DE102021111847A1

DE102021111847A1 - 3-achsen-gyroskop mit drehschwingungsunterdrückung

Info

Publication number: DE102021111847A1
Application number: DE102021111847.6A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Gregory; Charles Blackmer; Tyler Adam Dunn; Eugene Oh Hwang; Jinbo Kuang; Kemiao Jia; Laura Cornelia Popa; Igor P. Prikhodko; Erdinc Tatar
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2021-12-09
Also published as: CN113758477B; US11193771B1; US11774244B2; US20220057210A1; US20210381834A1; CN113758477A

Abstract

Es werden hier säulenförmige mehrachsige MEMS-Vorrichtungen (MEMS, mikroelektromechanisches System) beschrieben, die gegen unerwünschte Linear- und Winkelschwingungen ausgeglichen sind. Bei einigen Ausführungsformen kann die säulenförmige MEMS-Vorrichtung mindestens zwei Mehrfachmassensäulen umfassen, die jeweils mindestens drei Prüfmassen aufweisen und dazu ausgebildet sind, eine Drehung um eine jeweilige Achse zu erfassen. Die Bewegung und die Masse der Prüfmassen können dahingehend gesteuert werden, einen Linear- und Drehausgleich der MEMS-Vorrichtung zu erzielen. Die säulenförmige MEMS-Vorrichtung kann ferner eine oder mehrere modulare Antriebsstrukturen umfassen, die neben jeder Mehrfachmassensäule angeordnet sind, um eine Verschiebung der Prüfmassen an einer jeweiligen Säule zu ermöglichen. Die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen können dazu verwendet werden, Roll-, Gier- und Nickwinkelraten zu erfassen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft MEMS-Vorrichtungen (MEMS, mikroelektromechanisches System) und insbesondere MEMS-Gyroskope.
HINTERGRUND
Gyroskope (manchmal einfach als „Gyros“ bezeichnet) sind drehsensitive Bauelemente und können deshalb zum Detektieren von Drehung verwendet werden. MEMS-Gyroskope (MEMS, mikroelektromechanisches System) enthalten in der Regel einen beweglichen Körper, manchmal als „Prüfmasse“ bezeichnet, an den ein elektrisches Signal angelegt wird, um eine Bewegung in erster Linie entlang einer bestimmten Achse zu erzeugen. Dies wird als Antreiben der Prüfmasse bezeichnet, und die Achse, entlang der die Prüfmasse angetrieben wird, wird manchmal als die „Antriebsachse“ bezeichnet. Wenn das Gyroskop eine Drehung erfährt, bewegt sich die Prüfmasse darüber hinaus entlang einer anderen Achse als die Antriebsachse, die manchmal als die Messachse bezeichnet wird. Bei einigen MEMS-Gyroskopen bewirkt eine Drehung, dass sich die Prüfmasse linear entlang der Messachse bewegt. Bei anderen bewirkt eine Drehung, dass sich die Prüfmasse dreht. Die Bewegung der Prüfmasse entlang der Messachse wird detektiert, wodurch eine Anzeige der von dem Gyroskop erfahrenen Drehung bereitgestellt wird.
Einige MEMS-Gyroskope enthalten mehrere Prüfmassen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Prüfmassen können in einem Versuch, eine synchrone Bewegung bereitzustellen, während eine unerwünschte Bewegung entlang entweder der Mess- oder Antriebsachse gesperrt wird, miteinander gekoppelt sein.
KURZDARSTELLUNG
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf säulenförmige mehrachsige MEMS-Vorrichtungen (MEMS, mikroelektromechanisches System) (wie beispielsweise Gyroskope), die gegen unerwünschte Linear- und Winkelschwingungen ausgeglichen sind. Bei einigen Ausführungsformen kann die säulenförmige MEMS-Vorrichtung mindestens zwei Mehrfachmassensäulen umfassen, die jeweils mindestens drei Prüfmassen aufweisen und dazu ausgebildet sind, eine Drehung um eine jeweilige Achse zu erfassen. Die Bewegung und die Masse der Prüfmassen kann dahingehend gesteuert werden, einen Linear- und Drehausgleich der MEMS-Vorrichtung zu erzielen. Die säulenförmige MEMS-Vorrichtung kann ferner eine oder mehrere modulare Antriebsstrukturen umfassen, die neben jeder Mehrfachmassensäule angeordnet sind, um eine Verschiebung der Prüfmassen einer jeweiligen Säule zu ermöglichen. Die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen können dazu verwendet werden, Roll-, Gier- und Nickwinkelraten zu erfassen.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf ein Gyroskop, das Folgendes umfasst: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, wobei die zweite Säule drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und mehrere Antriebsanordnungen. Die mehreren Antriebsanordnungen umfassen: eine mit der ersten Säule gekoppelte erste Antriebsanordnung, wobei die erste Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und eine zweite Antriebsanordnung, die mit der zweiten Säule und der ersten Antriebsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf eine MEMS-Vorrichtung (MEMS, mikroelektromechanisches System), umfassend: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang der ersten Richtung angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und eine erste Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken, wobei die erste Antriebsanordnung neben den drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Richtung angeordnet ist.
Einige Ausführungsformen beziehen sich auf eine Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein erstes Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer ersten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; ein zweites Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer zweiten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen. Das erste und das zweite Gyroskop sind in einer ersten Ebene nebeneinander angeordnet und durch mehrere Antriebsanordnungen miteinander gekoppelt, die dazu ausgebildet sind, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten und der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken. Die drei Prüfmassen der ersten Säule umfassen zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule angeordnet ist, wobei sich die innere Prüfmasse der ersten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt. Die drei Prüfmassen der zweiten Säule umfassen zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule angeordnet ist, wobei sich die innere Prüfmasse der zweiten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt.
Figurenliste
Es werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Technologie 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. Der Übersicht halber ist möglicherweise nicht jede Komponente in jeder Zeichnung bezeichnet.

1 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte MEMS-Vorrichtung, die zwei Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
2 stellt eine relative Bewegung der Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
3 stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 1, die ein Paar mit jeder Mehrfachmassensäule gekoppelter Antriebsanordnungen aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
4A stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 3, die eine dritte Mehrfachmassensäule zur Erfassung einer Drehung um eine zusätzliche Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
4B stellt die relative Bewegung von Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 4A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
5A ist eine Draufsicht, die eine alternative beispielhafte MEMS-Vorrichtung, die zwei Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
5B stellt die relative Bewegung der Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
5C stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 5A, die eine dritte Mehrfachmassensäule zur Erfassung einer Drehung um eine zusätzliche Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
5D stellt die relative Bewegung von Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
6A ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine MEMS-Vorrichtung, die in einer Linie angeordnete Federn aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
6B ist eine Draufsicht, die die MEMS-Vorrichtung von 6A, wenn sie in der x-Achsen-Richtung angetrieben wird, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
6C ist eine Draufsicht, die den Teil „A“ der MEMS-Vorrichtung von 6A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
6D ist eine Draufsicht, die den MEMS-Vorrichtungsteil von 6C, wenn er in der x-Achsen-Richtung angetrieben wird, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
7A stellt Aspekte eines Teils einer Antriebsanordnung einer ersten Säule der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
7B ist eine Draufsicht, die den MEMS-Vorrichtungsteil von 7A, wenn er in der x-Achsen-Richtung angetrieben wird, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
7C ist eine Draufsicht, die eine Antriebsanordnung der MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
8 stellt Aspekte einer Mehrfachmassensäule der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
9A stellt Aspekte der Antriebsanordnungen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
9B stellt weitere Aspekte der Antriebsanordnungen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
9C stellt Aspekte der Antriebsmodule von 9B gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
10 ist eine Draufsicht, die ein nicht einschränkendes Beispiel für ein 3-Achsen-Gyroskop mit Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse, wobei Antriebsanordnungen benachbarter Säulen miteinander gekoppelt sind, gemäß einigen Ausführungsformen der hier beschriebenen Technologie schematisch darstellt.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein ein MEMS-Gyroskop beinhaltendes System gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.
12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein ein beispielhaftes System, das ein MEMS-Gyroskop beinhaltet, enthaltendes Automobil gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Aspekte der vorliegenden Anmeldung betreffen eine MEMS-Vorrichtung (MEMS, mikroelektromechanische Vorrichtung), insbesondere ein säulenförmiges mehrachsiges Gyroskop mit drei oder mehr sich bewegenden Massen (hier als „Prüfmassen“ bezeichnet) pro Säule. Bei einigen Ausführungsformen sind die Prüfmassen in jeder Säule so ausgebildet, dass ihre relative Bewegung einen Linear- und Drehausgleich bereitstellt, was bedeutet, dass das Gyroskop lineare Beschleunigungs- und Winkelschwingungen um eine Achse, die für die beabsichtigte Erfassung des Gyroskops nicht erwünscht sind, unterdrückt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist die MEMS-Vorrichtung (die bei einigen Ausführungsformen ein MEMS-Gyroskop ist) dazu ausgebildet, eine Drehung um zwei oder mehr Achsen (eine Roll-, Nick- und/oder Gierbewegung) zu erfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung zum Beispiel dazu ausgebildet sein, eine Drehung um zwei Achsen (zum Beispiel Rollen und Gieren, Rollen und Nicken oder Gieren und Nicken) zu erfassen. Bei einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung dazu ausgebildet sein, eine Drehung um drei Achsen zu erfassen (zum Beispiel Rollen, Nicken und Gieren). Insbesondere kann das MEMS-Gyroskop mehrere Säulen aufweisen, die in einer einzigen Ebene angeordnet sind, wobei jede Säule drei oder mehr Prüfmassen aufweist, die linear entlang der Säule angeordnet sind. Jede Säule kann dazu ausgebildet sein, eine Drehung um eine jeweilige Achse zu erfassen (zum Beispiel kann eine erste Säule zum Erfassen von Rollen, eine zweite Säule zum Erfassen von Gieren und eine dritte Säule zum Erfassen von Nicken ausgebildet sein). Die Säulen können vorteilhafterweise miteinander gekoppelt sein, um erwünschte Wirkungen der MEMS-Vorrichtung, wie hier beschrieben, zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst das MEMS-Gyroskop mehrere „Antriebsanordnungen“ - Strukturen, die dazu ausgebildet sind, eine Bewegung von Prüfmassen des Gyroskops in einer jeweiligen Säule zu bewirken. Jede Säule des Gyroskops kann mindestens eine Antriebsanordnung aufweisen, die neben der Säule angeordnet ist, so dass jede Prüfmasse in der Säule zum Beispiel durch eine Feder mit der Antriebsanordnung gekoppelt werden kann. Die Kopplungskonfiguration der Prüfmassen mit den Antriebsanordnungen kann dazu ausgebildet sein, eine Quadraturbewegung, die auftritt, wenn der Antriebsmodus mit dem Erfassungsmodus des Gyroskops koppelt, was zu fehlerhaften Ausgaben führt - zu reduzieren, wie hier weiter beschrieben wird. Bei einigen Ausführungsformen kann jede Säule mehrere Antriebsanordnungen aufweisen, die neben den Prüfmassen angeordnet sind, so dass jede Prüfmasse in einer Säule mit zwei Antriebsanordnungen gekoppelt werden kann, eine Antriebsanordnung für jede der beiden gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse. Die Erfinder haben erkannt, dass das Ausbilden der Antriebsanordnungen neben jeder Säule von Prüfmassen eine stärkere Kopplung und einen direkteren Antrieb von Prüfmassen gestattet. Eine stärkere Kopplung zwischen den Prüfmassen und Antriebsanordnungen hilft dabei, zu gewährleisten, dass die Bewegung der benachbarten Säulen ein festes Antriebsbewegungsverhältnis hat, unabhängig von Änderungen der Umgebungsbedingungen oder einer Abweichung bei der Herstellung. Bei einigen Ausführungsformen beträgt das feste Verhältnis bei einem Drei-Säulen-MEMS-Gyroskop 1:1:1.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung haben die Erfinder eine MEMS-Vorrichtung mit modularen Antriebsstrukturen entwickelt, die ein einfacheres Design und eine leichtere Herstellung der MEMS-Vorrichtung, wie hier beschrieben, gestatten. Zum Beispiel kann jede Antriebsanordnung des MEMS-Gyroskops mehrere „Antriebsmodule“ aufweisen, wobei ein oder mehrere Antriebsmodule mit einer Prüfmasse einer Säule gekoppelt sind. Bei einigen Ausführungsformen sind zwei Module pro Antriebsanordnung mit einer Prüfmasse gekoppelt, und daher ist jede Prüfmasse praktisch mit vier Antriebsmodulen gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen sind mehr als zwei Antriebsmodule pro Antriebsanordnung mit jeder Prüfmasse gekoppelt.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein Ausbilden des MEMS-Gyroskops mit mindestens zwei Antriebsmodulen pro Antriebsanordnung vorteilhaft ist, da es einen Nettoimpuls der Antriebsanordnungen von null gestattet. Insbesondere kann jedes der Antriebsmodule dazu ausgebildet sein, sich unabhängig davon, in welche Richtung die mit jeder Antriebsanordnung gekoppelten Prüfmassen angetrieben werden sollen, entlang einer gleichen Achse zu bewegen. Die Konfiguration der Federn, die die Prüfmassen mit den Antriebsmodulen koppeln, kann eine Verschiebung der Prüfmassen entlang einer gewünschten Achse für eine jeweilige Säule gestatten, während sich jedes der Antriebsmodule in allen Säulen der MEMS-Vorrichtung entlang der gleichen Achse bewegt. Durch Ausbilden jeder Antriebsanordnung mit mindestens zwei Antriebsmodulen können die Antriebsmodule einer jeweiligen Antriebsanordnung dazu ausgebildet sein, sich entlang der gleichen Achse in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, um einen Nettoimpuls der Antriebsanordnungen von null zu erreichen.
