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Die Offenbarung bezieht sich auf MEMS-Gyroskope und insbesondere auf MEMS-Gyroskope, die auf eine Winkelbewegung mit einer Oszillation, die in Richtung aus einer Ebene gerichtet ist, ansprechen.
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Ein ideales einfaches MEMS(Mikroelektromechanisches-System)-Gyroskop ist wirksam durch Antreiben einer Prüfmasse, um entlang einer ersten Achse zu oszillieren. Die Prüfmasse ist frei, entlang zumindest der ersten Achse und einer zweiten Achse zu oszillieren, die senkrecht zu der ersten Achse ist. Eine Drehung des MEMS-Gyroskops um eine dritte Achse, die senkrecht zu der ersten und zweiten Achse ist, bewirkt, dass die Prüfmasse eine Coriolis-Kraft erfährt und treibt Oszillation der Prüfmasse entlang der zweiten Achse an. Die Amplitude der Oszillation der Prüfmasse entlang der zweiten Achse ist proportional zu der Drehgeschwindigkeit um die dritte Achse. Die Drehgeschwindigkeit um die dritte Achse kann daher durch Messen der Amplitude der Oszillation der Prüfmasse entlang der zweiten Achse gemessen werden.
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In der Praxis führen Mängel in der MEMS-Struktur, die zwangsläufig entstehen, wenn das MEMS-Gyroskop hergestellt wird, zu einem gewissen Grad an direkter Kopplung der Antriebsoszillation, d.h., Oszillation entlang der ersten Achse, mit der Erfassungsoszillation, d.h., Oszillation entlang der zweiten Achse. Das Signal, das durch diese direkte Kopplung eingeführt wird, wird Quadratursignal genannt, da es 90° phasenverschoben zu der Oszillation der Prüfmasse ist, die durch die Coriolis-Kraft verursacht wird. Das Quadratursignal ist eine Fehlerquelle in der gemessen Amplitude der Oszillation entlang der zweiten Achse und somit in der gemessenen Drehgeschwindigkeit um die dritte Achse.
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Der Stand der Technik offenbart verschiedene Verfahren, das Quadratursignal elektrisch zu kompensieren. Es wäre jedoch vorteilhaft, diesen Fehler, soweit möglich, bereits bei seiner Entstehung zu behandeln durch Entwerfen der Strukturen zur Antriebsoszillation und Erfassungsoszillation derart, dass der Quadraturfehler minimiert wird.
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Bei MEMS-Gyroskopen ist die Prüfmasse typischerweise ein planares oder ebenes Objekt, das sich im Wesentlichen parallel zu zwei Richtungen in einer Ebene erstreckt, einer ersten Richtung in der Ebene und einer zweiten Richtung in der Ebene, die senkrecht zu der ersten Richtung in der Ebene ist. Eine dritte Richtung ist eine Richtung aus der Ebene, die normal zu einer virtuellen Ebene ist, die parallel zu der ersten Richtung in der Ebene und der zweiten Richtung in der Ebene ist.
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Es ist eine bekannte Tatsache, dass MEMS-Ätztechniken es nicht ermöglichen, exakt senkrechte Wände zu erzeugen. Z-Achse-Gyroskope sind eine Art von MEMS-Gyroskopen, die eine Winkelbewegung um eine Achse erfassen, die parallel zu der Richtung aus der Ebene ist, während die Antriebsoszillation und Erfassungsoszillation Übergangsmoden sind, die in den zwei zueinander senkrechten Richtungen in der Ebene stattfinden. Bei Z-Achse-Gyroskopen sind die Effekte von vertikalen Neigungen in Strukturen überschaubar, da planare bzw. ebene Oberflächen von Strukturen sehr gleichmäßig sind, und Ätztechniken eine Erstellung von schmalen (in der Größenordnung von Mikrometern) Gräben ermöglichen, die sehr linear in den Richtungen in der Ebene fortschreiten. Die Dimensionen von Richtungsfedern in Richtungen in der Ebene sind daher recht genau und die Wirkung von nicht idealen senkrechten Formen auf detektierte Signale ist annehmbar. Der resultierende Quadraturfehler bei Z-Achse-Gyroskopen kann somit recht effektiv elektrisch kompensiert werden.
