen schwenkbaren Gelenke 206d und 206f in entgegengesetzte Richtungen zu gestatten. Die Kastenfeder kann einer Scherbewegung widerstehen und somit ein Drehen der schwenkbaren Gelenke 206d und 206f in die gleiche Richtung verhindern. Auf diese Weise können die durch die Kastenfeder verbundenen schwenkbaren Gelenke eine Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 202a und 202b gestatten oder erzwingen, wären sie eine Inphasenbewegung in Richtung der x-Achse bezüglich der Anordnung von 2F-1 sperren. Beispiele für eine gestattete und verhinderte Bewegung werden in den 2F-2 bzw. 2F-3 gezeigt. 2F-1 12 is a close-up view of a box spring connector 219 for coupling adjacent proof masses in the gyroscope of FIG 2A . In particular, box spring connector 219, which is a non-limiting example of connector 114 of FIG 1A , pivot joints of adjacent proof masses, in this case pivot joints 206d and 206f. The box spring connector 219 can be any suitable size and shape. It may be positioned to permit rotation of associated pivot joints 206d and 206f in opposite directions. The box spring can resist shearing motion and thus prevent pivoting joints 206d and 206f from rotating in the same direction. In this manner, the pivotal joints connected by the box spring may allow or constrain anti-phase movement of proof masses 202a and 202b if they were in-phase movement in the x-axis direction with respect to the arrangement of FIG 2F-1 lock out. Examples of movement permitted and prohibited are given in 2F-2 or. 2F-3 shown.

In 2F-2 schwenken die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f um die durch ihre jeweiligen Anker 210 gestützten Drehpunkte in entgegengesetzte Richtungen. Der Kastenfederverbinder 219 gestattet solch eine Bewegung durch Dehnung in die Vertikalrichtung der Figur. 2F-3 stellt hingegen einen Zustand dar, in dem die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f um die durch ihre jeweiligen Anker gestützten Drehpunkte in die gleiche Richtung schwenken. Um diese Bewegung zu gestatten, würde sich der Kastenfederverbinder 219 selbst in die Richtung, die der Richtung entgegengesetzt ist, in die die schwenkbaren Gelenke 206d und 206f schwenken, im Gegenuhrzeigersinn drehen. Die Kastenfeder 219 widersteht solch einer Bewegung, wodurch die gewünschte Bewegung von 2F-2 erzwungen wird.In 2F-2 For example, pivotable joints 206d and 206f pivot in opposite directions about pivot points supported by their respective anchors 210 . The box spring connector 219 permits such movement by stretching in the vertical direction of the figure. 2F-3 on the other hand, represents a state in which the pivotable joints 206d and 206f pivot in the same direction about the fulcrums supported by their respective anchors. To allow for this movement, the box spring connector 219 would rotate itself counterclockwise in the direction opposite to the direction in which the pivotable joints 206d and 206f pivot. The box spring 219 resists such movement, thereby providing the desired movement of 2F-2 is forced.

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.Box spring connector 219 is a non-limiting example of a suitable connector for coupling the adjacent pivot joints of gyroscope 200. Alternatively, a straight beam connector may be used.

2G ist eine Nahansicht eines die Läufer mit dem Schieber des Gyroskops 200 von 2A koppelnden Kopplers 221. Wie gezeigt, kann der Koppler 221 ein Halbkastenfederverbinder sein. Es kann jedoch irgendein anderer geeigneter Verbinder implementiert werden, der bewirkt, dass sich der Läufer 208a als Reaktion auf ein Schwenken des schwenkbaren Gelenks 206e linear bewegt. Das heißt, bezüglich der Anordnung von 2G bewirkt der Koppler 221, dass sich der Läufer 208a nach rechts (Pfeil 226a) bewegt, wenn sich die rechte Seite des schwenkbaren Gelenks nach unten bewegt (Pfeil 228a), und bewirkt, dass sich der Läufer nach links (Pfeil 226b) bewegt, wenn sich die rechte Seite des schwenkbaren Gelenks nach oben bewegt (Pfeil 228b). 2G is a close-up of one of the gyroscope 200 slider sliders from 2A coupling coupler 221. As shown, coupler 221 may be a semi-box spring connector. However, any other suitable connector that causes slider 208a to move linearly in response to pivoting of pivot joint 206e may be implemented. That is, regarding the arrangement of 2G coupler 221 causes runner 208a to move to the right (arrow 226a) when the right side of the pivot joint moves down (arrow 228a), and causes runner to move to the left (arrow 226b) when the right side of the pivoting joint moves up (arrow 228b).

Erneut auf 2A Bezug nehmend, kann das Gyroskop 200 im Betrieb eine synchrone Gegenphasenbewegung zeigen. Wenn sich die Schiebersegmente 205b und 205d nach rechts in die positive x-Richtung bewegen, schwenken das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206b und das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206d im Uhrzeigersinn, während das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206b und das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206d im Gegenuhrzeigersinn schwenken. Die Schiebersegmente 205f und 205h bewegen sich nach links in die negative x-Richtung. Insbesondere schwenken das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206f und das obere Segment des schwenkbaren Gelenks 206h im Gegenuhrzeigersinn, während das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206f und das untere Segment des schwenkbaren Gelenks 206h im Uhrzeigersinn schwenken.up again 2A Referring to this, in operation, the gyroscope 200 may exhibit synchronous anti-phase motion. As slider segments 205b and 205d move rightward in the positive x-direction, the top segment of pivot joint 206b and the top segment of pivot joint 206d pivot clockwise, while the bottom segment of pivot joint 206b and the bottom segment of pivot Pivot pivot 206d counterclockwise. Slider segments 205f and 205h move left in the negative x-direction. Specifically, the upper segment of pivotal joint 206f and the upper segment of pivotal joint 206h pivot counterclockwise, while the lower segment of pivotal joint 206f and the lower segment of pivotal joint 206h pivot clockwise.

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 gyroscope 200 as slider segments 205a and 205c move down in the negative y direction, while the right segment of pivot joint 206a and the right segment of pivot joint 206c clockwise. The slider segments 205e and 205g move upwards in the positive y-direction due to the runners 208a and 208b. The left segment of pivotal joint 206e and the left segment of pivotal joint 206g pivot clockwise, and the right segment of pivotal joint 206e and the right segment of pivotal joint 106g pivot counterclockwise. Sliders 208a and 208b constrain the proof masses and sliders to such movement. That is, the slider 208a forces the right segment of the pivot joint 206a and the left segment of the pivot joint 206e to rotate in the same direction (clockwise or counterclockwise) by moving itself linearly to the right or left. Similarly, runner 208b forces the right segment of pivot joint 206c and the left segment of pivot joint 206g to rotate in the same direction by moving itself linearly to the right or left in the opposite direction of runner 208a. However, since runners 208a and 208b may be rigid rods or other rigid couplers, they prevent the coupled segments of the pivotal joints from rotating in opposite directions. Thus, the runners 208a and 208b block or completely prevent in-phase movement of the sliders 204a and 204b in the measurement mode. Therefore, acceleration of a type that tends to produce in-phase movement of the spools 204a and 204b is not detected. Accordingly, sliders 208a and 208b provide an acceleration insensitive gyroscope.