Ein weiterer Aspekt der Anmeldung beinhaltet das Miteinanderkoppeln von Antriebsmodulen benachbarter Antriebsanordnungen. Bei einigen Ausführungsformen bewegt sich jedes der Antriebsmodule jeder Antriebsanordnung entlang einer gleichen Achse (zum Beispiel der y-Achse). Die Erfinder haben erkannt, dass es vorteilhaft sein kann, Säulen, die Antriebsanordnungen mit Antriebsmodulen aufweisen, die sich in Phase (zum Beispiel mit der gleichen Amplitude und Frequenz entlang der y-Achse) bewegen, nebeneinander anzuordnen. Auf diese Weise können sich in Phase bewegende benachbarte Antriebsmodule starr miteinander gekoppelt werden. Wie hier weiter beschrieben wird, ist zum Beispiel bei einigen Ausführungsformen zur vorteilhaften Kopplung benachbarter Antriebsmodule die „Roll-Säule“ neben der „Gier-Säule“ angeordnet.
Die Erfinder haben ferner erkannt, dass ein Nachteil eines herkömmlichen Gyroskops ihre Anfälligkeit für Linear- und Drehschwingungen ist, die Ungenauigkeiten des Erfassungsvermögens des Gyroskops verursachen. Wenn ein Gyroskop nicht drehausgeglichen ist, kann eine Drehbewegung verursachen, dass benachbarte Prüfmassen um ihren Massenmittelpunkt schwenken. Wenn das System nicht linear ausgeglichen ist, kann eine Linearbewegung eine unbeabsichtigte Bewegung der Prüfmassen in der Erfassungsrichtung verursachen. Diese beiden Schwingungsarten können selbst bei Fehlen einer Drehung um die gemessene Achse eine Drehung anzeigen. Daher ist ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung ein mehrachsiges säulenförmiges Gyroskop, das für Linear- und Drehschwingungen ausgeglichen ist.
Wie hier beschrieben, kann das MEMS-Gyroskop zum Beispiel zwei oder mehr Säulen umfassen. Jede Säule kann drei oder mehr Prüfmassen aufweisen, die entlang der jeweiligen Säule linear angeordnet sind. Die Erfinder haben erkannt, dass ein Linear- und Drehausgleich des Gyroskops erreicht werden kann, um durch Steuern der Anzahl, Masse und Bewegung von Prüfmassen in jeder Säule sowohl Linear- als auch Drehschwingungen zu unterdrücken. Insbesondere können die mindestens drei Prüfmassen jeder Säule dazu ausgebildet sein, sich unterschiedlich zu bewegen. Wie hier weiter beschrieben wird, weist jede Säule des MEMS-Gyroskops zwei äußere Massen und mindestens eine innere Masse auf. Die Erfinder haben erkannt, dass ein Drehausgleich durch eine Gegenphasenbewegung der Prüfmassen alleine möglicherweise nicht erreicht werden kann, sondern stattdessen ist zum Erreichen eines Drehausgleichs des MEMS-Gyroskops die innere Masse dazu ausgebildet, sich in einer der Bewegung der beiden äußeren Massen linear entgegengesetzten ersten Richtung zu bewegen. Bei einigen Ausführungsformen weist das MEMS-Gyroskop vier Prüfmassen pro Säule auf - zwei innere Massen und zwei äußere Massen - und die beiden inneren Massen bewegen sich zusammen in der ersten Richtung linear entgegengesetzt zu der Bewegung der beiden äußeren Massen.
Die Erfinder haben weiter erkannt, dass zum Erreichen eines Linearausgleichs die effektive Masse pro Säule der Prüfmassen, die sich in der ersten Richtung bewegen, gegen die effektive Masse, die sich der ersten Richtung entgegengesetzt bewegen, ausgeglichen werden kann. Mit anderen Worten kann jede Säule dahingehend ausgeführt werden, eine ausgeglichene „Modalmasse“ - oder eine ausgeglichene Massenverschiebung - zu haben. Bei einigen Ausführungsformen ist die sich in der ersten Richtung bewegende effektive Masse gleich der sich der ersten Richtung entgegengesetzt bewegenden effektiven Masse. Mit anderen Worten ist die effektive Masse in jeder Richtung für ein gewünschtes Verschiebungsverhältnis der Prüfmassen ausgeglichen.
Dementsprechend stellen einige Ausführungsformen ein Gyroskop bereit, das Folgendes umfasst: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, wobei die zweite Säule drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und mehrere Antriebsanordnungen, wobei die mehreren Antriebsanordnungen Folgendes umfassen: eine mit der ersten Säule gekoppelte erste Antriebsanordnung, wobei die erste Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und eine zweite Antriebsanordnung, die mit der zweiten Säule und der ersten Antriebsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine MEMS-Vorrichtung (MEMS, mikroelektromechanisches System) vorgesehen, die Folgendes umfasst: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang der ersten Richtung angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und eine erste Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken, wobei die erste Antriebsanordnung neben den drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Richtung angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine Einrichtung vorgesehen, die Folgendes umfasst: ein erstes Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer ersten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; ein zweites Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer zweiten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen, wobei: das erste und das zweite Gyroskop in einer ersten Ebene nebeneinander angeordnet und durch mehrere Antriebsanordnungen miteinander gekoppelt sind, die dazu ausgebildet sind, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten und der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; die drei Prüfmassen der ersten Säule umfassen zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule angeordnet ist, wobei sich die innere Prüfmasse der ersten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt; und die drei Prüfmassen der zweiten Säule umfassen zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule angeordnet ist, wobei sich die innere Prüfmasse der zweiten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt.
Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen sowie zusätzlich Aspekte und Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können einzeln oder alle zusammen oder in einer beliebigen Kombination verwendet werden, da die Technologie in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist.
1 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte MEMS-Vorrichtung (MEMS, mikroelektromechanisches System), die zwei Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt. Es sollte auf der Hand liegen, dass 1 und einige gezeigte nachfolgende Figuren hier vereinfachte Blockdiagramme darstellen, die die MEMS-Vorrichtung schematisch veranschaulichen. Zusätzliche Details von Komponenten der MEMS-Vorrichtung werden in nachfolgenden Figuren gezeigt. Ferner können die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen ein oder mehrere zusätzliche Merkmale aufweisen, die in den dargestellten Ausführungsformen nicht gezeigt sind.
Wie in 1 gezeigt ist, ist eine beispielhafte MEMS-Vorrichtung 100 bereitgestellt, die zwei Säulen aufweist - eine erste Säule 102A und eine zweite Säule 102B - die in der gleichen Ebene (in diesem Beispiel der Ebene der Seite) angeordnet sind. Jede Säule der MEMS-Vorrichtung 100 kann dazu ausgebildet sein, eine Drehung um eine verschiedene Achse (zum Beispiel Rollen, Nicken und/oder Gieren) zu erfassen. Bei einigen Ausführungsformen ist die erste Säule 102A zum Beispiel dazu ausgebildet, eine Rolldrehung zu erfassen, und die zweite Säule 102B ist dazu ausgebildet, eine Gierdrehung zu erfassen. Es sollte auf der Hand liegen, dass die jeweiligen Säulen der MEMS-Vorrichtung 100 dazu ausgebildet sein können, eine Drehung um eine beliebige geeignete Achse zu erfassen, und Aspekte der Technologie sind in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere der ersten und zweiten Säulen 102A-102B dazu ausgebildet sein, eine Drehung um mehr als eine Achse zu erfassen. Zum Beispiel kann bei einigen Ausführungsformen die erste Säule 102A dazu ausgebildet sein, eine Roll- und Gierdrehung zu erfassen, und die zweite Säule 102B kann dazu ausgebildet sein, eine Nickdrehung zu erfassen. Obgleich die MEMS-Vorrichtung 100 bei der dargestellten Ausführungsform zwei Säulen aufweist, können hier beschriebene MEMS-Vorrichtungen mehr als zwei Säulen aufweisen, zum Beispiel drei Säulen aufweisen, wobei jede Säule dazu ausgebildet ist, eine Drehung um eine verschiedene Achse zu erfassen, wie hier beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 weiter beschrieben wird.
Die MEMS-Vorrichtung 100 kann mindestens drei Prüfmassen pro Säule umfassen. Zum Beispiel kann die erste Säule 102A Prüfmassen 104A-104C aufweisen, und die zweite Säule 102B kann Prüfmassen 104D-104F aufweisen. Jede der Prüfmassen 104A-104F kann über einem darunterliegenden Substrat (nicht gezeigt) aufgehängt sein und kann dazu ausgebildet sein, durch die Detektion von Coriolis-Kräften Winkelraten zu detektieren. Der Coriolis-Effekt und somit eine Coriolis-Kraft entsteht dann, wenn: 1) eine Prüfmasse schwingt; und 2) das Gyroskop einer Winkelbewegung ausgesetzt ist. In diesem Beispiel können die Prüfmassen 104A-104C der ersten Säule 102A dazu angetrieben werden, entlang der x-Achse zu schwingen, und es entsteht eine Coriolis-Kraft, wenn die Prüfmasse einer Winkelbewegung um die y-Achse unterzogen wird, die verursacht, dass die Prüfmassen 104A-104C der ersten Säule 102A entlang der z-Achse aus der Ebene verschoben werden. Die MEMS-Vorrichtung 100 kann dazu ausgebildet sein, die Verschiebung der Prüfmassen 104A-104C aus der Ebene zu erfassen, um eine Drehung zu messen. Sämtliche Prüfmassen einer jeweiligen Säule können dazu ausgebildet sein, eine Drehung um eine gemeinsame Achse zu erfassen. Zum Beispiel kann jede der Prüfmassen 104A-104C der ersten Säule 102A dazu ausgebildet sein, eine Drehung um die y-Achse (das heißt in diesem Beispiel um die Rollachse) zu erfassen. Obgleich die MEMS-Vorrichtung 100 bei der dargestellten Ausführungsform drei Prüfmassen pro Säule hat, kann die MEMS-Vorrichtung bei einigen Ausführungsformen mehr als drei Prüfmassen pro Säule haben, zum Beispiel vier Prüfmassen pro Säule, haben, wie hier beispielsweise unter Bezugnahme auf 5A weiter beschrieben wird.
Wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, können die Prüfmassen einer jeweiligen Säule linear angeordnet und zum Beispiel durch Federn 108 miteinander gekoppelt sein. Zum Beispiel umfasst jede Säule zwei äußere Prüfmassen 104A und 104C bzw. 104D und 104F und eine innere Prüfmasse 104B bzw. 104E. Die innere Prüfmasse kann flexibel mit jeder der äußeren Prüfmassen gekoppelt sein, so dass sich die innere Prüfmasse in einer den äußeren Prüfmassen entgegengesetzten Richtung bewegen kann, um einen Dreh- und Linearausgleich zu erzielen, wie hier beispielsweise unter Bezugnahme auf 2 weiter beschrieben wird. Es wird hier eine weitere Beschreibung der Kopplung zwischen Prüfmassen, einschließlich einer Beschreibung der Federn 108, beispielsweise unter Bezugnahme auf 6A bereitgestellt.
Jede Säule der MEMS-Vorrichtung 100 kann mindestens eine Antriebsanordnung 110, 112 aufweisen, die neben der Säule von Prüfmassen angeordnet sind. Jede Antriebsanordnung kann mit einem darunterliegenden Substrat (nicht gezeigt) gekoppelt sein und zu einer Bewegung veranlasst werden. Die Prüfmassen 104A-104F bewegen sich dank ihrer Kopplung mit den Antriebsanordnungen 110, 112, wie hier beschrieben. Zum Beispiel kann eine Bewegung der ersten Antriebsanordnung 110 bewirken, dass sich die Prüfmassen 104A-104C dank der die Prüfmassen 104A-104C mit der ersten Antriebsanordnung 110 koppelnden Federn 106 bewegen. Ebenso kann eine Bewegung der zweiten Antriebsanordnung 112 bewirken, dass sich die Prüfmassen 104D-104F dank der die Prüfmassen 104D-104F mit der zweiten Antriebsanordnung 112 koppelnden Federn 106 bewegen. Obgleich jede Säule der MEMS-Vorrichtung 100 bei der dargestellten Ausführungsform mit einer einzigen Antriebsanordnung gekoppelt gezeigt ist, kann jede Säule bei einigen Ausführungsformen mit mehreren Antriebsanordnungen gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Paar Antriebsanordnungen, die hier beispielsweise unter Bezugnahme auf 3 weiter beschrieben werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass es vorteilhaft ist, die Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 neben einer jeweiligen Säule von Prüfmassen auszubilden, um eine stärkere Kopplung jeder Prüfmasse mit der jeweiligen Antriebsanordnung und somit einen direkteren Antrieb der Prüfmassen durch die jeweilige Antriebsanordnung zu gestatten. Das Anordnen der ersten Antriebsanordnung 110 neben der ersten Säule 102A gestattet zum Beispiel eine direkte Kopplung jeder der Prüfmassen 104A-104C mit der ersten Antriebsanordnung 110, einschließlich der inneren Prüfmasse 102B, während alternative Anordnungen, wie beispielsweise das Anordnen der ersten Antriebsanordnung 110 senkrecht zu der ersten Säule 102, möglicherweise nur eine direkte Kopplung von nicht mehr als zwei Prüfmassen mit der ersten Antriebsanordnung 110 (zum Beispiel einer der äußeren Prüfmassen 104A, 104C) gestattet. Wie hier beschrieben, hilft eine stärkere Kopplung zwischen den Prüfmassen und Antriebsanordnungen dabei, zu gewährleisten, dass die Bewegung benachbarter Säulen ein festes Bewegungsverhältnis hat. Obgleich jede Prüfmasse bei der dargestellten Ausführungsform mit einer jeweiligen Antriebsanordnung gekoppelt ist, sind bei einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Prüfmassen einer jeweiligen Säule möglicherweise nicht direkt mit einer Antriebsanordnung der jeweiligen Säule gekoppelt, und Aspekte der hier beschriebenen Technologie sind in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt.