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X- oder Y-Achse-Gyroskope erfassen eine Winkelbewegung um eine Achse, die parallel zu einer der Richtungen in der Ebene ist, die Antriebsoszillation ist eine Tranlsationsbewegung entlang der anderen Richtung in der Ebene und eine Erfassungsoszillation ist eine translatorische Bewegung parallel zu der Richtung aus der Ebene. Bewegliche Strukturen und Federn, die die beweglichen Teile aufhängen, werden von einer gleichen Bauelementschicht geätzt und weisen somit in der Richtung aus der Ebene im Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Typischerweise umfasst das Gyroskop einen primären Oszillator in der Ebene, der einen Wandler umfasst, der ein elektrisches Signal in eine lineare oszillatorische Bewegung des primären Oszillators in der Ebene entlang einer ersten Achse in der Ebene transformiert. Resonanzfrequenz und Amplitude dieser Antriebsbewegung in der Ebene sind durch Dimensionen eines ersten Federsystems definiert, das den primären Oszillator in der Ebene mit einer lokalen stationären Stütze, einem Substrat, koppelt. Eine vertikale Neigung der Federn des ersten Federsystems erstreckt sich durch eine ganze Schichtdicke (von der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern oder mehr) einer Bauelementschicht, so dass die Wirkung der Ätzmängel auf die Antriebsbewegung und somit auf die Quadraturkomponente viel größer ist als bei den Z-Achse-Gyroskopen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein MEMS-Gyroskop mit verbesserten Charakteristika zu schaffen, mit Strukturen, die konzipiert sind, um die oben erwähnten Nachteile bei Gyroskopen, die Drehbewegungen um eine sich in der Ebene erstreckende Achse erfassen, zu verringern.
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Die Aufgabe der Offenbarung wird durch ein MEMS-Gyroskop gemäß Anspruch 1 gelöst. Einige exemplarische Ausführungsbeispiele des MEMS-Gyroskops sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Erzielte Vorteile basieren auf der Idee, einen primären Oszillator in der Ebene durch eine erste Federstruktur mit einem Substrat zu koppeln, und eine Antriebskopplungsfederstruktur zu bilden, die eine Bewegung in der Ebene des primären Oszillators in der Ebene mit einem sekundären Oszillator in der Ebene koppelt, aber den sekundären Oszillator in der Ebene von der Bewegung außerhalb der Ebene des primären Oszillators in der Ebene entkoppelt. Um ein solches Entkoppeln in der Richtung aus der Ebene zu ermöglichen, ohne eine Instabilität für die Erfassungsbewegung zu verursachen, wird der sekundäre Oszillator in der Ebene durch ein Federsystem, das in der Antriebsrichtung in der Ebene elastisch, aber in anderen Richtungen starr ist, mit dem Substrat gekoppelt. Das Federsystem, das den sekundären Oszillator in der Ebene mit dem Substrat koppelt, ist in der Antriebsrichtung weniger starr als das Federsystem, das die Antriebsstruktur mit dem Substrat koppelt. Eine aus der Ebene bewegliche Masse kann dann an dem sekundären Oszillator in der Ebene aufgehängt werden, so dass dieselbe sich mit demselben in der primären Oszillation bewegt, aber keine Wirkungen der aus der Ebene geneigten Federn des ersten Federsystems erfährt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 grundlegende Teilte eines MEMS-Gyroskops;
- 2 eine vergrößerte Schnittansicht von Strukturen entlang Linie A von 1;
- 3a und 3b mögliche geneigte Profile des ersten Federsystems;
- 4a bis 4c verschiedene Arten von Federstrukturen, die als Antriebskopplungsfeder anwendbar sind; und
- 5a und 5b veranschaulichen ein weiteres Beispiel einer Struktur eines MEMS-Gyroskops.