Wie oben in Verbindung mit 1F beschrieben, kann ein MEMS-Bauelement, wie zum Beispiel MEMS-Gyroskop, bei einigen Ausführungsformen eine ausgeglichene Läuferkonfiguration aufweisen, bei der mehrere Läufer auf einer gleichen Seite der gekoppelten Prüfmassen enthalten sind. 2H stellt ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Implementierung solch eines Gyroskops dar. Das Gyroskop 250 enthält viele der der gleichen in Verbindung mit 2A bereits dargestellten und beschriebenen Komponenten, und somit werden sie hier nicht erneut ausführlich beschrieben. Das Gyroskop 250 unterscheidet sich jedoch insofern von dem Gyroskop 200, dass es eine ausgeglichene Läuferkonfiguration mit zwei sich linear bewegenden Läufern auf jeder Seite der gekoppelten Prüfmassen enthält. Insbesondere enthält das Gyroskop 250 die Läufer 252a, 252b, 254a und 254b.As above in connection with 1F described, in some embodiments a MEMS device, such as a MEMS gyroscope, may have a balanced slider configuration, in which multiple sliders are included on a same side of the coupled proof masses. 2H 10 illustrates a non-limiting example of an implementation of such a gyroscope. Gyroscope 250 includes many of the same in connection with 2A components already illustrated and described, and thus they will not be described again in detail here. However, the gyroscope 250 differs from that in this respect Gyroscope 200 includes a balanced slider configuration with two linearly moving sliders on either side of the coupled proof masses. In particular, gyroscope 250 includes cursors 252a, 252b, 254a and 254b.

Der Läufer 252a ist durch einen Koppler 256a mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und durch einen Koppler 256b mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206e gekoppelt. Auf ähnliche Weise ist der Läufer 252b durch einen Koppler 256c mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und durch den Koppler 256d mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206g gekoppelt. Die Koppler 256a-256d können einander gleich sein und können die in 2G gezeigte Art von Koppler oder irgendein anderer geeigneter Koppler, der eine lineare Bewegung der Läufer 252a und 252b in entgegengesetzte Richtungen gestattet, sein.The slider 252a is coupled to the left-most segment of the pivot joint 206a by a coupler 256a and to the right-most segment of the pivot joint 206e by a coupler 256b. Similarly, slider 252b is coupled to the left-most segment of pivot joint 206c by coupler 256c and to the right-most segment of pivot joint 206g by coupler 256d. The couplers 256a-256d may be the same and may be the same as in 2G the type of coupler shown, or any other suitable coupler that allows linear movement of sliders 252a and 252b in opposite directions.

Der Läufer 254a ist durch einen Koppler 258a mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und durch einen Koppler 258b mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206e gekoppelt. Der Läufer 254b ist durch einen Koppler 258c mit dem sich am weitesten rechts befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und durch einen Koppler 258d mit dem sich am weitesten links befindenden Segment des schwenkbaren Gelenks 206g gekoppelt. Die Koppler 258a-258d können einander gleich sein und können die in 2G gezeigte Art von Koppler oder irgendein anderer geeigneter Koppler, der eine lineare Bewegung der Läufer 254a und 254b in entgegengesetzte Richtungen gestattet, sein.The slider 254a is coupled to the right-most segment of the pivot joint 206a by a coupler 258a and to the left-most segment of the pivot joint 206e by a coupler 258b. The slider 254b is coupled to the right-most segment of the pivot joint 206c by a coupler 258c and to the left-most segment of the pivot joint 206g by a coupler 258d. The couplers 258a-258d may be the same and may be the same as in 2G the type of coupler shown, or any other suitable coupler that allows linear movement of sliders 254a and 254b in opposite directions.

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 2l beschrieben wird. Da gleichermaßen die Läufer 252b und 254b mit verschiedenen Segmenten des schwenkbaren Gelenks 206c und 206g gekoppelt sind und da sich diese verschiedenen Segmente in entgegengesetzte Richtungen drehen, bewegen sich die Läufer 252b und 254b während des Betriebs in entgegengesetzte Richtungen. Insgesamt bewegen sich die Läufer 252a und 252b dann in entgegengesetzte Richtungen, und die Läufer 254a und 254b bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Somit geht von der Kombination der Läufer 252a-252b und 254a-254b im Wesentlichen kein linearer Nettoimpuls aus, solange ihre Massen und Geschwindigkeiten gleich sind, was als Impulsgleichgewicht bezeichnet wird. Dies stellt dann eine ausgeglichene Läuferkonfiguration bereit, die die Prüfmassen mit keiner unerwünschten Inphasenbewegung (symmetrischen Bewegung) beaufschlagt.Because runners 252a and 254a are coupled to different segments of pivot joint 206a and 206e, and because these different segments rotate in opposite directions, runners 252a and 254a move in opposite linear directions during operation, as discussed below in connection with FIG 2l is described. Likewise, because runners 252b and 254b are coupled to different segments of pivot joint 206c and 206g, and because these different segments rotate in opposite directions, runners 252b and 254b move in opposite directions during operation. Overall, runners 252a and 252b then move in opposite directions and runners 254a and 254b move in opposite directions. Thus, essentially no net linear momentum emanates from the combination of runners 252a-252b and 254a-254b as long as their masses and velocities are equal, referred to as momentum balance. This then provides a balanced slider configuration that does not impose any unwanted in-phase (symmetrical) motion on the proof masses.

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.Runners 252a and 252b are substantially identical, as are runners 254a and 254b. All four runners can have substantially the same mass, thereby providing a balanced configuration. In the illustrated example, runners 252a and 252b are longer (in the x-direction) than runners 254a and 254b. Runners 254a and 254b may be wider in the y-direction than runners 252a and 252b to provide substantially equal masses, or may have any other suitable configuration. It can be seen that in this example all four runners are longer in the x-direction than in the y-direction. The lengths in the x-direction can be between 2 and 100 times the widths in the y-direction, or any value within this range. Alternative dimensions are also possible.

Weiterhin ist aus 2H ersichtlich, dass die Läufer 252a und 254a bei dem nicht einschränkenden Beispiel eine verschachtelte Konfiguration einnehmen. Der Läufer 254a befindet sich nahe den Prüfmassen, während sich der Läufer 252a distal der Prüfmassen befindet. Das gleiche gilt für die Läufer 254b bzw. 252b. Es sind auch andere Konfigurationen möglich.Furthermore is off 2H It can be seen that, in the non-limiting example, runners 252a and 254a assume an interleaved configuration. Runner 254a is near the proof masses, while runner 252a is distal to the proof masses. The same applies to the runners 254b and 252b. Other configurations are also possible.

2l stellt einen Betriebszustand des Gyroskops 250 von 2H dar und zeigt den ausgeglichenen Betrieb der Läufer 252a, 252b, 254a und 254b. Bei dem dargestellten Betriebszustand, der einen Zustand des Messbetriebsmodus darstellen kann, bewegen sich die Prüfmasse 202a und die Schiebersegmente 205a und 205c in die positive y-Richtung nach oben. Die Prüfmasse 202b und die Schiebersegmente 205e und 205g bewegen sich in die negative y-Richtung nach unten. Das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e schwenken um ihren jeweiligen Drehpunkt im Uhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 252a in die positive x-Richtung nach rechts bewegt. Das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206c und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206g schwenken im Uhrzeigersinn um ihren jeweiligen Drehpunkt, so dass sich der Läufer 252b in die negative x-Richtung nach links und deshalb entgegengesetzt der Richtung des Läufers 252a bewegt. 2l represents an operating state of the gyroscope 250 from 2H 12 and shows the balanced operation of rotors 252a, 252b, 254a and 254b. In the operating state shown, which can represent a state of the measurement operating mode, the proof mass 202a and the slide segments 205a and 205c move upwards in the positive y-direction. Proof mass 202b and slider segments 205e and 205g move down in the negative y direction. The left-most segment of pivot joint 206a and the right-most segment of pivot joint 206e pivot about their respective pivots clockwise so that slider 252a moves in the positive x-direction to the right. The left-most segment of pivot joint 206c and the right-most segment of pivot joint 206g pivot clockwise about their respective pivots, causing slider 252b to move in the negative x-direction to the left, and therefore in the opposite direction of the slider 252a moves.

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 slider 254a moves linearly to the left in the negative x-direction. The right-most segment of pivot joint 206c and the left-most segment of pivot joint 206g rotate clockwise so that slider 254b moves in the positive x-direction to the right and therefore opposite to slider 254a. A symmetrical movement (in-phase movement) of the test masses is thus blocked due to the runners.