Jede der Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung 100 kann durch die Antriebsanordnungen mit im Wesentlichen der gleichen Frequenz angetrieben werden. Dabei weisen alle Prüfmassen die gleiche Amplitudenbewegung auf. Die MEMS-Vorrichtung 100 ist daher so ausgebildet, dass sämtliche Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung 100 auf die gleiche Antriebsfrequenz reagieren. Eine Kopplung zwischen Prüfmassen und Antriebsanordnungen, beispielsweise durch Federn 108, gewährleistet, dass sich Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung 100 bei einer gegebenen Frequenz mit einer gleichen Amplitude bewegen. Bei einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung 100 jedoch so gekoppelt sein, dass das Verhältnis zwischen Antriebskraft und Bewegungsamplitude zwischen jeweiligen Prüfmassen nicht gleich, sondern proportional ist. Bei einigen Ausführungsformen werden Prüfmassen der jeweiligen Säulen durch verschiedene Antriebsmodi mit verschiedenen Frequenzen erregt.
Wie in 1 gezeigt ist, umfassen sowohl die erste als auch die zweite Antriebsanordnung 110, 112 mindestens zwei Antriebsmodule pro Anordnung. Zum Beispiel umfasst die erste Antriebsanordnung 110 ein erstes Antriebsmodul 111A und ein zweites Antriebsmodul 111B, und eine zweite Antriebsanordnung 112 umfasst ein erstes Antriebsmodul 113A und ein zweites Antriebsmodul 113B. Wie hier beschrieben, kann jede der Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 dazu ausgebildet sein, sich bei Antrieb der Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung 100 unabhängig von der bestimmten Richtung, in der eine Säule von Prüfmassen angetrieben werden soll, entlang einer gleichen Achse zu bewegen. Die Prüfmassen 104A-104C der ersten Säule 102A können zum Beispiel dazu ausgebildet sein, in einer Richtung entlang der x-Achse angetrieben zu werden, wie hier beschrieben, während die Prüfmassen 104D-104F der zweiten Säule 102B bei einigen Ausführungsformen dazu ausgebildet sein können, in einer Richtung entlang der y-Achse angetrieben zu werden. Unterdessen kann jedes der Antriebsmodule 111A-111B, 113A-113B dazu ausgebildet sein, sich in Richtung entlang der y-Achse zu bewegen. Eine Bewegung der Prüfmassen 104A-104F entlang einer bestimmten Richtung kann durch Ausbildung der die Prüfmassen 104A-104F mit der ersten bzw. zweiten Antriebsanordnung 110, 112 koppelnden Federn 106 ermöglicht werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Ausbilden jeder der Antriebsanordnungen 110, 112 mit mindestens zwei Antriebsmodulen 111A-111B bzw. 113A-113B einen Nettoimpuls der Antriebsanordnungen 110, 112 von null ermöglicht. Zum Beispiel können das erste Antriebsmodul 111A und das zweite Antriebsmodul 111B dazu ausgebildet sein, sich in entgegengesetzten Richtungen entlang der y-Achse zu bewegen, während das erste Antriebsmodul 113A und das zweite Antriebsmodul 113B ebenfalls dazu ausgebildet sein können, sich in entgegengesetzten Richtungen entlang der y-Achse zu bewegen, wodurch ein Nettoimpuls sowohl der ersten als auch der zweiten Antriebsanordnung 110, 112 der MEMS-Vorrichtung 100 von null gestattet wird.
Für die Erfinder liegt auf der Hand, dass ein Ausbilden der Antriebsanordnungen mit mehreren Antriebsmodulen und Konfigurieren der Bewegung jedes der Antriebsmodule entlang einer gleichen Achse eine verbesserte Modularität der MEMS-Vorrichtung 100 gestattet, wodurch eine einfachere Herstellung der MEMS-Vorrichtung 100 in größeren Serien ermöglicht wird. Obgleich Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 bei der dargestellten Ausführungsform mit zwei Antriebsmodulen gezeigt werden, können in anderen Ausführungsformen Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 mehr als zwei Antriebsmodule umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umfassen Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 zum Beispiel mindestens zwei Antriebsmodule pro Prüfmasse (zum Beispiel sechs Antriebsmodule pro Antriebsanordnung, wobei jede Säule drei Prüfmassen umfasst). Weitere Aspekte der Antriebsanordnungen und Antriebsmodule werden hier beispielsweise unter Bezugnahme auf 7A-7C beschrieben.
Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung 100 können miteinander gekoppelt sein, um die erste und die zweite Säule 102A-102B der MEMS-Vorrichtung 100 effektiv miteinander zu koppeln. In 1 ist zum Beispiel ein Koppler 114 zum Koppeln der ersten Antriebsanordnung 110 mit der zweiten Antriebsanordnung 112 vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Koppler 114 flexibel und umfasst beispielsweise eine Feder, während der Koppler 114 bei anderen Ausführungsformen starr ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung 100 mehrere Koppler 114 umfassen, die die erste und die zweite Antriebsanordnung 110, 112 miteinander koppeln, beispielsweise mit einem oder mehreren Kopplern 114 zwischen benachbarten Antriebsmodulen der ersten und zweiten Antriebsanordnung 110, 112. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Koppler 114 einen oder mehrere flexible Koppler und einen oder mehrere starre Koppler zum Koppeln einer ersten und zweiten Antriebsanordnung 110, 112. Weitere Aspekte des Koppelns zwischen benachbarten Antriebsmodulen werden hier zum Beispiel unter Bezugnahme auf 9A-9C beschrieben.
Wie hier beschrieben, haben die Erfinder ein MEMS-Gyroskop entwickelt, das dazu ausgebildet ist, unerwünschte Linear- und Drehschwingungen zu unterdrücken. Die Erfinder haben erkannt, dass zum Erreichen eines Linearausgleichs jede Säule der MEMS-Vorrichtung 100 eine proportionale (zum Beispiel gleiche) Massenmenge umfassen kann, die sich entlang einer gleichen Achse in entgegengesetzten Richtungen bewegt. Des Weiteren haben die Erfinder erkannt, dass zum Erreichen eines Drehausgleichs jede Säule der MEMS-Vorrichtung 100 mindestens drei Prüfmassen umfassen kann, die linear angeordnet sind, wobei sich äußere Massen bezüglich der Bewegung der inneren Masse(n) in einer entgegengesetzten Richtung bewegen. Daher stellt 2 eine relative Bewegung der Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar.
Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Prüfmassen 104A-104F der ersten und zweiten Säule 102A-102B durch die erste bzw. zweite Antriebsanordnung 110, 112 in Richtungen entlang der x-Achse angetrieben. Zum Beispiel kann die erste Säule 102A zum Erfassen einer Rolldrehung (das heißt in diesem Beispiel Drehung um die y-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 104A-104C in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 100 kann dazu ausgebildet sein, eine durch die Rolldrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 104A-104C entlang der z-Achse aus der Ebene zu erfassen. Die zweite Säule 102B kann zum Erfassen einer Gierdrehung (das heißt Drehung um die z-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 104D-104F in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 100 kann dazu ausgebildet sein, eine durch eine Gierdrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 104D-104F entlang der y-Achse zu erfassen.
Um einen Drehausgleich zu erzielen, ist die innere Masse jeder Säule dazu ausgebildet, sich in einer der Bewegung der äußeren Prüfmassen entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die äußeren Massen 104A, 104C der ersten Säule 102A zum Beispiel entlang der x-Achse nach rechts angetrieben, wenn eine innere Masse 104B der ersten Säule 102A entlang der x-Achse nach links angetrieben wird, wie in 1 durch die Pfeile gezeigt ist. Ebenso werden die äußeren Massen 104D, 104F der zweiten Säule 102B entlang der x-Achse nach links angetrieben, wenn eine innere Masse 104E entlang der x-Achse nach rechts angetrieben wird. Ein Drehausgleich der MEMS-Vorrichtung 100 gewährleistet, dass keine unerwünschte Drehschwingung in Erfassungsmodi des Gyroskops eingekoppelt wird und eine ungenaue Erfassung der Drehung um eine bestimmte Achse verursacht.
Um einen Linearausgleich zu erzielen, kann die MEMS-Vorrichtung 100 eine ausgeglichene (z. B. proportionale) Massenmenge aufweisen, die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegt. Die erste Säule 102A in 1 kann zum Beispiel eine ausgeglichene Massenmenge aufweisen, die sich nach links und rechts bewegt. Insbesondere können die äußeren Massen 104A, 104C der ersten Säule 102A eine erste Masse m aufweisen, und eine innere Masse 104B kann eine zweite Masse 2m aufweisen, die doppelt so groß wie die Masse jeder der äußeren Massen 104A, 104C ist, so dass die sich nach links bewegende Gesamtmasse 2m beträgt, was gleich der sich nach rechts bewegenden Gesamtmasse ist. Bei anderen Ausführungsformen sind die Massen der inneren und äußeren Prüfmassen einer jeweiligen Säule möglicherweise nicht gleich, können aber basierend auf einem gewünschten Verschiebungsverhältnis der Prüfmassen in einer Säule ausgeglichen werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Konzept eines Linear- und Drehausgleichs auf Gyroskope ausgeweitet werden kann, die mehr als drei Prüfmassen pro Säule, zum Beispiel vier Prüfmassen pro Säule, aufweisen. Des Weiteren kann das Konzept des Drehausgleichs auf Gyroskope ausgeweitet werden, die mehr als zwei Achsen, zum Beispiel drei Achsen, aufweisen, beispielsweise mit einem Gyroskop, das drei Säulen von drei oder mehr Prüfmassen aufweist, von denen Beispiele hier bereitgestellt werden.
3 stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 1, die ein Paar mit jeder Mehrfachmassensäule gekoppelter Antriebsanordnungen aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Wie hier beschrieben, haben die Erfinder erkannt, dass das Ausbilden der MEMS-Vorrichtung mit einem Paar Antriebsanordnungen pro Säule derart, dass eine Antriebsanordnung mit einer jeweiligen Seite jeder Mehrfachmassensäule gekoppelt ist, insofern vorteilhaft sein kann, als es eine stärkere Kopplung der Komponenten der MEMS-Vorrichtung (zum Beispiel stärkere Kopplung zwischen den Prüfmassen in einer jeweiligen Säule) bereitstellen kann sowie einen direkteren Antrieb jeder Prüfmasse durch die Antriebsanordnungen gestatten kann. Dementsprechend stellt 3 eine Ausführungsform einer MEMS-Vorrichtung 300 mit zwei Säulen - einer ersten Säule 302A und einer zweiten Säule 302B - dar, die in einer gleichen Ebene angeordnet sind, wobei jede Säule eine Antriebsanordnung aufweist, die sowohl neben der ersten als auch der zweiten Seite der Säule angeordnet ist.
Die MEMS-Vorrichtung 300 kann auf die gleiche Weise wie die in 1 bereitgestellte MEMS-Vorrichtung 100 ausgebildet sein. Zum Beispiel kann jede von der ersten und zweiten Säule 302A-302B der MEMS-Vorrichtung 300 drei Prüfmassen 304A-304C, 304D-304F pro Säule umfassen, und jede Säule 302A-302B kann dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der Prüfmassen 304A-304F eine Drehung um eine unterschiedliche Achse zu erfassen. Des Weiteren können die Prüfmassen 304A-304F der ersten und zweiten Säule 302A-302B linear angeordnet sein, und jede Prüfmasse kann beispielsweise durch eine oder mehrere Federn mit einer oder mehreren anderen Prüfmassen der jeweiligen Säulen gekoppelt sein.
3 stellt ein Beispiel für eine MEMS-Vorrichtung mit mehreren Antriebsanordnungen pro Säule von Prüfmassen dar. Zum Beispiel ist die erste Säule 302A mit zwei Antriebsanordnungen angeordnet - einer äußeren Antriebsanordnung 310A, die neben einer linken Seite der ersten Säule 302A angeordnet ist, und einer inneren Antriebsanordnung 310B, die neben einer rechten Seite der ersten Säule angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die zweite Säule 302B eine äußere Antriebsanordnung 312A, die neben einer rechten Seite der zweiten Säule 302B angeordnet ist, und eine innere Antriebsanordnung 312B, die neben einer linken Seite der zweiten Säule 302B angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist jede Prüfmasse der ersten und zweiten Säule 302A, 302B sowohl mit einer inneren als auch einer äußeren Antriebsanordnung gekoppelt. Zum Beispiel sind die Prüfmassen 304A-304C mit der äußeren Antriebsanordnung 310A auf der linken Seite der ersten Säule 302A und mit der inneren Antriebsanordnung 310B auf einer rechten Seite der ersten Säule 302A, zum Beispiel durch eine oder mehrere Federn 306, gekoppelt. Ebenso sind die Prüfmassen 104D-304F der zweiten Seite 302B jeweils durch Federn 306 mit einer äußeren und inneren Antriebsanordnung 312A, 312B gekoppelt. Wie die in 1 gezeigte MEMS-Vorrichtung 100 können die Antriebsanordnungen 310A, 310B, 312A, 312B der MEMS-Vorrichtung 300 mit einem darunterliegenden Substrat (nicht gezeigt) gekoppelt sein und zu einer Bewegung veranlasst werden, und die Prüfmassen 304A-304F können sich dank ihrer Kopplung mit den Antriebsanordnungen 310A, 310B, 312A, 312B bewegen. Wie hier beschrieben, können benachbarte Antriebsanordnungen einer MEMS-Vorrichtung miteinander gekoppelt sein. Zum Beispiel sind die inneren Antriebsanordnungen 310B und 312B dazu ausgebildet, beispielsweise durch den Koppler 314, miteinander gekoppelt zu werden.
4A stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 3, die eine dritte Mehrfachmassensäule zur Erfassung einer Drehung um eine zusätzliche Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Wie hier beschrieben, kann eine MEMS-Vorrichtung drei Säulen umfassen, wobei sich jede Säule um eine jeweilige Achse dreht. Zum Beispiel kann eine erste Säule eine Rolldrehung erfassen, eine zweite Säule kann eine Gierdrehung erfassen, und eine dritte Säule kann eine Nickdrehung erfassen. Diese Anordnung von Säulen (Rollen-Gieren-Nicken) kann angesichts des Verhaltens der Antriebsanordnungen und Antriebsmodule vorteilhaft sein, wie hier weiter beschrieben wird. Bei anderen Ausführungsformen können jeweilige Säulen der MEMS-Vorrichtung jedoch auf irgendeine beliebige Weise ausgebildet sein, unter anderen Ausführungsformen zum Beispiel in einer Roll-Nick-Gier- oder Gier-Roll-Nick-Konfiguration.