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Gyroskop bezieht sich hier auf eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um eine Drehgeschwindigkeit eines Objekts zu messen. Mikrobearbeitete Mikroelektromechanisches-Systeme-(MEMS)-Gyroskope sind in verschiedenen industriellen Anwendungen zunehmend präsent. Typischerweise ist ein MEMS-Gyroskop eine vibrierende Struktur, die stationäre Teile und bewegliche Teile umfasst, die elastisch mit den stationären Teilen verbunden sind. Die stationären Teile stellen einen Referenzrahmen bereit, der fixiert werden kann, um sich mit einem gemessenen Objekt zu bewegen. Wenn sich das Objekt und somit die stationären Teile drehen, werden die beweglichen Teile durch eine Coriolis-Kraft abgelenkt, die relativ zu der Drehrate ist. Ausgewählte bewegliche Teile und stationäre Teile können mit einer elektrischen Schaltung verbunden sein, so dass die mechanische Bewegung, die durch die Coriolis-Kraft hervorgerufen wird, in ein oder mehrere elektrische Signale transformiert wird, die die aktuelle Drehrate darstellen. Ein MEMS-Gyroskop kann beispielsweise als ein MEMS-Chip implementiert sein.
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1 ist eine schematische Zeichnung, die grundlegende Teile eines MEMS-Gyroskops veranschaulicht, das hier in den Beispielen beschrieben wird. Das MEMS-Gyroskop 100 umfasst ein Substrat, ein Körperteil 102, das eine virtuelle Ebene definiert. Das Körperteil 102 bezieht sich hier auf ein lokal stationäres Teil des MEMS-Gyroskops. Im Allgemeinen werden MEMS-Elemente aus Wafern hergestellt, die konzipiert sind, um eine Mehrzahl von MEMS-Elementen zu umfassen, von denen jedes Strukturen für eine spezifische elektromechanische Funktion umfasst. Wafer, die in den Vorgängen verwendet werden, sind planare bzw. ebene Scheiben und bei einem MEMS-Element kann die virtuelle Ebene als eine Ebene betrachtet werden, die parallel zu einer planaren bzw. ebenen Oberfläche des ursprünglichen Wafers ist. Ein einzelnes MEMS-Element kann daher komplexe interne Strukturen umfassen, für einen Fachmann ist es aber einfach, die virtuelle Ebene als eine Ebene zu identifizieren, die parallel zu der oberen/unteren Oberfläche der ursprünglichen Waferscheibe ist. 1 zeigt mit Pfeilen zwei zueinander orthogonale Richtungen in der Ebene IP1, IP2, die beide parallel zu der virtuellen Ebene sind, sowie eine Richtung aus der Ebene OP, die orthogonal zu den zwei Richtungen in der Ebene IP1, IP2 ist.
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Das MEMS-Gyroskop umfasst ebenfalls einen primären Oszillator in der Ebene 104, ein bewegliches Teil, das elastisch mit dem Körperteil 102 verbunden ist. Die elastische Verbindung ist durch einen primären Ankerbereich 106 und ein erstes Federsystem 108 bereitgestellt. Das erste Federsystem 108 ist eine Richtungsfederstruktur, was bedeutet, dass die Form der Struktur konzipiert ist, so dass dieselbe sich zwischen Verbindungspunkten in dem primären Ankerbereich 106 und Verbindungspunkten und dem primären Oszillator in der Ebene 104 erstreckt und sich in einer oder mehreren ausgewählten Richtungen zwischen denselben ohne Weiteres verformt, aber in anderen Richtungen sehr starr ist. Ein Verbindungspunkt bezieht sich in diesem Kontext nicht auf den mathematischen dimensionslosen Begriff, sondern auf einen oder mehrere begrenzte Bereiche, über die zwei strukturelle Teile aneinander angebracht sind. Der primäre Ankerbereich 106 ist eine lokal stationäre Struktur, die starr an dem Körperteil 102 fixiert ist. Der primäre Ankerbereich verbindet sich mit Verbindungspunkten des ersten Federsystems 108 und fixiert dasselbe somit an dem Körperteil 102. Andere Verbindungspunkte des ersten Federsystems 108 sind mit dem primären Oszillator in der Ebene 104 verbunden. Dementsprechend, wenn sich der primäre Oszillator in der Ebene 104 bewegt, verformt sich das erste Federsystem 108 zwischen der primären Ankerbereich 106 und dem primären Oszillator in der Ebene 104 gemäß dessen eingebauter Richtungsform.