Somit ist anhand des Betriebszustands in 2l zu sehen, dass eine ausgeglichene Läuferkonfiguration bereitgestellt wird, bei der sich die vier Läufer linear bewegen, aber einen Nettoimpuls von null haben. Dadurch wird dann die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass das Gyroskop 250 mit einer unerwünschten Bewegung beaufschlagt wird.Thus, based on the operating status in 2l see that a balanced runner configuration is provided in which the four runners move linearly but have zero net momentum. This then reduces the likelihood that the gyroscope 250 will be subjected to an undesired movement.

2J stellt eine Nahdarstellungsskizze eines Teils des Gyroskops 250 dar, wobei sie eine andere Darstellung der Bewegung der Läufer bereitstellt. Insbesondere stellt 2l einen Betriebszustand dar, in dem sich das Schiebersegment 205a in die negative y-Richtung nach unten bewegt und sich das Schiebersegment 205e in die positive y-Richtung nach oben bewegt. Es ist zu sehen, dass das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e im Gegenuhrzeigersinn schwenken, so dass sich der Läufer 252a in die negative x-Richtung nach links bewegt. Das sich am weitesten rechts befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206a und das sich am weitesten links befindende Segment des schwenkbaren Gelenks 206e schwenken im Uhrzeigersinn, so dass sich der Läufer 254a in die positive x-Richtung linear nach rechts bewegt. 2y 12 illustrates a close-up sketch of a portion of gyroscope 250, providing another representation of the movement of the runners. In particular represents 2l represents an operating state in which the spool segment 205a moves down in the negative y-direction and the spool segment 205e moves up in the positive y-direction. It can be seen that the left-most segment of pivot joint 206a and the right-most segment of pivot joint 206e pivot counterclockwise so that slider 252a moves left in the negative x-direction. The right-most segment of pivot joint 206a and the left-most segment of pivot joint 206e pivot clockwise such that slider 254a moves linearly to the right in the positive x-direction.

Bei einigen Ausführungsformen können mehrere Läufer auf einer gleichen Seite gekoppelter Prüfmassen eines Gyroskops miteinander gekoppelt sein. 2K stellt ein nicht einschränkendes Beispiel dar, das eine Variation der Konfiguration von 2J darstellt. In 2K sind die Läufer 252a und 254a durch einen Koppler oder ein Gelenk 260 miteinander gekoppelt. Der Koppler 260 kann allgemein senkrecht zu beiden Läufern 252a und 254a ausgerichtet sein und kann eine Länge aufweisen, die zur Bereitstellung eines gewünschten Grads an Flexibilität/Starrheit ausgewählt ist. Der Koppler 260 kann bei einigen Ausführungsformen im Vergleich zu den Längen der Läufer in der x-Richtung relativ kurz sein, obgleich nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind.In some embodiments, multiple runners may be coupled together on a same side of coupled proof masses of a gyroscope. 2K represents a non-limiting example, which is a variation of the configuration of 2y represents. In 2K For example, runners 252a and 254a are coupled together by a coupler or hinge 260. Coupler 260 may be oriented generally perpendicular to both runners 252a and 254a and may have a length selected to provide a desired degree of flexibility/rigidity. The coupler 260 in some embodiments can be relatively short compared to the lengths of the runners in the x-direction, although not all embodiments are limited in this regard.

Obgleich die 2H-2K Beispiele darstellen, in denen mehrere Läufer auf einer Seite gekoppelter Prüfmassen nebeneinander angeordnet sind, sind auch andere Konfigurationen zur Bereitstellung ausgeglichener Läufer möglich. Gemäß einigen Ausführungsformen sind mehrere Läufer linear auf einer Seite gekoppelter Prüfmassen angeordnet. Die mehreren Läufer können auf mehreren Seiten eingeschränkt sein. Ein Beispiel wird in 2L gezeigt.Although the 2H-2K Illustrating examples where multiple runners are juxtaposed to one side of coupled proof masses, other configurations to provide balanced runners are possible. According to some embodiments, multiple runners are linearly arranged on one side of coupled proof masses. The multiple runners can be constrained on multiple sides. An example is given in 2L shown.

2L zeigt eine Teilansicht eines Gyroskops mit mehreren linear angeordneten Läufern als eine Alternative zu den Läufern 252a und 254a. Die Teilansicht zeigt einen Teil der zuvor beschriebenen Schiebersegmente 205a und 205e, lässt aber der einfachen Darstellung halber den Rest der Schieber und Prüfmassen aus. Einige der Komponenten sind zuvor in Verbindung mit anderen Ausführungsformen beschrieben worden und werden somit hier nicht ausführlich beschrieben. Wie gezeigt, kann das Bauelement mehrere linear angeordnete Läufer 270a, 270b und 270c enthalten, die entlang einer gemeinsamen Achse (oder Linie) P-P angeordnet sind. Darüber hinaus sind schwenkbare Gelenke 272a und 272b enthalten und sind genauso wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e mit gegenüberliegenden Seiten der Läufer 270a-270c gekoppelt. Die schwenkbaren Gelenke 272a und 272b können die gleiche Art von schwenkbaren Gelenken wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e sein und können auf die gleiche Weise, wie die schwenkbaren Gelenke 206a und 206e mit den Ankern 210 gekoppelt sind, mit Ankern 274 gekoppelt sein. Die Anker 274 und 210 weisen bei einigen Ausführungsformen die gleiche Ausführung auf, einschließlich Drehzapfen, wie zuvor in Verbindung mit den Ankern 210 beschrieben. 2L FIG. 12 shows a partial view of a gyroscope with multiple in-line phasors as an alternative to phasors 252a and 254a. The partial view shows a portion of the slider segments 205a and 205e previously described, but omits the remainder of the sliders and proof masses for ease of illustration. Some of the components have previously been described in connection with other embodiments and thus will not be described in detail here. As shown, the device may include a plurality of linearly arranged runners 270a, 270b and 270c arranged along a common axis (or line) PP. Additionally, pivoting joints 272a and 272b are included and are coupled to opposite sides of runners 270a-270c in the same way as pivoting joints 206a and 206e. Pivot joints 272a and 272b may be the same type of pivot joints as pivot joints 206a and 206e and may be coupled to anchors 274 in the same manner that pivot joints 206a and 206e couple to anchors 210. Anchors 274 and 210 have the same construction, including pivots, as previously described in connection with anchors 210 in some embodiments.

Der Läufer 270a kann auf einer Seite durch einen Koppler 276a mit dem schwenkbaren Gelenk 272a und auf der anderen Seite durch einen Koppler 276b mit dem schwenkbaren Gelenk 206a gekoppelt sein. Der Läufer 270b kann durch einen Koppler 276c auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272a und auf der anderen Seite durch einen Koppler 276d mit dem schwenkbaren Gelenk 206a gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Läufer 270b durch einen Koppler 276e auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272b und durch einen Koppler 276f auf der anderen Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 206e gekoppelt sein. Der Läufer 270c kann durch einen Koppler 276g auf einer Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 272b und durch einen Koppler 276h auf der anderen Seite mit dem schwenkbaren Gelenk 206e gekoppelt sein. Die Koppler 276a-276h können von der zuvor in Verbindung mit 2G dargestellten und beschriebenen Art sein, oder sie können von irgendeiner anderen geeigneten Art von Koppler sein, die als Reaktion auf ein Schwenken des schwenkbaren Gelenks 206a, 206e, 272a und 272b eine lineare Bewegung der Läufer 270a-270c bereitstellt.The slider 270a may be coupled to the pivot joint 272a by a coupler 276a on one side and to the pivot joint 206a on the other side by a coupler 276b. The slider 270b may be coupled to the pivot joint 272a on one side by a coupler 276c and to the pivot joint 206a on the other side by a coupler 276d. Furthermore, the slider 270b may be coupled to the pivot joint 272b by a coupler 276e on one side and to the pivot joint 206e by a coupler 276f on the other side. The slider 270c may be coupled to the pivot joint 272b by a coupler 276g on one side and to the pivot joint 206e by a coupler 276h on the other side. The couplers 276a-276h may be of the type previously associated with 2G illustrated and described type, or they may be any other suitable type of coupler that provides linear movement of sliders 270a-270c in response to pivoting of pivotable joint 206a, 206e, 272a and 272b.