Die in 4A dargestellte MEMS-Vorrichtung 400 kann auf die gleiche Weise wie die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen, wie zum Beispiel die MEMS-Vorrichtungen 100 und 300, ausgebildet sein, außer dass die MEMS-Vorrichtung 400 eine zusätzliche Mehrfachmassensäule 402C aufweist. Des Weiteren kann die dritte Säule 402C der MEMS-Vorrichtung 400 im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die erste und die zweite Säule 402A-402B ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die dritte Säule 402C drei Prüfmassen 404G-404I umfassen, die mit der äußeren und inneren Antriebsanordnung 416A, 416B gekoppelt sind, so dass bewirkt wird, dass sich die Prüfmassen 404G-404I dank ihrer Kopplung mit den Antriebsanordnungen 416A, 416B bewegen.
Wie in 4A gezeigt ist, können die erste, die zweite und die dritte Säule 402A-404C jeweils in der gleichen Ebene nebeneinander angeordnet sein, und jede Säule kann dazu ausgebildet sein, eine Drehung um eine jeweilige Achse zu detektieren. Die Erfinder haben erkannt, dass solch eine Konfiguration ein kompaktes Gyroskop bereitstellt, das dazu ausgebildet ist, eine Drehung in drei Dimensionen zu erkennen.
Wie hier beschrieben, können die jeweiligen Säulen der MEMS-Vorrichtung dank der Antriebsanordnungen miteinander gekoppelt sein. Zum Beispiel können benachbarte Antriebsanordnungen 410B, 412B und 412B', 416B, beispielsweise durch Koppler 414, 418, miteinander gekoppelt sein, um die erste, die zweite und die dritte Säule 402A, 402B, 402C effektiv miteinander zu koppeln. Bei einigen Ausführungsformen sind die Koppler 414, 418 flexibel und umfassen beispielsweise eine Feder, während die Koppler 414, 418 bei anderen Ausführungsformen starr sind. Bei einigen Ausführungsformen kann jeder der Koppler 414, 418 mehrere Koppler zum Koppeln von benachbarten Antriebsmodulen umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können, wie hier weiter beschrieben wird, einer oder mehrere von mehreren Kopplern 414, 418 flexibel sein, während einer oder mehrere von mehreren Kopplern 414, 418 starr sind.
4B stellt die relative Bewegung von Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 4A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Wie hier beschrieben, können die erste, die zweite und die dritte Säule 402A, 402B, 402C der MEMS-Vorrichtung 400 dazu ausgebildet sein, eine Roll-, Gier- bzw. Nickdrehung zu erfassen. Zum Beispiel kann die erste Säule 402A zum Erfassen einer Rolldrehung (das heißt in diesem Beispiel einer Drehung um die y-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 404A-104C in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 400 kann dazu ausgebildet sein, eine durch eine Rolldrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 404A-404C entlang der z-Achse aus der Ebene zu erfassen. Die zweite Säule 402B kann zum Erfassen einer Gierdrehung (das heißt in diesem Beispiel einer Drehung um die z-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 404D-404F in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 400 kann dazu ausgebildet sein, eine durch eine Gierdrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 404D-404F entlang der y-Achse zu erfassen. Die dritte Säule 402C kann zum Erfassen einer Gierdrehung (das heißt in diesem Beispiel einer Drehung um die x-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 404G-404I in der y-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 400 kann dazu ausgebildet sein, eine durch eine Nickdrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 404G-404I entlang der z-Achse zu erfassen.
Des Weiteren kann die MEMS-Vorrichtung 400 dazu ausgebildet sein, unerwünschte Linear- und Drehschwingungen zu unterdrücken. Wie hier beschrieben, haben die Erfinder erkannt, dass die hier unter Bezugnahme auf die MEMS-Vorrichtung 100 beschriebenen Konzepte eines Linear- und Drehausgleichs zum Beispiel auf Gyroskope ausgeweitet werden können, die in drei Drehachsen erfassen. Die Erfinder haben erkannt, dass zum Erreichen eines Linearausgleichs jede Säule der MEMS-Vorrichtung 400 eine gleiche Massenmenge umfassen kann, die sich entlang der gleichen Achse in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Des Weiteren haben die Erfinder erkannt, dass zum Erreichen eines Drehausgleichs jede Säule der MEMS-Vorrichtung 400 mindestens drei Prüfmassen umfassen kann, die linear mit äußeren Prüfmassen angeordnet sind, die sich bezüglich der Bewegung der inneren Prüfmasse(n) in entgegengesetzten Richtungen bewegen.
Bei der in 4B dargestellten Ausführungsform sind die äußeren Prüfmassen 404A, 404C der ersten Säule 402A dazu ausgebildet, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmasse 404B entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Massen 404A, 404C nach rechts, wenn sich die innere Masse 404B nach links bewegt. Ebenso sind die äußeren Prüfmassen 404D, 404F der zweiten Säule dazu ausgebildet, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmasse 404E entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Prüfmassen 404D, 404F nach links, wenn sich die innere Prüfmasse 404E nach rechts bewegt. Bei der dritten Säule 402C sind die äußeren Prüfmassen 404G, 404I dazu ausgebildet, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmasse 404H entgegengesetzten Richtung entlang der y-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Massen 404G, 4041 nach oben, wenn sich die innere Masse 404H nach unten bewegt. Die Erfinder haben erkannt, dass solch eine Konfiguration einen Drehausgleich der 3-Achsen-MEMS-Vorrichtung 400 ermöglicht, so dass durch die MEMS-Vorrichtung 400 erfahrene unerwünschte Drehschwingungen unterdrückt werden. Ein Linearausgleich kann für die MEMS-Vorrichtung 400 auch durch jeweiliges Ausgleichen der Masse der äußeren Massen jeder Säule mit der Masse der inneren Masse jeder Säule erreicht werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der hier beschriebenen Technologie wird ein säulenförmiges mehrachsiges Gyroskop mit vier Prüfmassen pro Säule bereitgestellt. Zum Beispiel ist 5A eine Draufsicht, die eine alternative beispielhafte MEMS-Vorrichtung, die zwei Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt.
Die in 5A gezeigte MEMS-Vorrichtung 500 kann im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen ausgebildet sein, außer dass jede von der ersten und zweiten Säule 502A, 502B der MEMS-Vorrichtung 500 vier Prüfmassen umfasst. Insbesondere kann die erste Säule 502A vier Prüfmassen 504A-504D umfassen, und die zweite Säule 502B kann vier Prüfmassen 504E-504H umfassen. Jede der Prüfmassen 504A-504H kann mit mindestens einer benachbarten Antriebsanordnung 511A, 513A gekoppelt sein.
5B stellt die relative Bewegung der Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5A gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die erste Säule 502A zum Erfassen einer Rolldrehung (das heißt in diesem Beispiel einer Drehung um die y-Achse) ausgebildet, und daher können die Prüfmassen 504A-504D in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 500 kann zum Erfassen einer durch eine Rolldrehung verursachten Bewegung der Prüfmassen 504A-504D entlang der z-Achse aus der Ebene ausgebildet sein. Die zweite Säule 502B kann zum Erfassen einer Gierdrehung (das heißt einer Drehung um die z-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 504E-504H in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 500 kann zum Erfassen einer durch eine Gierdrehung verursachten Bewegung der Prüfmassen 504E-504H entlang der y-Achse ausgebildet sein.
Wie hier beschrieben, haben die Erfinder erkannt, dass die hier bezüglich der MEMS-Vorrichtung 100 beschriebenen Konzepte eines Linear- und Drehausgleichs zum Beispiel auf Gyroskope mit vier Prüfmassen pro Säule ausgeweitet werden können. Zum Beispiel kann jede Säule der MEMS-Vorrichtung 500 zum Erreichen eines Drehausgleichs so ausgebildet sein, dass sich äußere Massen bezüglich der Bewegung der inneren Massen in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Insbesondere können die äußeren Prüfmassen 504A, 504D der ersten Säule 502A dazu ausgebildet sein, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmassen 504B, 504C entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Massen 504A, 504D nach rechts, wenn sich die inneren Massen 504B, 504C nach links bewegen. Ebenso können die äußeren Prüfmassen 504E, 504H dazu ausgebildet sein, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmassen 504F, 504G entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel können die äußeren Massen 504E, 504H dazu ausgebildet sein, sich nach links zu bewegen, wenn sich die inneren Prüfmassen 504F, 504G nach rechts bewegen.
Die Erfinder haben erkannt, dass es bei einigen Ausführungsformen von Vorteil sein kann, eine starre Kopplung zwischen inneren Massen jeder Säule, beispielsweise zwischen den inneren Massen 504B, 504C der ersten Säule 502A und/oder zwischen den inneren Massen 504F, 504G der zweiten Säule 502B, bereitzustellen. Eine starre Kopplung zwischen inneren Massen jeder Säule ist möglich, da die Bewegung innerer Prüfmassen entlang einer gemeinsamen Achse in der gleichen Richtung verläuft, und dies kann ein Grund für Spannungen der MEMS-Vorrichtung sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kopplung zwischen inneren Massen einer Säule jedoch flexibel sein, und bei anderen Ausführungsformen gibt es möglicherweise keine Kopplung zwischen benachbarten Prüfmassen jeder Säule. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass das Ausbilden der Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung neben den Säulen von Prüfmassen im Gegensatz zu Konfigurationen der MEMS-Vorrichtung, bei denen Antriebsanordnungen zwischen den Prüfmassen einer jeweiligen Säule (zum Beispiel zwischen inneren Prüfmassen) angeordnet sind, jegliche Form von Kopplung zwischen inneren Prüfmassen gestattet.
Ein Linearausgleich der MEMS-Vorrichtung 500 kann durch Ausgleichen der sich entlang einer gemeinsamen Achse in entgegengesetzten Richtungen bewegenden Masse erreicht werden - das heißt Ausgleichen der Masse der äußeren Massen jeder Säule mit der Masse der jeweiligen inneren Massen jeder Säule, wie hier beschrieben. Bei der dargestellten Ausführungsform kann zum Beispiel jede von der ersten und zweiten Säule 502A, 502B vier Prüfmassen aufweisen - zwei äußere Massen und zwei innere Massen, die sich entlang einer gemeinsamen Achse in entgegengesetzten Richtungen bewegen - und somit kann ein Ausgleichen der Massen der Prüfmassen jeder Säule durch Ausbilden jeder Prüfmasse mit einer gleichen Masse erreicht werden.
5C stellt die beispielhafte MEMS-Vorrichtung von 5A, die eine dritte Mehrfachmassensäule zur Erfassung einer Drehung um eine zusätzliche Achse aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Wie in 5C gezeigt ist, weisen die erste, zweite und dritte Säule 502A, 502B, 502C der MEMS-Vorrichtung 500' jeweils vier Prüfmassen pro Säule auf, und jede der Säulen 502A, 502B, 502C umfasst ein Paar Antriebsanordnungen. Somit kann die MEMS-Vorrichtung 500' im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die unter Bezugnahme auf 4A-4B beschriebene MEMS-Vorrichtung 400 und andere hier beschriebene MEMS-Vorrichtungen betrachtet werden, außer dass jede von der ersten, zweiten und dritten Säule 502A, 502B, 502C vier Prüfmassen umfasst.
5D stellt die relative Bewegung von Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Wie hier beschrieben, ist die erste Säule 502A zum Erfassen von Rolldrehung (das heißt in diesem Beispiel Drehung um die y-Achse) ausgebildet, und daher können die Prüfmassen 504A-504D in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 500' kann dazu ausgebildet sein, eine durch Rolldrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 504A-504D entlang der z-Achse aus der Ebene zu erfassen. Die zweite Säule 502B kann zum Erfassen von Gierdrehung (das heißt in diesem Beispiel Drehung um die z-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 504E-504H in der x-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 500' kann dazu ausgebildet sein, eine durch Gierdrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 504E-504H entlang der y-Achse zu erfassen. Die dritte Säule 502C kann zum Erfassen von Nickdrehung (das heißt in diesem Beispiel Drehung um die x-Achse) ausgebildet sein, und daher können die Prüfmassen 504I-504L in der y-Richtung angetrieben werden, und die MEMS-Vorrichtung 500' kann dazu ausgebildet sein, eine durch Nickdrehung verursachte Bewegung der Prüfmassen 504I-504L entlang der z-Achse aus der Ebene zu erfassen.
Aus dem Vorhergehenden, beispielsweise aus den 4A-5D und den beigefügten Beschreibungen, sollte ersichtlich sein, dass die MEMS-Vorrichtung 500' so ausgebildet sein kann, dass die MEMS-Vorrichtung 500' rotatorisch und linear ausgeglichen ist. Zum Erreichen eines Drehausgleichs kann zum Beispiel jede Säule der MEMS-Vorrichtung 500' mit sich bezüglich der Bewegung von inneren Massen in entgegengesetzten Richtungen bewegenden äußeren Massen ausgebildet sein. Insbesondere können die äußeren Prüfmassen 504A, 504D der ersten Säule 502A dazu ausgebildet sein, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmassen 504B, 504C entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Massen 504A, 504D nach rechts, wenn sich die inneren Massen 504B, 504C nach links bewegen. Ebenso können die äußeren Prüfmassen 504E, 504H dazu ausgebildet sein, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmassen 504F, 504G entgegengesetzten Richtung entlang der x-Achse zu bewegen - zum Beispiel können die äußeren Massen 504E, 504H dazu ausgebildet sein, sich nach links zu bewegen, wenn sich die inneren Prüfmassen 504F, 504G nach rechts bewegen. Bei der dritten Säule 502C können die äußeren Massen 504I, 504L dazu ausgebildet sein, sich in einer der Bewegungsrichtung der inneren Prüfmassen 504J, 504K entgegengesetzten Richtung entlang der y-Achse zu bewegen - zum Beispiel bewegen sich die äußeren Massen 504F, 504G nach oben, wenn sich die inneren Massen 504F, 504K nach unten bewegen. Ebenso kann ein Linearausgleich durch Ausgleichen der Masse der äußeren Massen jeder Säule mit der Masse der inneren Massen jeder Säule, beispielsweise durch Ausbilden jeder Prüfmasse mit einer gleichen Masse zum Ausgleichen der Gesamtmasse, in jeder Säule, die sich entlang einer gemeinsamen Achse in jede Richtung bewegen, erreicht werden.
Nachdem somit verschiedene Beispiele für MEMS-Vorrichtungen hier beschrieben wurden, werden nunmehr Aspekte bestimmter Komponenten der beispielhaften MEMS-Vorrichtungen weiter beschrieben. Zum Beispiel ist 6A eine Draufsicht, die ein Beispiel für eine MEMS-Vorrichtung, die in einer Linie angeordnete Federn aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsform schematisch darstellt. Insbesondere stellt 6A einen Teil einer MEMS-Vorrichtung, zum Beispiel der in 1 gezeigten MEMS-Vorrichtung 100, dar. Es sei darauf hingewiesen, dass 6A nur eine Teilansicht der MEMS-Vorrichtung 100 ist und somit nicht jede Komponente der MEMS-Vorrichtung 100 in 6A gezeigt ist. Zum Beispiel sind die Antriebsanordnungen 110, 112 der Einfachheit der Veranschaulichung halber aus 6A weggelassen. Weitere Aspekte der Antriebsanordnungen 110, 112 werden hier zum Beispiel unter Bezugnahme auf 7A-7C beschrieben.
6A stellt Aspekte der Kopplung zwischen den Prüfmassen 104A und 104B dar. Obgleich 6A hier unter Bezugnahme auf die Prüfmassen 104A und 104B beschrieben wird, können andere Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung auf die gleiche Weise wie hier dargestellt ausgebildet sein. Wie in 6A gezeigt ist, weist die MEMS-Vorrichtung 100 die Prüfmassen 104A, 104B, in einer Linie angeordnete Federn 120 und 121, ein Paddel 122, Hebel 124 und Anker 128 auf. Die Anker 128 können, wie hier beschrieben, an einem darunterliegenden Substrat fixiert sein. Die in einer Reihe angeordneten Federn 121 können die Anker 128 mit den Hebeln 124 koppeln und die in einer Reihe angeordneten Federn 120 können die Hebel 124 mit einer jeweiligen Prüfmasse 104A, 104B koppeln. Die in einer Reihe angeordneten Federn können im Wesentlichen entlang (zum Beispiel innerhalb von weniger als 5° von) der Antriebsrichtung (die bei der dargestellten Ausführungsform die x-Achsen-Richtung ist) ausgerichtet sein und sind entlang der im Wesentlichen senkrecht (zum Beispiel innerhalb von weniger als 5° bezüglich der normal) zu der Antriebsrichtung (die bei der dargestellten Ausführungsform die y-Achsen-Richtung ist) verlaufenden Richtung nachgiebig. Es sei darauf hingewiesen, dass die in einer Reihe angeordneten Federn von 6A mit Symbolen abgebildet sind, die anstatt der physischen Ausrichtung die Nachgiebigkeitsrichtung (die y-Achsen-Richtung) darstellen sollen. Wie weiter unten beschrieben wird, können die in einer Reihe angeordneten Federn 120, 121 physisch mit Balken implementiert werden, die im Wesentlichen entlang der Antriebsrichtung ausgerichtet sind.
Wie in 6A dargestellt ist, dürfen nur in einer Reihe angeordnete Federn 120, 121 mit den Prüfmassen 104A, 104B verbunden sein. Das heißt, es werden keine anderen Arten von Federn (zum Beispiel keine Federn, die in anderen Richtungen als der im Wesentlichen senkrecht zur Antriebsbewegung verlaufenden nachgiebig sind) dazu verwendet, den Antrieb der Prüfmassen zu ermöglichen. Die Erfinder haben erkannt, dass die Verwendung nur von Federn, die in der senkrecht zu der Antriebsrichtung (zum Beispiel der y-Achse für die Prüfmassen 104A, 104B) verlaufenden Richtung nachgiebig sind, eine beispielsweise durch geneigte Seitenwände in den Federn verursachte Quadraturbewegung begrenzen kann. Wie in 6A gezeigt ist, können die Prüfmassen 104A, 104B eine im Wesentlichen rechteckige (zum Beispiel quadratische) Form aufweisen. Das Paddel 122 kann zusammen mit den in einer Reihe angeordneten Federn 108 die Prüfmasse 104A mit der Prüfmasse 104B verbinden und kann in der y-Achsen-Richtung nachgiebig sein.
Wie hier beschrieben, können die Prüfmassen 104A, 104B im Wesentlichen in einer Ebene liegen. Zum Beispiel können die Prüfmassen 104A, 104B jeweils ein Paar (in der z-Achsen-Richtung voneinander beabstandeter) einander gegenüberliegender Flächen aufweisen, die parallel zueinander oder bezüglich einander um weniger als 5° abgewinkelt sind.
Bei einigen Ausführungsformen kann die MEMS-Vorrichtung 100 auch orthogonale Federn (Federn, die senkrecht zu der Antriebsbewegung ausgerichtet sind) aufweisen. Solche orthogonalen Federn sind jedoch möglicherweise nicht direkt mit den Prüfmassen verbunden und/oder tragen möglicherweise nicht zu der Antriebsbewegungssteifigkeit bei. Selbst wenn orthogonale Federn verwendet werden, wird auf diese Weise nichtsdestotrotz eine Quadraturbewegung unterdrückt.
6B ist eine Draufsicht des Gyroskops von 6A, wobei die Prüfmassen 104A und 104B entlang der x-Achse in entgegengesetzten Richtungen schwingen, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen. Wie in 6B gezeigt ist, wird eine Bewegung der Prüfmassen durch die in einer Reihe angeordneten Federn 120 und 121 und die Hebel 124 ermöglicht. Insbesondere gestatten die in einer Reihe angeordneten Federn 120 und 121 durch Ausdehnen und Zusammenziehen entlang der y-Achsen-Richtung ein Schwenken der Hebel 124. Infolgedessen können sich die Prüfmassen bezüglich der Position der Anker 128 bewegen. Ein eine physische Implementierung der Hebel und der in einer Reihe angeordneten Federn darstellendes Beispiel wird weiter unten dargestellt. Hebel können hier als „Zwischenmassen“ bezeichnet werden, weil sie als Zwischenstrukturen zwischen den Prüfmassen und dem Substrat dienen. Bei einigen Ausführungsformen sind die Prüfmassen nur durch im Wesentlichen in der Antriebsrichtung ausgerichtete Federn (zum Beispiel in einer Reihe angeordnete Federn 120, 121) mit den Zwischenmassen (zum Beispiel Hebeln 124) gekoppelt. Es können andere Zwischenmassen als die in 6A-6B gezeigten Hebel 124 zum Koppeln der Prüfmassen mit dem Substrat unter Ermöglichung einer Bewegung der Prüfmassen in der Antriebsrichtung verwendet werden. Solche Zwischenmassen können flexibel und/oder biegbar sein.
Das Paddel 122, das die Prüfmasse 104A mit der Prüfmasse 104B verbindet, kann dazu angeordnet sein, die gegenphasige Beziehung (das heißt die Bewegung in im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen entlang einer Achse) zwischen den Prüfmassen aufrechtzuerhalten. Obgleich die in 6B dargestellte Ausführungsform die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegenden Prüfmassen 104A und 104B darstellt, können bei einigen Ausführungsformen benachbarte Prüfmassen dazu ausgebildet sein, sich in im Wesentlichen der gleichen Richtung zu bewegen (zum Beispiel die in 5C dargestellten Prüfmassen 504B und 504C). Bei solchen Ausführungsformen kann das Paddel 122 anders als ein Paddel, dass sich in entgegengesetzten Richtungen bewegende benachbarte Prüfmassen koppelt, ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Paddel 122 eine starre Kopplung zwischen sich in im Wesentlichen der gleichen Richtung bewegenden benachbarten Prüfmassen bereitstellen, um eine gemeinsame Bewegung der benachbarten Prüfmassen zu ermöglichen, und das Paddel 122 kann einen starren Balken umfassen. Bei anderen Ausführungsformen können sich in im Wesentlichen der gleichen Richtung bewegende Prüfmassen flexibel mit dem Paddel 122 gekoppelt sein oder umfassen bei anderen Ausführungsformen möglicherweise gar keine Kopplung zwischen den beiden Prüfmassen.
6C stellt ein zusätzliches Detail einer physischen Implementierung des in 6A mit „A“ bezeichneten Bereichs gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsform dar. In dem dargestellten Beispiel sind die in einer Reihe angeordneten Federn 120 im Wesentlichen entlang der Antriebsrichtung (der x-Achsen-Richtung) ausgerichtet. In diesem Fall weist die in Reihe angeordnete Feder 120 insbesondere Balken auf, die im Wesentlichen entlang der Antriebsrichtung ausgerichtet sind. Bei einigen Ausführungsformen können die in einer Reihe angeordneten Federn 120 in einer im Wesentlichen senkrecht zu der Antriebsrichtung verlaufenden Richtung (zum Beispiel der y-Achse) nachgiebig sein (können sich zum Beispiel zusammenziehen und ausdehnen). Es sollte auf der Hand liegen, dass die in Reihe angeordnete Feder 120 auch die in der x-Achsen-Richtung ausgerichteten Balken verbindende Balken aufweisen kann, die nicht in der x-Achsen-Richtung ausgerichtet sind. Diese Balken können jedoch kürzer als die in der x-Achsen-Richtung ausgerichteten Balken sein, wodurch die Nachgiebigkeit der in Reihe angeordneten Feder entlang der y-Achse aufrechterhalten wird.
Der Hebel 124 kann eine zwischen der in Reihe angeordneten Feder 120 und dem Anker 128 gekoppelte Masse aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Hebel 124 in der Darstellung mehrere durch sie hindurch ausgebildete Löcher auf, wobei die Löcher zum Freigeben der darunterliegenden Opferschicht während der Herstellung dienen. Der Hebel 124 kann über die in Reihe angeordnete Feder 121 mit dem Anker 128 gekoppelt sein. Ähnlich wie die in Reihe angeordnete Feder 120 kann die in Reihe angeordnete Feder 121 im Wesentlichen entlang der Antriebsrichtung (zum Beispiel der x-Achse) ausgerichtet sein und kann in einer im Wesentlichen senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufenden Richtung (zum Beispiel der y-Achse) nachgiebig sein. Die in Reihe angeordnete Feder 121 kann in der Antriebsrichtung ausgerichtete Balken aufweisen, die länger als die in anderen Richtungen (zum Beispiel in der zur Antriebsrichtung senkrechten Richtung) ausgerichteten Balken sind.
Eine Bewegung der Prüfmasse 104A in der Antriebsrichtung kann durch eine Bewegung der Hebel 124 ermöglicht werden. Eine Bewegung der Hebel 124 kann wiederum durch Nachgiebigkeit der in einer Reihe angeordneten Federn in der y-Achsen-Richtung ermöglicht oder erleichtert werden. 6D stellt den MEMS-Vorrichtungsteil von 6C, wenn er in der x-Achsen-Richtung verschoben wird, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Bei der dargestellten Ausführungsform in 6D wird die Prüfmasse 104A bezüglich ihrer Position in der Ruhestellung aufgrund einer Bewegung entlang der x-Achse nach rechts verschoben. Wie gezeigt wird, wird eine Bewegung der Prüfmasse durch Nachgiebigkeit der in einer Reihe angeordneten Federn 120, 121 in der senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufenden Richtung (zum Beispiel der y-Achse) ermöglicht oder erleichtert. Die Nachgiebigkeit der in einer Reihe angeordneten Federn gestattet eine Drehung der Hebel 124 in der xy-Ebene, wodurch sich die Prüfmasse 104 frei in der Antriebsrichtung entlang der x-Achse bewegen kann.
Bei einigen Ausführungsformen können andere Implementierungen der in einer Reihe angeordneten Federn 120 und 121 und Hebel 124 als die in 6C dargestellten verwendet werden. Darüber hinaus können bei einigen Ausführungsformen andere Prüfmassen und/oder Säulen der MEMS-Vorrichtungen, die hier beschrieben werden, auf gleiche oder ähnliche Weise wie die Prüfmassen 104A und 104B ausgebildet sein, wobei Modifikationen vorgenommen werden können, um Unterschieden der Antriebs- und Erfassungsrichtungen zwischen den verschiedenen Säulen Rechnung zu tragen.
Wie hier beschrieben, können Prüfmassen der beispielhaften MEMS-Vorrichtungen durch einen oder mehrere Antriebsmechanismen (zum Beispiel Antriebsanordnungen) dazu gebracht werden, sich in einer Antriebsrichtung zu bewegen. 7A stellt Aspekte eines Teils einer beispielhaften Antriebsanordnung der MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Zum Beispiel stellt 7A einen Teil der MEMS-Vorrichtung 100 mit einer Prüfmasse 104A, einer äußeren Antriebsanordnung 110A und einer inneren Antriebsanordnung 110B dar. Die Prüfmasse 104A kann wie vorstehend, zum Beispiel unter Bezugnahme auf 6A-6D, hier beschrieben, ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Prüfmasse 104A über die in einer Reihe angeordneten Federn 120 mit den Hebeln 124 gekoppelt sein, und die Hebel 124 können über die in einer Reihe angeordneten Federn 121 mit den Ankern 128 gekoppelt sein.
Wie in 7A gezeigt ist, kann die Prüfmasse 104A äußere und innere Antriebsanordnungen 110A, 110B umfassen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Prüfmasse 104A neben der Prüfmasse 104A angeordnet sind. Wie hier beschrieben, haben die Erfinder erkannt, dass das Ausbilden der Antriebsanordnungen neben jeder Säule von Prüfmassen eine stärkere Kopplung und einen direkteren Antrieb der Prüfmassen gestattet. Eine stärkere Kopplung zwischen den Prüfmassen und Antriebsanordnungen hilft dabei, zu gewährleisten, dass die Bewegung benachbarter Säulen ein festes Antriebsbewegungsverhältnis haben.