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, runners 270a and 270c move in the opposite direction from that of runner 270b. The runners 270a and 270c may have a combined mass substantially equal to that of the runner 270b, thereby providing a balanced configuration in which the net linear momentum of the runners is zero and the runners therefore have the sliders and/or proof masses with none impinge on unwanted movement. Therefore, in some embodiments, runners 270a and 270c are shorter than runner 270b. In some such embodiments, runners 270a and 270c have a length that is approximately equal to half the length of runner 270b.

Es sollte auf der Hand liegen, dass 2L zwar eine Teilansicht eines Gyroskops darstellt, die linear angeordneten Läufer aber spiegelbildlich auf den gegenüberliegenden Seiten der Schieber und Prüfmassen des Gyroskops angeordnet sein können. Das heißt, die Läufer 252b und 254b in 2l können durch eine Konfiguration wie die von 2L ersetzt werden.It should be obvious that 2L Figure 12 illustrates a partial view of a gyroscope, but the in-line runners may be mirror images of each other on opposite sides of the gyroscope's sliders and proof masses. That is, the runners 252b and 254b in 2l can by a configuration like that of 2L be replaced.

Die Läufer 270a-270c erzwingen eine antisymmetrische Bewegung der Schiebersegmente 205a und 205e im Messbetriebsmodus und verhindern eine symmetrische Bewegung. Somit können die Gyroskope (oder andere MEMS-Bauelemente), die die Läuferkonfiguration von 2L implementieren, im Vergleich zu Gyroskopen ohne solche Läufer eine reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit aufweisen.The runners 270a-270c force anti-symmetrical movement of the spool segments 205a and 205e in the measurement mode of operation and prevent symmetrical movement. Thus, the gyroscopes (or other MEMS devices) that support the rotor configuration of 2L implement, have reduced acceleration sensitivity compared to gyroscopes without such runners.

2M stellt eine Alternative zu der Konfiguration von 2L dar, bei der die Läufer direkt miteinander verbunden sind. Nur ein Teil der Struktur von 2L wird gezeigt, wobei der Fokus auf der Verbindung zwischen dem Läufer 270a und 270b liegt. Wie gezeigt, können diese beiden Läufer durch einen Koppler 278 an ihren nebeneinanderliegenden Enden miteinander verbunden werden. In der Darstellung enthält der Koppler 278 eine T-Verbindung am Ende jedes der Läufer 270a und 270b, es sind aber auch alternative Kopplungskonfigurationen möglich. Der Koppler 278 ist biegefähig, wodurch sich die Läufer 270a und 270b bezüglich einander bewegen können. Ebenso können die Läufer 270b und 270c auf die gleiche Weise direkt miteinander gekoppelt sein, obgleich sie in 2M nicht gezeigt werden. 2M provides an alternative to configuring 2L where the runners are directly connected to each other. Just part of the structure of 2L is shown with focus on the connection between runner 270a and 270b. As shown, these two runners can be connected together by a coupler 278 at their adjacent ends. Coupler 278 is shown as including a T-connection at the end of each of runners 270a and 270b, but alternative coupling configurations are possible. Coupler 278 is capable of bending, allowing runners 270a and 270b to move with respect to one another. Likewise, runners 270b and 270c may be directly coupled to each other in the same manner, although they are shown in FIG 2M not be shown.

2N stellt einen Verformungszustand einer Struktur der in 2M dargestellten Art dar. In dieser Figur werden mehr der Komponenten von 2L reproduziert, als in 2M gezeigt werden. Zum Beispiel werden das Schiebersegment 205e, das schwenkbare Gelenk 206e, der Läufer 270c und das schwenkbare Gelenk 272b zusätzlich dargestellt. Die Läufer 270b und 270c sind durch einen Koppler 280, der von der gleichen Art wie der in Verbindung mit 2M beschriebene Koppler 278 sein kann, an benachbarten Enden direkt miteinander gekoppelt. 2N represents a deformation state of a structure of the in 2M represented type. In this figure, more of the components of 2L reproduced, as in 2M to be shown. For example, slider segment 205e, pivotal joint 206e, runner 270c, and pivotal joint 272b are additionally illustrated. The runners 270b and 270c are connected by a coupler 280 of the same type as that associated with 2M coupler 278 described may be directly coupled to each other at adjacent ends.

In 2N ist zu sehen, dass, wenn sich die Schiebersegmente 205a und 205e in einer linearen Gegenphasenbewegung bewegen (hier bewegt sich das Schiebersegment 205a in der Figur linear nach oben, während sich das Schiebersegment 205e linear nach unten bewegt), sich die Läufer 270a und 270c linear in die gleiche Richtung (in diesem Beispiel nach rechts) und in entgegengesetzter Richtung zu dem Läufer 270b (der sich in dieser Figur nach links bewegt) bewegen. Die Koppler 278 und 280 können sich biegen, wodurch solch eine Bewegung gestattet wird.In 2N it can be seen that when spool segments 205a and 205e move in linear anti-phase motion (here spool segment 205a moves linearly up in the figure while spool segment 205e moves linearly down), sliders 270a and 270c move linearly move in the same direction (to the right in this example) and in the opposite direction to runner 270b (which moves to the left in this figure). The couplers 278 and 280 can flex, allowing such movement.

Man kann sagen, dass die Konfigurationen der 2L, 2M und 2N ein MEMS-Bauelement (zum Beispiel ein Gyroskop) mit eingeschränkten Läufern darstellen. Die Läufer 270a-270c werden auf zwei gegenüberliegenden Seiten (nahe und distal der Prüfmassen/Schieber) entlang ihrer Länge eingeschränkt. Dies steht im Gegensatz zu der Konfiguration von 2H, bei der die Läufer auf einer einzigen Seite entlang ihrer Länge mit schwenkbaren Gelenken gekoppelt sind.It can be said that the configurations of the 2L , 2M and 2N represent a MEMS device (e.g., a gyroscope) with constrained runners. The runners 270a-270c are constrained along their length on two opposite sides (near and distal to the proof masses/sliders). This is in contrast to the configuration of 2H , in which the runners are coupled with pivoting joints on a single side along their length.

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.