Die Antriebsanordnungen können, wie hier beschrieben, mehrere Antriebsmodule umfassen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist jede Antriebsanordnung 110A, 110B zwei neben jeder Prüfmasse angeordnete Antriebsmodule auf. Das heißt, die Prüfmasse 104A umfasst vier Antriebsmodule, die neben der Prüfmasse 104A angeordnet sind - die Antriebsmodule 131A, 131B der äußeren Antriebsanordnung 110A auf einer linken Seite der Prüfmasse 104A und die Antriebsmodule 132A, 132B der inneren Antriebsanordnung 110B auf der rechten Seite der Prüfmasse 104A. Bei einigen Ausführungsformen sind die Antriebsanordnungen so ausgebildet, dass mehr als zwei Antriebsmodule entlang einer Seite einer Prüfmasse (zum Beispiel drei Antriebsmodule pro Seite, vier Module pro Seite usw.) angeordnet (und bei einigen Ausführungsformen mit ihr gekoppelt) sind. Die Erfinder haben erkannt, dass das Ausbilden jeder Antriebsanordnung mit mindestens zwei Antriebsmodulen vorteilhaft ist, da sie das Erreichen eines Nettoimpulses der Antriebsanordnungen von null gestattet. Insbesondere kann jedes der Antriebsmodule dazu ausgebildet sein, sich unabhängig davon, in welche Richtung die Prüfmassen, mit denen die Antriebsmodule gekoppelt sind, angetrieben werden, entlang einer gleichen Achse (die bei der dargestellten Ausführungsform die y-Achse ist) zu bewegen. Das Ausbilden von Haltebändern, die die Prüfmassen mit jeweiligen Antriebsmodulen koppeln, gestattet einen Antrieb der Prüfmassen in einer gewünschten Antriebsrichtung, obgleich die Bewegung aller Antriebsmodule der MEMS-Vorrichtung entlang einer festgelegten Achse erfolgt. Eine gleiche Anzahl von Antriebsmodulen einer bestimmten Antriebsanordnung kann dazu ausgebildet sein, sich entlang der y-Achse in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen, um einen Nettoimpuls der Antriebsanordnungen von null zu erreichen. Somit kann bei einigen Ausführungsformen jede Antriebsanordnung eine gerade Anzahl von Antriebsmodulen umfassen.
Wie in 7A gezeigt ist, sind die Antriebsmodule 131A, 131B, 132A, 132B über in einer Reihe angeordnete Federn 130 mit Ankern 128 gekoppelt. Wie hier beschrieben, können die Anker mit dem darunter liegenden Substrat gekoppelt sein. Die in einer Reihe angeordneten Federn 130 können auf die gleiche Weise wie die in einer Reihe angeordneten Federn 120, 121 ausgebildet sein. Die in einer Reihe angeordneten Federn 130 können Balken aufweisen, die im Wesentlichen entlang der x-Achse ausgerichtet sind und entlang der y-Achse nachgiebig sein können (sich zum Beispiel zusammenziehen und ausdehnen können). Somit können in einer Reihe angeordnete Federn 130 eine Bewegung der Antriebsmodule 131A, 131B, 132A, 132B bezüglich Anker 128 entlang der y-Achse ermöglichen.
Bei einigen Ausführungsformen weisen Antriebsmodule Ansteuerungskondensatoren auf, bei denen elektrostatische Kräfte verwendet werden, um eine Bewegung der Prüfmassen zu bewirken. Zum Beispiel können die Antriebsmodule mehrere erste Elektroden (zum Beispiel Elektroden 134) umfassen, die in einem Abstand von mehreren zweiten Elektroden, die mit dem darunter liegenden Substrat gekoppelt sind, angeordnet sind. An die mehreren zweiten Elektroden kann eine Spannung angelegt werden, die bewirkt, dass der Abstand zwischen den mehreren ersten und zweiten Elektroden abnimmt. Die Antriebsmodule können sich daher dank des abgenommenen Abstands zwischen den mehreren ersten und zweiten Elektroden entlang der y-Achse nach oben und nach unten bewegen, was durch in einer Reihe angeordnete Federn 130 weiter erleichtert wird.
Wie in 7A gezeigt ist, können Antriebsmodule durch ein Halteband 106 (hier auch als eine Feder bezeichnet) mit der Prüfmasse 104A gekoppelt sein. Das Halteband 106 kann dazu ausgebildet sein, ein Antreiben der Prüfmasse 104A in der Antriebsrichtung zu ermöglichen, wenn sich die Antriebsmodule entlang der y-Achse nach oben und nach unten bewegen. Wie hier beschrieben, können Antriebsmodule dazu ausgebildet sein, sich entlang der y-Achse nach oben und nach unten zu bewegen, während die Antriebsrichtung der Prüfmassen auch entlang der y-Achse oder nicht entlang dieser verlaufen kann. Die Erfinder haben erkannt, dass das Ausbilden der MEMS-Vorrichtung 100 derart, dass sich alle Antriebsmodule der MEMS-Vorrichtung unabhängig von der Richtung, in der sich die Prüfmassen bewegen, entlang einer gleichen Achse bewegen, ein kompakteres Design und eine stärkere Kopplung zwischen Komponenten einer MEMS-Vorrichtung gestattet. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft die Antriebsrichtung entlang der x-Achse. Somit sind die Haltebänder 106 so ausgebildet, dass sich die Prüfmasse 104A entlang der x-Achse bewegt, wenn sich die Antriebsmodule 131A, 131B, 132A, 132B entlang der y-Achse nach oben und nach unten bewegen.
Die Bewegung der Prüfmassen kann somit basierend auf der an die mehreren zweiten Elektroden, die mit dem darunter liegenden Substrat gekoppelt sind, angelegten Spannung gesteuert werden. Die Bewegung der Antriebsmodule entlang der y-Achse kann proportional zu der Bewegung der Prüfmassen entlang der Antriebsrichtung (bei der dargestellten Ausführungsform zum Beispiel entlang der y-Achse) sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Bewegung der Prüfmassen zum Beispiel um ungefähr das 2,5-Fache größer als die Bewegung der Antriebsmodule sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Bewegung der Prüfmassen um ungefähr das 3,5-fache größer als die Bewegung der Antriebsmodule sein.
7B ist eine Draufsicht, die den MEMS-Vorrichtungsteil von 7A, wenn er in der x-Achsen-Richtung angetrieben wird, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt. Wie in 7B gezeigt ist, wird die Prüfmasse 104A entlang der x-Achse angetrieben, und insbesondere bewegt sich die Prüfmasse 104A in der Darstellung bei der dargestellten Ausführungsform entlang der x-Achse nach rechts. Gleichzeitig wird gezeigt, dass sich die Antriebsmodule 131A, 131B, 132A und 132B entlang der y-Achse bewegen. Insbesondere bewegen sich die Antriebsmodule 131A und 131B auseinander, wobei sich das Antriebsmodul 131A nach oben bewegt, während sich das Antriebsmodul 131B nach unten bewegt, und die Antriebsmodule 132A und 132B bewegen sich auf einander zu, wobei sich das Antriebsmodul 132A nach unten bewegt, während sich das Antriebsmodul 132B nach oben bewegt. Wie in 7B gezeigt ist und in den folgenden Figuren hier weiter dargestellt wird, kann sich aufgrund der Kopplung zwischen den Prüfmassen und den Antriebsmodulen über Haltebänder 106 eine Prüfmasse entlang der x-Achse von sich auseinanderbewegenden Antriebsmodulen weg und zu Antriebsmodulen bewegen, die sich aufeinander zu bewegen. Die Bewegung der Prüfmassen kann somit zumindest teilweise durch elektronische Komponenten des darunter liegenden Substrats gesteuert werden, da die relative Bewegung der Antriebsmodule dank der an die mit dem Substrat gekoppelten mehreren Elektroden angelegte Spannung gesteuert werden kann.
7C ist eine Draufsicht, die eine Antriebsanordnung der MEMS-Vorrichtung von 1 gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen schematisch darstellt. Insbesondere stellt 7C eine alternative Konfiguration von in einer Reihe angeordneten Federn 130 dar. Zum Beispiel umfassen die in 7C dargestellten Antriebsanordnungen der MEMS-Vorrichtung doppelt gefaltete Federn 130' zwischen benachbarten Antriebsmodulen. Ähnlich wie die in 7A-7B dargestellte Ausführungsform kann das Antriebsmodul 131A mit Ankern 128 gekoppelt sein. Bei der in 7C dargestellten Ausführungsform sind die Antriebsmodule jedoch mit den die doppelt gefalteten Federn 130' verwendenden Ankern 128 gekoppelt. Die Erfinder haben erkannt, dass durch Implementieren von doppelt gefalteten Federn 130' Antriebsanordnungssteifigkeit reduziert werden kann.
Nach der Beschreibung von Aspekten der Technologie, die einzelne Antriebsmodule betreffen, sollte auf der Hand liegen, dass ein oder mehrere andere Antriebsmodule der beispielhaften MEMS-Vorrichtungen, die hier beschrieben werden, auf die gleiche oder eine ähnliche Weise wie die Antriebsmodule 131A, 132B, 132A und 132B ausgebildet sein können. Gemäß einem Aspekt der hier beschriebenen Technologie sind die Antriebsmodule modular hergestellt - mit anderen Worten sind die Antriebsmodule jeweils austauschbar, wodurch ein einfacheres Design und eine leichtere Herstellung der MEMS-Vorrichtung gestattet werden.
8 stellt Aspekte einer Mehrfachmassensäule der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. 8 stellt einen Teil der MEMS-Vorrichtung 500, insbesondere eine einzelne Säule 502A der Mehrfachsäulen-MEMS-Vorrichtung, dar. Es sollte auf der Hand liegen, dass die MEMS-Vorrichtung 500 mindestens zwei Mehrfachmassensäulen umfasst, wobei jede Säule auf eine ähnliche Weise wie die in 8 gezeigte Säule 502A gebildet ist. Es werden hier weitere Details der Kopplung zwischen den Mehrfachmassensäulen der MEMS-Vorrichtungen beschrieben.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform umfasst die Säule 502A vier Prüfmassen 504A-504D. Jede Prüfmasse der Säule 502A ist auf einer jeweiligen lateralen Seite der Prüfmasse mit einer Antriebsanordnung 510A, 510B gekoppelt. Zum Beispiel sind die Prüfmassen 504A-504D auf einer linken Seite der Prüfmassen mit der Antriebsanordnung 510A und auf einer rechten Seite der Prüfmassen mit der Antriebsanordnung 510B gekoppelt.
Insbesondere ist jede Prüfmasse mit mindestens zwei Antriebsmodulen jeder Antriebsanordnung gekoppelt. Wie in 8 gezeigt ist, ist die Prüfmasse 504A mit den Antriebsmodulen 131A und 131B der Antriebsanordnung 510A auf einer linken Seite der Prüfmasse und mit den Antriebsmodulen 132A und 132B der Antriebsanordnung 510B auf einer rechten Seite der Prüfmasse 504A gekoppelt. Wie hier beschrieben, haben die Erfinder erkannt, dass durch das Ausbilden der Antriebsanordnungen neben jeder Säule der Prüfmassen eine stärkere Kopplung zwischen Komponenten der MEMS-Vorrichtung (zum Beispiel zwischen den Antriebsanordnungen und den Prüfmassen) und ein direkterer Antrieb der Prüfmassen gestattet wird, wodurch eine Antriebsfehlausrichtung und -quadratur verhindert oder reduziert werden kann. Ferner haben die Erfinder erkannt, dass durch Koppeln jeder Prüfmasse mit mindestens zwei Antriebsmodulen pro Antriebsanordnung ein Nettoimpuls der Antriebsanordnungen von null erreicht werden kann, wie hier beschrieben.
Wie in 8 gezeigt ist, können die vier Prüfmassen 504A-504D linear entlang der Säule 502A angeordnet sein, ohne durch eine zwischen benachbarten Prüfmassen einer bestimmten Säule angeordnete Antriebsstruktur (wie zum Beispiel eine Antriebsanordnung) unterbrochen zu werden. Somit können, wie hier beschrieben, benachbarte Prüfmassen einer Säule vorteilhaft miteinander gekoppelt sein. Zum Ermöglichen eines Linear- und Drehausgleichs der MEMS-Vorrichtung 500 können die inneren Prüfmassen 504B, 504C zum Beispiel in einer der Richtung, in der die äußeren Prüfmassen 504A, 504D verschoben werden, entgegengesetzten Richtung verschoben werden. Da keine Antriebsstrukturen die Kopplung zwischen den Prüfmassen 504A-504D unterbricht, können die inneren Prüfmassen 504B, 504C, die in einer gleichen Richtung verschoben werden, bei einigen Ausführungsformen starr miteinander gekoppelt sein, und die äußeren Prüfmassen 504A, 504D können auf eine flexible Weise mit inneren Prüfmassen 504B bzw. 504C gekoppelt sein, um eine Gegenphasenbewegung benachbarter innerer und äußerer Prüfmassen zu ermöglichen. Bei anderen Ausführungsformen liegt möglicherweise keine Kopplung zwischen inneren und äußeren Prüfmassen vor.