3A stellt in vereinfachter Form ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung mit vier Prüfmassen dar, die durch Läufer der zuvor hierin beschriebenen Arten gekoppelt sind, die dahingehend ausgebildet sind, einer symmetrischen Bewegung jedes benachbarten Paars der Prüfmassen zu widerstehen (oder diese zu blockieren) und eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen zu gestatten oder zu erzwingen. Das MEMS-Bauelement 300 stellt eine Erweiterung des MEMS-Bauelements 100 von 1A dar, mit dem Zusatz von zwei Prüfmassen 102c und 102d und verschiedenen Kopplern, die die vier Prüfmassen koppeln. Insbesondere enthält das MEMS-Bauelement 300 die erste Prüfmasse 102a und die zweite Prüfmasse 102b, eine dritte Prüfmasse 102c, eine vierte Prüfmasse 102d, das Substrat 104, Haltebänder 306a-306h, Läufer 108a, 108b, 108c, 108d, 122a, 122b, 122c und 112d und Koppler 114a, 114b, 114c und 114d. Die Haltebänder 306a-306h können von der gleichen Art wie zuvor in Verbindung mit den Haltebändern 106a-106f beschrieben oder von irgendeiner anderen geeigneten Art sein. Die Koppler 114a-114d können von der gleichen Art wie der zuvor in Verbindung mit 1A beschriebene Koppler 114 oder von irgendeiner anderen geeigneten Art sein. Die Läufer 108a-108d und 122a-122d können beliebige der hierin beschriebenen Arten von Läufern sein. 3A Figure 12 illustrates in simplified form a MEMS device according to an aspect of the present application having four proof masses coupled by runners of the types previously described herein configured to resist (or block) symmetrical movement of each adjacent pair of proof masses ) and allow or constrain linear anti-phase motion of the proof masses. The MEMS device 300 is an extension of the MEMS device 100 of FIG 1A , with the addition of two proof masses 102c and 102d and various couplers coupling the four proof masses. In particular, the MEMS device 300 includes the first proof mass 102a and the second proof mass 102b, a third proof mass 102c, a fourth proof mass 102d, the substrate 104, tethers 306a-306h, runners 108a, 108b, 108c, 108d, 122a, 122b, 122c and 112d and couplers 114a, 114b, 114c and 114d. Tethers 306a-306h may be of the same type as previously described in connection with tethers 106a-106f or of any other suitable type. The couplers 114a-114d may be of the same type as that previously associated with 1A coupler 114 as described, or of any other suitable type. Runners 108a-108d and 122a-122d may be any of the types of runners described herein.

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 sliders 108a-108d and 122a-122d can force linear anti-phase motion of the proof masses 102a-102d parallel to the x and y directions. For example, sliders 108a, 108b and 122a and 122b can force linear anti-phase motion of proof masses 102a-102d parallel to the y-direction. The sliders 108c, 108d, 122c and 122 can force a linear anti-phase movement of the proof masses 102a-102d parallel to the x-direction. However, the movement of the proof masses along the x and y directions can be decoupled from one another.

3A stellt dar, dass bei einigen Ausführungsformen ein Gyroskop mit einer Prüfmassenanordnung, die vier Prüfmassen enthält, sich linear bewegende ausgeglichene Läufer auf einander gegenüberliegenden Seiten der Anordnung enthalten kann. Die Läufer können sich, wie dargestellt, in die durch die Pfeile 110a, 110b, 110c und 110d angezeigten Richtungen bewegen. Ein impulsausgeglichener Betrieb kann durch geeignete Auswahl der Massen, derart, dass die kombinierten Impulse der einzelnen Massen voneinander versetzt sind, realisiert werden. Zum Beispiel können die Läufer 108a, 122a, 108b und 122b im Wesentlichen gleiche Massen aufweisen und können zur translatorischen Bewegung in entgegengesetzte Richtungen (zum Beispiel 108a entgegengesetzt zu 122a und 108b entgegengesetzt zu 122b) angeordnet sein, so dass sie sich mit gleichen und entgegengesetzten Impulsen bewegen und sich deshalb gegenseitig aufheben. Es sollte jedoch auf der Hand liegen, dass nicht alle Ausführungsformen in dieser Hinsicht beschränkt sind, da ein MEMS-Gyroskop gemäß alternativen Ausführungsformen vier Massen aufweisen kann, die durch Läufer der hierin beschriebenen Arten gekoppelt sind, die nicht impulsausgeglichen sind. Zum Beispiel können bei einem MEMS-Gyroskop einer Ausführungsform die Läufer 122a-122d weggelassen sein. 3A Figure 12 illustrates that in some embodiments, a gyroscope with a proof mass assembly containing four proof masses may include linearly moving balanced sliders on opposite sides of the assembly. As illustrated, the runners may move in the directions indicated by arrows 110a, 110b, 110c and 110d. Impulse-balanced operation can be realized by appropriate selection of the masses such that the combined impulses of the individual masses are offset from one another. For example, runners 108a, 122a, 108b, and 122b may have substantially equal masses and may be arranged to translate in opposite directions (e.g., 108a opposite to 122a and 108b opposite to 122b) such that they move with equal and opposite momenta move and therefore cancel each other out. However, it should be understood that not all embodiments are limited in this regard, as alternative embodiments a MEMS gyroscope may have four masses coupled by runners of the types described herein that are not momentum balanced. For example, in a MEMS gyroscope of one embodiment, sliders 122a-122d may be omitted.

Die 3B-3E stellen in Blockdiagrammform verschiedene Zustände einer Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d von 3A gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. Für Zwecke der Erörterung wird angenommen, dass das MEMS-Bauelement 300 ein Gyroskop sowohl mit Antriebs- als auch Messmodus ist. 3B stellt in Blockdiagrammform einen ersten Zustand einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d in einem Antriebsbetriebsmodus gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. Wie dargestellt, verläuft die Bewegung der Prüfmassen 102a-102d insofern gegenphasig, als die Bewegung irgendeiner gegebenen Masse von den vier in einer entgegengesetzten Richtung zu der der beiden direkt benachbarten Massen verläuft. In dem dargestellten nicht einschränkenden Beispiel bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die negative x-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die positive x-Richtung bewegen. Die Bewegung kann insofern synchron sein, als die Bewegung einer der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann.the 3B-3E 10 illustrate in block diagram form various states of anti-phase motion of proof masses 102a-102d 3A in accordance with one non-limiting embodiment. For purposes of discussion, assume that MEMS device 300 is a gyroscope with both drive and sense modes. 3B 10 illustrates, in block diagram form, a first state of linear anti-phase motion of proof masses 102a-102d in a propulsion mode of operation, in accordance with one non-limiting embodiment rich direction to that of the two directly adjacent masses. In the illustrated non-limiting example, proof masses 102a and 102d linearly move in the negative x-direction, while proof masses 102b and 102c linearly move in the positive x-direction. The movement can be synchronous in that movement of one of the proof masses can cause movement of the other.

3C stellt einen zweiten Zustand der Gegenphasenbewegung des Antriebsmodus dar. In diesem Zustand haben die Prüfmassen 102a-102d im Vergleich zu 3B eine umgekehrte Richtung. Die Prüfmassen 102a und 102d bewegen sich linear in die x-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die negative x-Richtung bewegen. 3C 12 illustrates a second state of anti-phase motion of the drive mode. In this state, proof masses 102a-102d have relative to 3B a reverse direction. Proof masses 102a and 102d move linearly in the x-direction, while proof masses 102b and 102c move linearly in the negative x-direction.

3D stellt einen Zustand der Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 102a-102d in einem Messbetriebsmodus gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. In diesem nicht einschränkenden Beispiel bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die y-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c linear in die negative y-Richtung bewegen. Die Bewegung kann wieder insofern synchron sein, als eine der Prüfmassen eine Bewegung der anderen bewirken kann. 3D 10 illustrates a state of anti-phase motion of proof masses 102a-102d in a measurement mode of operation, in accordance with one non-limiting embodiment. In this non-limiting example, proof masses 102a and 102d linearly move in the y-direction, while proof masses 102b and 102c linearly move in the negative move y-direction. The motion can again be synchronous in that one of the proof masses can cause the other to move.

3E stellt einen zweiten Zustand der Gegenphasenbewegung im Messmodus dar. In diesem Zustand bewegen sich die Prüfmassen 102a und 102d linear in die negative y-Richtung, während sich die Prüfmassen 102b und 102c in die y-Richtung bewegen. 3E 12 illustrates a second state of anti-phase motion in the measurement mode. In this state, proof masses 102a and 102d move linearly in the negative y-direction, while proof masses 102b and 102c move in the y-direction.

Obgleich die 3B-3E eine lineare Bewegung der Prüfmassen in die von oben nach unten und von links nach rechts verlaufenden Richtungen darstellen, sollte auf der Hand liegen, dass durch einen MEMS-Bauelement jegliche Kombination einer solchen Bewegung implementiert werden kann. Zum Beispiel kann die Bewegung der Prüfmassen stattdessen unter anderem entlang einer diagonalen Richtung (zum Beispiel in einem Winkel von 45 Grad zu der x- und y-Achse) verlaufen. Zum Beispiel kann sich die Antriebsachse in einem Winkel von 45° zu der x-Achse befinden, und die Messachse kann sich in einem Winkel von 135° zu der x-Achse befinden. Es sind auch andere Ausrichtungen möglich. Obgleich die 3B-3C als sich auf einen Antriebsbetriebsmodus beziehend und die 3D-3E als sich auf einen Messmodus beziehend beschrieben werden, sollte ferner auf der Hand liegen, dass die Antriebs- und Messrichtung umgekehrt sein können. Im Allgemeinen sollte auf der Hand liegen, dass die 3B-3E lediglich ein Beispiel für eine lineare Gegenphasenbewegung darstellen, die durch ein MEMS-Bauelement mit vier beweglichen Massen implementiert werden kann, und dass die Bewegungsrichtungen und Bezeichnung der Antriebs- und Messmodi verschiedene Formen annehmen können.Although the 3B-3E represent linear motion of the proof masses in the top-to-bottom and left-to-right directions, it should be apparent that any combination of such motion can be implemented by a MEMS device. For example, the movement of the proof masses may instead be along a diagonal direction (e.g., at a 45 degree angle to the x and y axes), among other things. For example, the drive axis can be at an angle of 45° to the x-axis and the measurement axis can be at an angle of 135° to the x-axis. Other orientations are also possible. Although the 3B-3C as relating to a drive mode of operation and the 3D 3E described as referring to a measurement mode, it should further be appreciated that the drive and measurement directions may be reversed. In general, it should be obvious that the 3B-3E represent only one example of a linear anti-phase motion that can be implemented by a MEMS device with four moving masses, and that the directions of motion and designations of the drive and measurement modes can take various forms.

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.Sliders 108a-108d and 122a-122d prioritize anti-phase motion of proof masses 102a-102d while inhibiting spurious modes that can be excited by linear and angular acceleration. Specifically, runners 108a-108b and 122a-122d prioritize anti-phase motion in the y-direction, while runners 108c-108d and 122c-122d prioritize anti-phase motion in the x-direction. As such, the MEMS device 300 may be substantially insensitive or immune to linear and angular acceleration, thereby allowing the MEMS device to operate more accurately as a gyroscope. The sliders can constrain the linear anti-phase motion by mode ordering the modes of the MEMS device such that those modes sensitive to external forces are at much higher frequencies than the desired modes of operation. In this way, jamming modes can be blocked.

Die 4A-4B stellen ein Beispiel für ein vier Prüfmassen enthaltendes Gyroskop mit synchronisierter Masse in zwei Verformungszuständen gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform dar. 4A stellt einen Verformungszustand dar, bei dem die Prüfmassen des MEMS-Gyroskops 400 eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur x-Achse erfahren, während 4B einen Verformungszustand darstellt, bei dem die Prüfmassen des MEMS-Gyroskops 400 eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur y-Achse erfahren.the 4A-4B 12 illustrate an example of a synchronized mass gyroscope containing four proof masses in two states of deformation, in accordance with one non-limiting embodiment. 4A 14 depicts a strain condition where the proof masses of the MEMS gyroscope 400 undergo linear anti-phase motion parallel to the x-axis while FIG 4B 12 depicts a strain condition where the proof masses of the MEMS gyroscope 400 experience anti-phase linear motion parallel to the y-axis.

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 mass MEMS gyroscope 400 includes proof masses 402a-402d coupled to sliders 404, respectively. Four pivoting joints 406 are provided for each of the four proof masses. A total of eight runners are provided, including four runners 408 and four runners 410 . Runners 408 are of the type previously described in connection with runners 252a and 252b, and runners 410 are of the type previously described in connection with runners 254a and 254b.

In 4A wird das MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse in Verbindung mit einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d parallel zur x-Achse verformt. Insbesondere werden die Prüfmassen 402a und 402d aus ihren Gleichgewichtspositionen in die negative x-Richtung verschoben, und die Prüfmassen 402b und 402c werden in die x-Richtung verschoben. Diese Bewegung kann als ein nicht einschränkendes Beispiel einem Antriebsbetriebsmodus des MEMS-Gyroskops zugeordnet werden. In diesem Zustand werden die Läufer 408 und 410 auf der linken und rechten Seite der Prüfmassenanordnung in die durch die fett gedruckten Pfeile angezeigten Richtungen verschoben. Insbesondere werden die die Prüfmasse 402a mit 402c und die Prüfmasse 402b mit 402d koppelnden Läufer 408 in die negative y-Richtung verschoben, und die diese Prüfmassen koppelnden Läufer 410 werden in die y-Richtung verschoben. Die die Prüfmasse 402a mit 402b und die Prüfmasse 402c mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 werden in diesem Betriebszustand nicht verschoben.In 4A For example, the synchronized mass MEMS gyroscope is deformed in conjunction with anti-phase linear motion of proof masses 402a-402d parallel to the x-axis. Specifically, proof masses 402a and 402d are translated from their equilibrium positions in the negative x-direction, and proof masses 402b and 402c are translated in the x-direction. As a non-limiting example, this movement may be associated with a drive mode of operation of the MEMS gyroscope. In this state, the runners 408 and 410 on the left and right sides of the proof mass assembly in the directions indicated by the bold arrows. Specifically, the sliders 408 coupling proof masses 402a to 402c and proof mass 402b to 402d are translated in the negative y-direction, and the sliders 410 coupling these proof masses are translated in the y-direction. The runners 408 and 410 coupling the proof mass 402a to 402b and the proof mass 402c to 402d are not displaced in this operating state.

In 4B wird das MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse in Verbindung mit einer linearen Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d parallel zur y-Achse verformt. Insbesondere werden die Prüfmassen 402a und 402d aus ihren Gleichgewichtspositionen in die y-Richtung verschoben, und die Prüfmassen 402b und 204c werden in die negative y-Richtung verschoben. Diese Bewegung kann als ein nicht einschränkendes Beispiel einem Messbetriebsmodus des MEMS-Gyroskops zugeordnet werden. In diesem Zustand werden die die Prüfmasse 402a mit 402b und die Prüfmasse 402c mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 in die durch die fettgedruckten Pfeile angezeigten Richtungen verschoben. Insbesondere werden die Läufer 408 in die x-Richtung verschoben, und die Läufer 410 werden in die negative x-Richtung verschoben. Die die Prüfmasse 402a mit 402c und die Prüfmasse 402b mit 402d koppelnden Läufer 408 und 410 werden in diesem Betriebszustand nicht verschoben.In 4B For example, the synchronized mass MEMS gyroscope is deformed in conjunction with anti-phase linear motion of the proof masses 402a-402d parallel to the y-axis. In particular, proof masses 402a and 402d are translated from their equilibrium positions in the y-direction and proof masses 402b and 204c are translated in the negative y-direction. As a non-limiting example, this movement may be associated with a measurement mode of operation of the MEMS gyroscope. In this state, the sliders 408 and 410 coupling the proof masses 402a to 402b and the proof mass 402c to 402d are displaced in the directions indicated by the bold arrows. Specifically, runners 408 are translated in the x-direction and runners 410 are translated in the negative x-direction. The runners 408 and 410 coupling the proof mass 402a to 402c and the proof mass 402b to 402d are not displaced in this operating state.

Aus den 4A-4B sollte hervorgehen, dass die Läufer 408 und 410 eine lineare Gegenphasenbewegung der Prüfmassen 402a-402d sowohl in die x- als auch in die y-Richtung erzwingen können, aber dass die Bewegung der Prüfmassen in diese beiden Richtungen entkoppelt ist. Somit werden zwei Freiheitsgrade bereitgestellt, wodurch ein genauer Betrieb der Vorrichtung als Gyroskop gewährleistet wird.From the 4A-4B It should be understood that sliders 408 and 410 can force linear anti-phase motion of proof masses 402a-402d in both the x and y directions, but motion of the proof masses in these two directions is decoupled. Two degrees of freedom are thus provided, thereby ensuring accurate operation of the device as a gyroscope.