9A stellt Aspekte der Antriebsanordnungen der beispielhaften MEMS-Vorrichtung von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Insbesondere stellt 9A eine vergrößerte Ansicht der Antriebsanordnungen 510B und 512B dar, die mit der Säule 502A bzw. 502B gekoppelt sind. Wie hier beschrieben, können die Prüfmassen der Säule 502A dazu ausgebildet sein, eine Rolldrehung zu erfassen, was durch Verschieben der Prüfmassen in der x-Richtung ermöglicht wird. Die Prüfmassen der Säule 502B können dazu ausgebildet sein, eine Gierdrehung zu erfassen, was auch durch Verschieben der Prüfmassen in der x-Richtung ermöglicht wird. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Prüfmassen der Säulen 502A und 502B entlang einer gleichen Achse verschoben. Bei einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Prüfmassen der MEMS-Vorrichtung jedoch entlang einer anderen Achse (zum Beispiel entlang der y-Achse) verschoben werden. Obgleich dies in 9A nicht gezeigt ist, können die Prüfmassen der Säule 502C dazu ausgebildet sein, einen Nickdrehung zu erfassen, was durch Verschieben der Prüfmassen in der y-Richtung ermöglicht wird. Obgleich die Prüfmassen jeder Säule in verschiedenen Richtungen verschoben werden können, sind die Antriebsanordnungen und ihre jeweiligen Antriebsmodule (zum Beispiel die in 9A gezeigten Antriebsmodule 132A-132D, 134A-134D) dazu ausgebildet, sich entlang einer gleichen Achse (wie zum Beispiel der y-Achse wie bei den hier beschriebenen dargestellten Ausführungsformen) zu bewegen.
Eine Bewegung der Antriebsmodule entlang der y-Achse (zum Beispiel nach oben oder nach unten) sowie die Konfiguration der hier beschriebenen Haltebänder kann eine Bewegung der Prüfmassen entlang einer bestimmten Richtung ermöglichen. Wie hier beschrieben, kann für eine Bewegung der Prüfmassen entlang der x-Achse ein Paar sich voneinander weg bewegender Antriebsmodule bewirken, dass sich die Prüfmasse von der Antriebsanordnung weg bewegt, und ein Paar sich auf einander zu bewegender Antriebsmodule kann bewirken, dass sich die Prüfmasse auf die Antriebsanordnung zu bewegt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5D wird die relative Bewegung der Prüfmassen 504A-504H gezeigt. 5D veranschaulicht, dass sich laterale benachbarte Prüfmassen der Säulen 502A und 502B (zum Beispiel die Prüfmassen 504A und 504E, 504B und 504F, 504C und 504G und 504D und 504H) in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Aus der Perspektive der inneren Antriebsanordnungen 510B und 512B bewegen sich beide Paare lateral benachbarter Prüfmassen 504A und 504E und 504D und 504H in Richtung der inneren Antriebsanordnungen 510B und 512B, während sich Paare lateral benachbarter Prüfmassen 504B und 504F und 504C und 504G von den inneren Antriebsanordnungen 510B und 512B weg bewegen. Um solch eine Bewegung zu erreichen, bewegen sich die Antriebsmodule 132A und 132B und 134A und 134B jeweils auf einander zu, so dass sich die Prüfmassen 504A und 504E zu den inneren Antriebsanordnungen 510B und 512B bewegen, während sich die Antriebsmodule 132C und 132D bzw. 134C und 134D voneinander weg bewegen, so dass sich die Prüfmassen 504B und 504F von den inneren Antriebsanordnungen 510B und 512B weg bewegen.
Wie in 9A gezeigt ist, bewegen sich somit benachbarte Paare von Antriebsmodulen (132A und 134A, 132B und 134B, 132C und 134C und 132D und 134D) in einer gleichen Richtung entlang der y-Achse mit im Wesentlichen der gleichen Amplitude und Frequenz. Mit anderen Worten bewegen sich die lateral benachbarten Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 510A und 510B gemeinsam in Phase. Infolgedessen können lateral benachbarte Antriebsmodule starr miteinander gekoppelt sein. Eine starre Kopplung zwischen lateral benachbarten Antriebsmodulen, die sich in Phase bewegen, gewährleistet eine stärkere Antriebsmoduskopplung.
Obgleich hier eine Bewegung der Prüfmassen in Bezug auf eine Bewegung der Antriebsmodule gemäß den dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte auf der Hand liegen, dass auch andere Konfigurationen der MEMS-Vorrichtung möglich sind. Bei einigen Ausführungsformen können die Antriebsmodule, die Prüfmassen, die Haltebänder und/oder eine oder mehrere Komponenten zum Beispiel anders ausgebildet sein, so dass sich zum Beispiel die Prüfmassen zu einer Antriebsanordnung bewegen, wenn sich die jeweiligen Antriebsmodule voneinander weg bewegen.
9B stellt weitere Aspekte der Antriebsmodule von 5C gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Insbesondere stellt 9B eine vergrößerte Ansicht von Antriebsanordnungen 512B' und 516B dar, die mit den Säulen 502B bzw. 502C gekoppelt sind. Wie hier beschrieben, können die Prüfmassen der Säule 502B dazu ausgebildet sein, eine Gierdrehung zu erfassen, was durch Verschieben der Prüfmassen entlang der x-Achse ermöglicht werden kann. Die Prüfmassen der Säule 502C können dazu ausgebildet sein, einen Nickdrehung zu erfassen, was durch Verschieben der Prüfmassen entlang der y-Achse ermöglicht werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform werden die Prüfmassen der Säulen 502B und 502C entlang verschiedenen Achsen (der x-Achse und y-Achse) verschoben, jedoch sind die Antriebsanordnungen 512B' und 516B und ihre jeweiligen Antriebsmodule jeweils dazu ausgebildet, sich entlang der gleichen Achse (bei der dargestellten Ausführungsform der y-Achse) zu bewegen, wie hier beschrieben.
Wie in 9B und insbesondere in 9C gezeigt ist, können sich im Gegensatz zu den lateral benachbarten Antriebsmodulen der Roll- und Giersäulen nicht alle lateral benachbarten Antriebsmodule der MEMS-Vorrichtung gemeinsam in Phase bewegen. Stattdessen bewegt sich bei benachbarten Gier- und Nicksäulen (hier als Säulen 502B und 502C dargestellt) und/oder benachbarten Roll- und Nicksäulen jedes zweite Paar lateral benachbarter Antriebsmodule gemeinsam in Phase, während sich andere Paare lateral benachbarter Antriebsmodule bezüglich einander außer Phase bewegen. Zum Beispiel bewegt sich das lateral benachbarte Antriebsmodulpaar 136A und 138A gemeinsam in Phase, während sich das lateral benachbarte Antriebsmodulpaar 136B und 138B bezüglich einander außer Phase bewegt. 9C stellt lateral benachbarte Antriebsmodule 136A und 138A dar, die sich in Phase bewegen, da sie durch einen oder mehrere Koppler 518 (zum Beispiel starr) miteinander gekoppelt sind, während lateral benachbarte Antriebsmodule 136B und 138B, die sich außer Phase bewegen (durch die Höhendifferenz ΔH zwischen den Antriebsmodulen 136B und 138B dargestellt), ungebunden sein können. Zwischen der zweiten Säule 502B, die zum Erfassen einer Gierdrehung ausgebildet ist, und der dritten Säule 502C, die zum Erfassen einer Nickdrehung ausgebildet ist, ist somit eine Kopplung zwischen lateral benachbarten Paaren Antriebsmodulen versetzt, da sich nur jedes zweite Paar Antriebsmodule in Phase bewegt.
Die Erfinder haben erkannt, dass es aufgrund der Bewegung jeweiliger Paare lateral benachbarter Antriebsmodule von Vorteil sein kann, die MEMS-Vorrichtung mit Säulen auszubilden, die dazu ausgebildet sind, eine Roll- bzw. Gierdrehung zu erfassen (zum Beispiel Säulen 502A und 502B), und nebeneinander angeordnet sind, so dass sich alle lateral benachbarten Paare Antriebsmodule zwischen den beiden Säulen gemeinsam in Phase bewegen. Dies gestattet, dass alle der lateral benachbarten Paare Antriebsmodule starr miteinander gekoppelt werden, wodurch eine stärkere Antriebsmoduskopplung ermöglicht wird.
10 ist eine Draufsicht, die ein nicht einschränkendes Beispiel für ein 3-Achsen-Gyroskop mit Mehrfachmassensäulen zur Erfassung einer Drehung um eine jeweilige Achse, wobei Antriebsanordnungen benachbarter Säulen miteinander gekoppelt sind, gemäß einigen Ausführungsformen der hier beschriebenen Technologie schematisch darstellt. 10 ist eine schematische Darstellung der in 5C gezeigten MEMS-Vorrichtung 500', die drei Mehrfachmassensäulen aufweist: eine erste Säule 502, die zum Erfassen einer Rolldrehung ausgebildet ist, eine zweite Säule 502B, die zum Erfassen einer Gierdrehung ausgebildet ist, und eine dritte Säule 502C, die zum Erfassen einer Nickdrehung ausgebildet ist. Jede der Mehrfachmassensäulen umfasst mindestens vier Prüfmassen (zum Beispiel die Prüfmassen 504A-504D, 504E-504H und 504I-504L), die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Wie hier beschrieben, kann jede der drei Säulen 502A-502C von Prüfmassen ein Paar Antriebsanordnungen aufweisen, die neben der Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, die Prüfmassen der jeweiligen Säule zu verschieben, um ein Detektieren von Winkelraten zu ermöglichen. Die erste Säule 502A umfasst zum Beispiel die Prüfmassen 504A-504D, wobei jede Prüfmasse der ersten Säule mit der Antriebsanordnung 510A auf einer linken Seite der Prüfmasse und 510B auf einer rechten Seite der Prüfmasse gekoppelt ist. Die zweite Säule 502B umfasst die Prüfmassen 504E-504H, wobei jede Prüfmasse der zweiten Säule mit der Antriebsanordnung 512B auf der linken Seite der Prüfmasse und der Antriebsanordnung 512B' auf einer rechten Seite der Prüfmasse gekoppelt ist. Die dritte Säule 502C umfasst die Prüfmassen 504I-504L, wobei jede Prüfmasse der dritten Säule mit der Antriebsanordnung 516B auf einer linken Seite der Prüfmasse und 516A auf einer rechten Seite der Prüfmasse gekoppelt ist. Wie hier beschrieben, kann jede Prüfmasse mit mehreren Antriebsmodulen (gezeigt, aber nicht bezeichnet) pro Antriebsanordnung (zum Beispiel mindestens zwei Antriebsmodulen auf jeweils einer rechten und linken Seite der Prüfmasse) gekoppelt sein. Jede der Prüfmassen 504A-504L der MEMS-Vorrichtung 500' kann durch ihre jeweiligen Antriebsanordnungen mit im Wesentlichen der gleichen Frequenz und mit im Wesentlichen der gleichen Amplitude angetrieben werden. Zum Beispiel kann die Prüfmasse 504A dazu ausgebildet sein, sich 5 µm nach rechts zu bewegen, während die Prüfmasse 504I dazu ausgebildet ist, sich 5 µm nach oben zu bewegen.
Wie hier beschrieben, können lateral benachbarte Paare Antriebsmodule (zum Beispiel Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 510B und 512B und Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 512B' und 516B) miteinander gekoppelt sein. Insbesondere können lateral benachbarte Paare Antriebsmodule, die sich gemeinsam in Phase bewegen, starr miteinander gekoppelt sein, während lateral benachbarte Paare Antriebsmodule, die sich bezüglich einander außer Phase bewegen, flexibel miteinander oder nicht miteinander gekoppelt sein können. Bei der MEMS-Vorrichtung 500' sind die lateral benachbarten Paare Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 510B und 512B starr gekoppelt, während die Kopplung zwischen den Antriebsanordnungen 512B' und 516B versetzt ist (wobei zum Beispiel jedes zweite lateral benachbarte Antriebsmodulpaar miteinander gekoppelt ist). Das Ausbilden der MEMS-Vorrichtung 500' mit Roll- und Giersäulen (zum Beispiel den Säulen 502A und 502B) nebeneinander gestattet eine starre Kopplung jedes lateral benachbarten Paars Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 510B und 512B, da sich die Antriebsmodule der Antriebsanordnungen 510B und 512B in lateral benachbarten Paaren jeweils gemeinsam in Phase bewegen.
Die MEMS-Vorrichtung 500' kann gemäß den Aspekten der hier beschriebenen Technologie ausgebildet sein, um einen Linear- und Drehausgleich der MEMS-Vorrichtung 500' zu ermöglichen. Insbesondere können die relative Bewegung und die relative Masse der Prüfmassen jeder Säule dahingehend gesteuert werden, solch einen Linear- und Drehausgleich zu erzielen.
MEMS-Gyroskope der hier beschriebenen Arten können in verschiedenen Umgebungen zum Detektieren von Winkelraten verwendet werden, darunter unter anderem Sport-, Gesundheitswesen-, Militär- und industrielle Anwendungen. Ein MEMS-Gyroskop kann als ein tragbarer Sensor angebracht sein, der bei der Überwachung von sportbezogener physischer Aktivität und Leistung, Patientengesundheit, Aktivitäten von Militärpersonal oder anderen Anwendungen, die für einen Benutzer von Interesse sind, eingesetzt wird. Ein MEMS-Gyroskop kann in einem Smartphone angeordnet sein und kann dazu ausgebildet sein, Roll-, Nick- und/oder Gierwinkelraten zu erfassen.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein eine MEMS-Vorrichtung 1102, eine Versorgungseinheit 1104, eine Messschaltungsanordnung 1106 und eine Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle (E/A-Schnittstelle) 1108 aufweisendes System 1100 darstellt. Die MEMS-Vorrichtung 1102 kann jegliches oder eine Kombination der hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen aufweisen. Die MEMS-Vorrichtung(en) kann/können dazu ausgebildet sein, Roll-, Nick- und/oder Gierwinkelraten zu erfassen.
Das System 1100 kann erfasste Winkelraten darstellende Daten über verdrahtete Verbindungen oder drahtlos periodisch zu einem externen Überwachungssystem, wie zum Beispiel einem Computer, einem Smartphone, einem Tablet, einer Smartwatch, einer Smartbrille oder irgendeiner anderen geeigneten Empfangsvorrichtung, senden. Die E/A-Schnittstelle 1108 kann dazu ausgebildet sein, Daten über WiFi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, Thread, ANT, ANT+, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11.ah oder ein beliebiges anderes geeignetes drahtloses Kommunikationsprotokoll zu senden und/oder zu empfangen. Alternativ oder zusätzlich kann die E/A-Schnittstelle 1108 dazu ausgebildet sein, Daten unter Verwendung von proprietären Verbindungsprotokollen zu senden und/oder zu empfangen. Die E/A-Schnittstelle 1108 kann eine oder mehrere Antennen, wie zum Beispiel eine Mikrostreifenleiterantenne, aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die E/A-Schnittstelle 1108 mit einem Kabel verbunden sein und kann dazu ausgebildet sein, Signale über das Kabel zu senden und/oder zu empfangen.