Obgleich das MEMS-Gyroskop 400 mit synchronisierter Masse Läufer der zuvor in Verbindung mit den 2H und 2I beschriebenen Art darstellt, sollte auf der Hand liegen, dass jegliche der hierin beschriebenen Läuferarten verwendet werden können. Zum Beispiel können stattdessen anstelle der Läufer 408 und 410 die eingeschränkten Läufer der 2L und 2M implementiert werden. Somit ist die spezielle Ausführung des MEMS-Gyroskops 400 ein nicht einschränkendes Beispiel eines Gyroskops mit synchronisierter Masse.Although the MEMS gyroscope 400 with synchronized mass runners previously associated with the 2H and 2I described, it should be apparent that any of the types of runners described herein can be used. For example, instead of runners 408 and 410, the constrained runners of 2L and 2M to be implemented. Thus, the particular implementation of MEMS gyroscope 400 is a non-limiting example of a synchronized mass gyroscope.

4C zeigt eine alternative Konfiguration eines Gyroskops mit synchronisierter Masse. Das Gyroskop 420 mit synchronisierter Masse enthält vier Prüfmassen 402a-402d, die Haltebänder 212, die schwenkbaren Gelenke 406, die Läufer 408 und 410, den Koppler 260 und den Schieber 422. In diesem nicht einschränkenden Beispiel sind die Läufer 408 durch die Koppler 260 mit jeweiligen Läufern 410 gekoppelt. Die Koppler 260 sind von der in 2K dargestellten Art und wurden zuvor in Verbindung mit dieser Figur beschrieben. Sie können relativ kurz sein, gestatten aber den Läufern 408 und 410, sich bezüglich einander zu bewegen. In 4C ist jeder Läufer 408 durch drei Koppler 260 mit einem jeweiligen Läufer 410 gekoppelt. Es können jedoch auch andere Anzahlen von Kopplern 260 verwendet werden, darunter ein einziger Koppler 260, der einen Läufer 408 mit einem entsprechenden Läufer 410 koppelt. 4C Figure 12 shows an alternative configuration of a synchronized mass gyroscope. The synchronized mass gyroscope 420 includes four proof masses 402a-402d, the tethers 212, the pivotable joints 406, the runners 408 and 410, the coupler 260 and the slider 422. In this non-limiting example, the runners 408 are connected by the couplers 260 with respective runners 410 coupled. The couplers 260 are from the in 2K shown and have been previously described in connection with that figure. They can be relatively short but allow runners 408 and 410 to move relative to each other. In 4C Each runner 408 is coupled to a respective runner 410 by three couplers 260 . However, other numbers of couplers 260 may be used, including a single coupler 260 coupling a runner 408 to a corresponding runner 410.

Bei dem Gyroskop 420 mit synchronisierter Masse von 4C sind die schwenkbaren Gelenke 406 direkt mit den Prüfmassen gekoppelt anstatt über einen Schieber. Hier ist der Schieber 422 kleiner als die Schieber 404 der 4A-4B ausgeführt, wodurch dem Gyroskop 420 eine größere Winkelverstärkung bereitgestellt wird. Winkelverstärkung ist das Verhältnis der auf die Winkeldrehung reagierenden Masse zu der gesamten modalen Masse des Messmodus.In the synchronized mass gyroscope 420 of 4C For example, the pivotable joints 406 are coupled directly to the proof masses rather than through a slider. Here the slide 422 is smaller than the slide 404 of FIG 4A-4B performed, thereby providing the gyroscope 420 with greater angular gain. Angular gain is the ratio of the mass responding to angular rotation to the total modal mass of the measurement mode.

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. 5 stellt ein Beispiel dar, in dem ein MEMS-Bauelement der hierin beschriebenen Arten in einem Auto eingesetzt wird. In dem Beispiel von 5 enthält ein Automobil 500 eine Steuereinheit 502, die durch eine verdrahtete oder drahtlose Verbindung 506 mit einem Bordcomputer 504 des Autos gekoppelt ist. Die Steuereinheit 502 kann einen MEMS-Sensor oder ein MEMS-Bauelement der hierin beschriebenen Arten, wahlweise zusammen mit einer Energiequelle, einer Verarbeitungsschaltung, einer Interface-Schaltungsanordnung zur Kommunikation über die Verbindung 506 oder irgendwelchen anderen geeigneten Komponenten aufweisen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Steuereinheit 502 ein MEMS-Gyroskop der hierin beschriebenen Arten enthalten. Das MEMS-Gyroskop kann als Beispiel ein Gieren des Automobils 500 erfassen. Die Steuereinheit 502 kann ein Package oder ein Gehäuse aufweisen, das an einem geeigneten Teil des Automobils 500 mit dem MEMS-Bauelement darin befestigt ist. Die Steuereinheit 502 kann Energie und Steuersignale von dem Bordcomputer 504 empfangen und dem Bordcomputer 504 Messsignale zu führen.MEMS devices of the types described herein can be used in a wide variety of devices, products, and fields. One such area is in vehicles such as automobiles, watercraft, and aircraft. 5 Figure 12 illustrates an example in which a MEMS device of the types described herein is deployed in a car. In the example of 5 An automobile 500 includes a controller 502 coupled by a wired or wireless link 506 to an onboard computer 504 of the automobile. Control unit 502 may include a MEMS sensor or device of the types described herein, optionally along with a power source, processing circuitry, interface circuitry for communication via link 506, or any other suitable components. As a non-limiting example, controller 502 may include a MEMS gyroscope of the types described herein. As an example, the MEMS gyroscope may detect yawing of the automobile 500 . The control unit 502 may comprise a package or housing that is attached to an appropriate part of the automobile 500 with the MEMS device therein. The controller 502 may receive power and control signals from the onboard computer 504 and provide measurement signals to the onboard computer 504 .

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)

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; und einen 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 movement parallel to both the first and second transverse axes; a second proof mass coupled to the substrate by a second tether and configured for linear movement parallel to both the first and second transverse axes; and a 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. MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine dritte Prüfmasse, die durch ein drittes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; eine vierte Prüfmasse, die durch ein viertes Halteband mit dem Substrat gekoppelt ist und zur linearen Bewegung parallel sowohl zur ersten als auch zur zweiten Querachse ausgebildet ist; und einen zweiten Koppler, der die dritte und die vierte Prüfmasse miteinander koppelt und dahingehend ausgebildet ist, sich parallel zur ersten Achse linear zu bewegen und die Bewegung der dritten und vierten Prüfmasse auf eine synchrone, lineare Gegenphasenbewegung zu beschränken, so dass, wenn sich die dritte Prüfmasse in die zweite Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt, sich die vierte Prüfmasse in die erste Richtung parallel zur zweiten Achse bewegt.MEMS device claim 1 further comprising a third proof mass coupled to the substrate by a third tether and configured for linear movement parallel to both the first and second transverse axes; 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; and a second coupler coupling the third and fourth proof masses together and configured to linearly move parallel to the first axis and constrain movement of the third and fourth proof masses to synchronous, anti-phase linear movement such that when the third proof mass moves in the second direction parallel to the second axis, fourth proof mass moves in the first direction parallel to the second axis. MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen.MEMS device claim 2 , wherein the first and second couplers are configured to move linearly in opposite directions. MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei der erste und der zweite Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear in die gleiche Richtung zu bewegen.MEMS device claim 2 , wherein the first and second couplers are adapted to move linearly in the same direction. MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, ferner aufweisend einen dritten Koppler, der die erste und die dritte Prüfmasse miteinander koppelt, und einen vierten Koppler, der die zweite und die vierte Prüfmasse miteinander koppelt, wobei der dritte und der vierte Koppler dahingehend ausgebildet sind, sich linear parallel zur zweiten Achse zu bewegen, wenn sich die erste und die dritte Prüfmasse linear in einer Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen und die zweite und die vierte Prüfmasse linear in einer Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse bewegen.MEMS device claim 2 , further comprising a third coupler coupling the first and third proof masses together and a fourth coupler coupling the second and fourth proof masses together, the third and fourth couplers being configured to linearly parallel the second axis move when the first and third proof masses move linearly in anti-phase motion parallel to the first axis and the second and fourth proof masses move linearly in anti-phase motion parallel to the first axis. MEMS-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen weiteren Koppler, der die erste und die zweite Prüfmasse koppelt, wobei der erste und der weitere Koppler bezüglich einander linear angeordnet sind.The MEMS device of any preceding claim, further comprising a further coupler coupling the first and second proof masses, the first and further couplers being linearly arranged with respect to one another. MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei das MEMS-Bauelement mehrere Koppler aufweist, die den ersten Koppler aufweisen, und wobei die mehreren Koppler dahingehend ausgebildet sind, zusammen eine lineare Gegenphasenbewegung der vier Prüfmassen parallel zur ersten Achse zu erzwingen und eine lineare Gegenphasenbewegung der ersten und der zweiten Prüfmasse parallel zur zweiten Achse zu erzwingen, und wobei die Koppler der mehreren Koppler als sich linear bewegenden Läufer ausgebildet sind.MEMS device claim 2 , wherein the MEMS device includes a plurality of couplers including the first coupler, and wherein the plurality of couplers are configured to collectively constrain anti-phase linear motion of the four proof masses parallel to the first axis and anti-phase linear motion of the first and second proof masses parallel to the to constrain the second axis, and wherein the couplers of the plurality of couplers are configured as linearly moving sliders. MEMS-Bauelement nach Anspruch 7, wobei die Koppler der mehreren Koppler Massen aufweisen, die so ausgewählt sind, dass sie zusammen einen Nettoimpuls von im Wesentlichen null bereitstellen, wenn sie sich linear translatorisch bewegen.MEMS device claim 7 wherein the couplers of the plurality of couplers have masses selected so that together they provide substantially zero net momentum when linearly translating. Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Bauelements mit synchronisierter Masse, das vier miteinander gekoppelte Prüfmassen aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bewegen einer ersten und einer zweiten Prüfmasse der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer ersten Achse; Bewegen einer dritten und einer vierten Prüfmasse der vier Prüfmassen in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu der ersten Achse; lineares translatorisches Bewegen eines ersten Kopplers, der die erste und die zweite Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelt, um die erste und die zweite Prüfmasse auf eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse zu beschränken; und lineares translatorisches Bewegen eines zweiten Kopplers, der die dritte und die vierte Prüfmasse der vier Prüfmassen koppelt, um die dritte und die vierte Prüfmasse auf eine lineare Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse zu beschränken.A method of operating a synchronized mass MEMS device having four proof masses coupled together, the method comprising: moving first and second proof masses of the four proof masses in anti-phase linear motion parallel to a first axis; moving third and fourth proof masses of the four proof masses in anti-phase linear motion parallel to the first axis; linearly translating a first coupler coupling first and second proof masses of the four proof masses to constrain the first and second proof masses to anti-phase linear motion parallel to the first axis; and linearly translating a second coupler comprising the third and fourth proof masses coupling the four proof masses to constrain the third and fourth proof masses to anti-phase linear motion parallel to the first axis. Verfahren nach Anspruch 9, wobei lineares translatorisches Bewegen des ersten Kopplers und lineares translatorisches Bewegen des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse aufweist.procedure after claim 9 wherein linearly translating the first coupler and linearly translating the second coupler comprises linearly translating the first and second couplers parallel to a second axis transverse to the first axis. Verfahren nach Anspruch 9, wobei lineares translatorisches Bewegen des ersten Kopplers und lineares translatorisches Bewegen des zweiten Kopplers lineares translatorisches Bewegen des ersten und des zweiten Kopplers in entgegengesetzte Richtungen aufweist.procedure after claim 9 wherein linearly translating the first coupler and linearly translating the second coupler comprises linearly translating the first and second couplers in opposite directions. Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend Bewegen der ersten und der dritten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse, Bewegen der zweiten und der vierten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu der zweiten Achse, lineares translatorisches Bewegen eines dritten Kopplers, der die dritte Prüfmasse mit der ersten Prüfmasse koppelt, wenn sich die erste und die dritte Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur zweiten Achse bewegen, und lineares translatorisches Bewegen eines vierten Kopplers, der die vierte Prüfmasse mit der zweiten Prüfmasse koppelt, wenn sich die zweite und die vierte Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur zweiten Achse bewegen.procedure after claim 9 , further comprising moving the first and third proof masses in anti-phase linear motion parallel to a second axis transverse to the first axis, moving the second and fourth proof masses in anti-phase linear motion parallel to the second axis, linearly translating a third coupler, the couples the third proof mass to the first proof mass when the first and third proof masses move in anti-phase linear motion parallel to the second axis, and linearly translating a fourth coupler that couples the fourth proof mass to the second proof mass when the second and move the fourth proof mass in antiphase linear motion parallel to the second axis. Verfahren nach Anspruch 9, das lineares translatorisches Bewegen mehrerer Koppler, aufweisend den ersten und den zweiten Koppler in einem impulsausgeglichenen Betrieb, aufweist.procedure after claim 9 comprising linearly translating a plurality of couplers comprising the first and second couplers in momentum-balanced operation. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei Bewegen der ersten und der zweiten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse und Bewegen der dritten und der vierten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur ersten Achse Antreiben der vier Prüfmassen aufweist, wobei das Verfahren ferner Erfassen einer Drehung des MEMS-Bauelements mit synchronisierter Masse durch Bewegen der ersten und der dritten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zu einer quer zur ersten Achse verlaufenden zweiten Achse und Bewegen der zweiten und der vierten Prüfmasse in einer linearen Gegenphasenbewegung parallel zur zweiten Achse aufweist, und wobei das Verfahren ferner Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der ersten und der zweiten Prüfmasse entlang der ersten Achse und Erzwingen einer linearen Gegenphasenbewegung der ersten und der dritten Prüfmasse entlang der zweiten Achse unter Verwendung mehrerer sich linear translatorisch bewegender Koppler aufweist.procedure after claim 9 , 10 , 11 or 12 , wherein moving the first and second proof masses in anti-phase linear motion parallel to the first axis and moving the third and fourth proof masses in anti-phase linear motion parallel to the first axis comprises driving the four proof masses, the method further comprising detecting a rotation of the MEMS device with synchronized mass by moving the first and third proof masses in anti-phase linear motion parallel to a second axis transverse to the first axis and moving the second and fourth proof masses in anti-phase linear motion parallel to the second axis, and the method further comprises forcing a anti-phase linear motion of the first and second proof masses along the first axis; and forcing the first and third proof masses to anti-phase linear motion along the second axis using a plurality of linearly translating couplers. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, ferner aufweisend lineares translatorisches Bewegen eines dritten Kopplers, der die erste und die zweite Prüfmasse koppelt, in eine Richtung, die der entgegengesetzt ist, in die der erste Koppler translatorisch bewegt wird.procedure after claim 9 , 10 or 11 , further comprising linearly translating a third coupler that couples the first and second proof masses in a direction opposite to that in which the first coupler is translated. Ausgeglichenes MEMS-Gyroskop mit synchronisierter Masse, aufweisend ein MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Balanced MEMS gyroscope with synchronized mass, comprising a MEMS device according to any one of Claims 1 until 8th .
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