Das System 1100 kann unter Verwendung einer Versorgungseinheit 1104 versorgt werden. Die Versorgungseinheit 1104 kann dazu ausgebildet sein, die Messschaltungsanordnung 1106, die E/A-Schnittstelle 1108 und/oder die MEMS-Vorrichtung 1102 zu versorgen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Versorgungseinheit 1104 eine oder mehrere Batterien aufweisen. Das System 1100 kann zumindest bei einigen Ausführungsformen hinreichend wenig Leistung aufnehmen, um seinen Betrieb über längere Zeiträume basierend lediglich auf Batterieleistung zu ermöglichen. Die Batterie oder Batterien können bei einigen Ausführungsformen wiederaufladbar sein. Die Versorgungseinheit 1104 kann eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Polymer-Batterien (LiPo-Batterien), Superkondensator-basierte Batterien, Alkalibatterien, Aluminium-Ionen-Batterien, Quecksilberbatterien, Trockenzellenbatterien, Zink-Kohle-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Graphenbatterien oder beliebige andere geeignete Batterietypen aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Versorgungseinheit 1104 eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln von AC-Leistung in DC-Leistung aufweisen. Zum Beispiel kann die Versorgungseinheit 1104 AC-Leistung von einer Leistungsquelle, die sich außerhalb des Systems 1100 befindet, wie zum Beispiel über die E/A-Schnittstelle 1108, empfangen und kann DC-Leistung an einige oder alle der Komponenten des Systems 1100 liefern. In solchen Fällen kann die Versorgungseinheit 1104 einen Gleichrichter, einen Spannungsregler, einen DC-DC-Wandler oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung für Leistungsumwandlung aufweisen.
Die Versorgungseinheit 1104 kann bei einigen Ausführungsformen Energiegewinnungskomponenten und/oder Energiespeicherkomponenten aufweisen. Energie kann aus der umliegenden Umgebung gewonnen und bei Bedarf, was eine periodische, zufällige oder kontinuierliche Versorgung beinhalten kann, für die Versorgung des Systems 1100 gespeichert werden. Die Art von implementierten Energiegewinnungskomponenten kann basierend auf der erwarteten Umgebung des Systems 1100 gewählt werden, zum Beispiel, neben anderen möglichen Überlegungen, basierend auf der erwarteten Größe und Häufigkeit der Bewegung, die das System 1100 wahrscheinlich erfährt, dem Betrag der Beanspruchung, die das System wahrscheinlich erfährt, der Menge an Licht, der das System wahrscheinlich ausgesetzt wird, und/oder der (den) Temperatur(en), der (denen) das System wahrscheinlich ausgesetzt wird. Beispiele für geeignete Energiegewinnungstechnologien beinhalten thermoelektrische Energiegewinnung, Gewinnung aus magnetischen Vibrationen, Gewinnung aus elektrischer Überbelastung, photovoltaische Gewinnung, Hochfrequenzgewinnung und Gewinnung aus kinetischer Energie. Die Energiespeicherkomponenten können bei einigen Ausführungsformen Superkondensatoren aufweisen.
Wie oben beschrieben wurde, können MEMS-Vorrichtungen der hierin beschriebenen Arten in verschiedenen Bereichen zum Detektieren von Winkelraten eingesetzt werden. Ein solcher Bereich sind Automobile oder andere Fahrzeuge, wie zum Beispiel Boote oder Flugzeuge. 12 stellt ein Automobil 1200, das ein System 1100 aufweist, gemäß einigen nicht einschränkenden Ausführungsformen dar. Das System 1100 kann an irgendeiner geeigneten Stelle des Automobils 1200 angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das System 1100 ein Package oder ein Gehäuse umfassen, das mit der MEMS-Vorrichtung darinnen an einem geeigneten Teil des Automobils 1200 befestigt ist. Das System 1100 kann dazu ausgebildet sein, Roll-, Nick- und/oder Gierwinkelraten zu erfassen. Das System 1100 kann dazu ausgebildet sein, unter Verwendung der E/A-Schnittstelle 1108 erfasste Winkelraten für ein im Automobil 1200 angeordnetes Computersystem und/oder ein an einer Basisstation außerhalb des Automobils 1200 angeordnetes Computersystem bereitzustellen.
Ein anderer Bereich, in dem MEMS-Vorrichtungen der hier beschriebenen Arten verwendet werden können, sind unter anderen Möglichkeiten Sensorvorrichtungen für Sportanwendungen, wie zum Beispiel Tennis, Schwimmen, Laufen, Baseball oder Hockey. Bei einigen Ausführungsformen kann eine MEMS-Vorrichtung der hier beschriebenen Arten ein tragbares Fitnessgerät 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.
Aspekte der hier beschriebenen Technologie können einen oder mehrere Vorteile bieten, von denen einige vorstehend beschrieben wurden. Es werden nunmehr einige nicht einschränkende Beispiele für solche Vorteile beschrieben. Es sollte auf der Hand liegen, dass nicht alle Aspekte und Ausführungsformen notwendigerweise alle der nunmehr beschriebenen Vorteile bieten. Ferner sollte auf der Hand liegen, dass Aspekte der hierin beschriebenen Technologie zusätzliche Vorteile zu den nunmehr beschriebenen bieten können.
Aspekte der hierin beschriebenen Technologie stellen säulenförmige mehrachsige MEMS-Vorrichtungen bereit, die linear und rotatorisch ausgeglichen ausgebildet sind. Somit können die hier beschriebenen MEMS-Vorrichtungen eine nicht um eine gewünschte Achse verlaufende Linear- und Winkelbeschleunigung unterdrücken, die ansonsten in den Erfassungsmodus eingekoppelt werden kann und Erfassungsungenauigkeiten verursachen kann. Bei einigen Ausführungsformen können die MEMS-Gyroskope mindestens zwei Mehrfachmassensäulen umfassen, die dazu ausgebildet sind, eine Drehung um eine jeweilige Achse (zum Beispiel eine Roll-, Gier- oder Nickdrehung) zu erfassen. Die hier beschriebene MEMS-Vorrichtung kann ferner eine oder mehrere Antriebsanordnungen umfassen, die neben jeweiligen Säulen von Prüfmassen angeordnet sind, und die Antriebsanordnungen könnten mindestens zwei Antriebsmodule pro Prüfmasse umfassen, um eine stärkere Kopplung zwischen den Komponenten der MEMS-Vorrichtung zu ermöglichen sowie einen Nettoimpuls der Antriebsanordnungen von null zu erreichen.
Die Ausdrücke „im Wesentlichen in einer Richtung“ und „im Wesentlichen parallel zu einer Richtung“ sollten hier als parallel zu der Richtung oder bezüglich der Richtung um weniger als 20°, einschließlich eines beliebigen Werts innerhalb dieses Bereichs, abgewinkelt interpretiert werden.
Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können bei einigen Ausführungsformen so verwendet werden, dass sie ± 20% eines Zielwerts, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 10% eines Zielwertes, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ± 5% eines Zielwertes und bei einigen Ausführungsformen dennoch innerhalb von ± 2% bedeuten. Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können den Zielwert beinhalten.
Es folgen die Ansprüche.

Claims

Gyroskop, das Folgendes umfasst: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, wobei die zweite Säule drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und mehrere Antriebsanordnungen, wobei die mehreren Antriebsanordnungen umfassen: eine mit der ersten Säule gekoppelte erste Antriebsanordnung, wobei die erste Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und eine zweite Antriebsanordnung, die mit der zweiten Säule und der ersten Antriebsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken.
Gyroskop nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine dritte Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine dritte Drehachse zu erfassen, und wobei die mehreren Antriebsanordnungen ferner Folgendes umfassen: eine dritte Antriebsanordnung, die mit der zweiten Säule gekoppelt ist, wobei die dritte Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und eine vierte Antriebsanordnung, die mit der dritten Säule und der dritten Antriebsanordnung gekoppelt ist, wobei die vierte Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der dritten Säule in der ersten Ebene zu bewirken.
Gyroskop nach Anspruch 2, wobei die mehreren Antriebsanordnungen ferner Folgendes umfassen: eine fünfte Antriebsanordnung, die mit der ersten Säule gekoppelt ist, wobei die fünfte Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und eine sechste Antriebsanordnung, die mit der dritten Säule gekoppelt ist, wobei die sechste Antriebsanordnung dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken.
Gyroskop nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Drehachse die erste Ebene definieren.
Gyroskop nach Anspruch 1, wobei die mehreren Antriebsanordnungen dazu ausgebildet sind, die drei Prüfmassen der ersten und der zweiten Säule mit im Wesentlichen einer gleichen Antriebsfrequenz anzutreiben.
Gyroskop nach Anspruch 1, wobei: die erste Antriebsanordnung mit jeder der drei Prüfmassen der ersten Säule gekoppelt ist; und die zweite Antriebsanordnung mit jeder der drei Prüfmassen der zweiten Säule gekoppelt ist.
Gyroskop nach Anspruch 2, wobei die zweite Säule dazu ausgebildet ist, eine Gierdrehung zu erfassen.
Gyroskop nach Anspruch 2, wobei die erste, die zweite, die dritte und die vierte Antriebsanordnung dazu ausgebildet sind, sich entlang einer gemeinsamen Achse zu bewegen.
MEMS-Vorrichtung (MEMS, mikroelektromechanisches System), umfassend: eine erste Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang einer ersten Richtung angeordnet sind, in einer ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; eine zweite Säule neben der ersten Säule, die drei Prüfmassen umfasst, die linear entlang der ersten Richtung angeordnet sind, in der ersten Ebene liegen und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; und eine erste Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Ebene zu bewirken, wobei die erste Antriebsanordnung neben den drei Prüfmassen der ersten Säule in der ersten Richtung angeordnet ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Säule jeweils vier Prüfmassen umfassen.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei innere zwei Prüfmassen der vier Prüfmassen der ersten Säule starr miteinander gekoppelt sind und innere zwei Prüfmassen der vier Prüfmassen der zweiten Säule starr miteinander gekoppelt sind.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Antriebsanordnung mehrere Antriebsmodule umfasst und eine erste Prüfmasse der ersten Säule mit mindestens zwei Antriebsmodulen der mehreren Antriebsmodule der ersten Antriebsanordnung gekoppelt sind.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei mindestens eines der mehreren Antriebsmodule mehrere Antriebselektroden umfasst, die dazu ausgebildet sind, eine Bewegung einer oder mehrerer der Prüfmassen des Gyroskops zu bewirken.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend: eine zweite Antriebsanordnung, die dazu ausgebildet ist, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken, wobei die zweite Antriebsanordnung in einer ersten Richtung neben den drei Prüfmassen der zweiten Säule angeordnet ist und mit der ersten Antriebsanordnung gekoppelt ist; wobei: die zweite Antriebsanordnung mehrere Antriebsmodule umfasst; eine erste Prüfmasse der zweiten Säule mit mindestens zwei Antriebsmodulen der mehreren Antriebsmodule der zweiten Antriebsanordnung gekoppelt ist; ein erstes Antriebsmodul der mindestens zwei Antriebsmodule der ersten Antriebsanordnung mit einem ersten Antriebsmodul der mindestens zwei Antriebsmodule der zweiten Antriebsanordnung starr gekoppelt ist; und ein zweites Antriebsmodul der mindestens zwei Antriebsmodule der ersten Antriebsanordnung mit einem zweiten Antriebsmodul der mindestens zwei Antriebsmodule der zweiten Antriebsanordnung starr gekoppelt ist.
MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei jede der drei Prüfmassen der ersten Säule mit einem jeweiligen von mindestens zwei Antriebsmodulen der mehreren Antriebsmodule der ersten Antriebsanordnung gekoppelt ist.
Einrichtung, umfassend: ein erstes Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer ersten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine erste Drehachse zu erfassen; ein zweites Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer zweiten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine zweite Drehachse zu erfassen; wobei das erste und das zweite Gyroskop in einer ersten Ebene nebeneinander angeordnet und durch mehrere Antriebsanordnungen miteinander gekoppelt sind, die dazu ausgebildet sind, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der ersten und der zweiten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; die drei Prüfmassen der ersten Säule zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule angeordnet ist, umfassen, wobei sich die innere Prüfmasse der ersten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der ersten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt; und die drei Prüfmassen der zweiten Säule zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse, die zwischen den beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule angeordnet ist, umfassen, wobei sich die innere Prüfmasse der zweiten Säule in einer der Bewegungsrichtung der beiden äußeren Prüfmassen der zweiten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt.
Einrichtung nach Anspruch 16, wobei die äußeren Prüfmassen der ersten Säule jeweils eine erste Masse aufweisen und die innere Prüfmasse der ersten Säule eine zu der ersten Masse proportionale zweite Masse aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 17, wobei die zweite Masse doppelt so groß wie die erste Masse ist.
Einrichtung nach Anspruch 16, wobei die erste Säule vier Prüfmassen umfasst, wobei jede der vier Prüfmassen eine gleiche Masse aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 16, ferner umfassend: ein drittes Gyroskop, das drei Prüfmassen umfasst, die linear in einer dritten Säule angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, eine Bewegung um eine dritte Drehachse zu erfassen; wobei: das zweite und dritte Gyroskop in der ersten Ebene nebeneinander angeordnet sind und durch mehrere zweite Antriebsanordnungen miteinander gekoppelt sind, die dazu ausgebildet sind, eine in der Ebene verlaufende Bewegung der drei Prüfmassen der zweiten und der dritten Säule in der ersten Ebene zu bewirken; und die drei Prüfmassen der dritten Säule zwei äußere Prüfmassen und eine innere Prüfmasse umfassen, wobei sich die innere Prüfmasse der dritten Säule in einer der Richtung der Bewegung der beiden äußeren Prüfmassen der dritten Säule entgegengesetzten Richtung bewegt.