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Der primäre Oszillator in der Ebene 104 umfasst ferner ein Betätigungselement 110, das konfiguriert ist, die primäre Oszillation in der Ebene auszulösen, um relativ zu dem Körperteil 102 zu oszillieren. Das Betätigungselement bezieht sich in diesem Kontext auf ein Wandlerelement, das elektrische Signale in mechanische Bewegung transformiert. Die Oszillation der primären Oszillation in der Ebene ist eine Oszillation in der Ebene in einer ersten Richtung in der Ebene IP1, und ein vorteilhaftes Verfahren, um eine Oszillation in der Ebene auszulösen, ist elektrostatische Auslösung. Elektrostatische Auslösung ruft durch Erzeugen einer reziproken Kraft zwischen zwei Elektroden Oszillation hervor, wobei eine der Elektroden an dem Körperteil fixiert ist und eine an dem primären Oszillator in der Ebene fixiert ist. Die Elektroden können beispielsweise in eine kammartige Form gebracht werden, so dass Kammfinger einer stationären Elektrode, die an dem Körperteil fixiert ist, mit Kammfingern einer beweglichen Elektrode ineinandergreifen, die an dem primären Oszillator in der Ebene fixiert ist. Der Oszillator in der Ebene kann dann zum Vibrieren angeregt werden durch Anlegen einer Wechsel- und Gleichspannung zwischen den zwei Elektroden. Mechanismen für elektrostatische Auslösung sind MEMS-Fachleuten bekannt und müssen hier nicht näher ausgeführt werden.
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Bei dem Beispiel von 1 umfasst das erste Federsystem 108 zwei längliche Stäbe, ein Ende jedes Stabs stellt einen Verbindungspunkt mit dem primären Ankerbereich 106 bereit und das andere Ende jedes Stabs stellt einen Verbindungspunkt mit dem primären Oszillator in der Ebene 104 bereit. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht von Strukturen entlang Linie A von 1. Die Zeichnung veranschaulicht, dass die Stäbe längliche Elemente sind, so dass die Längendimension in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 und die Höhendimension in der Richtung aus der Ebene OP der Stäbe signifikant größer sind als die Breitendimension der Stäbe in der ersten Richtung in der Ebene IP1. Deshalb biegen sich die Stäbe in der ersten Richtung in der Ebene IP1 ansprechend auf Kräfte elastisch, lenken aber in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 und in der Richtung aus der Ebene OP im Wesentlichen nicht ab. Dementsprechend, wenn der primäre Oszillator in der Ebene betätigt wird, richtet das erste Federsystem 108 die Vibrationsbewegung, so dass dieselbe in der ersten Richtung in der Ebene IP1 in einer Resonanzfrequenz auftritt, die von den strukturellen Parametern des ersten Federsystems abhängt.
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2 veranschaulicht einen idealen Fall, bei dem alle strukturellen Oberflächen absolut geradlinig sind. MEMS-Strukturteile werden jedoch in eine spezifische Waferschicht, die Bauelementschicht, strukturiert und werden aus dieser gelöst, und in der Praxis ermöglichen Ätztechniken keine solche Präzision. Typischerweise tendieren aus der Ebene gerichtete (vertikale) Wände in den Strukturen dazu, mehr oder weniger geneigt zu sein, wobei der Neigungswinkel abhängig von der Position des MEMS-Elements in dem Wafer variiert. 3a und 3b veranschaulichen mögliche geneigte Profile der Stäbe in dem ersten Federsystem 108. Es ist leicht verständlich, dass, selbst wenn die idealen Stäbe in 2 in der Richtung aus der Ebene OP einer Bewegung des primären Oszillators in der Ebene 104 sehr wirksam widerstehen, eine Bewegung des primären Oszillators in der Ebene, die durch die etwas geneigten Strukturen der 3a und 3b ermöglicht wird, ebenfalls eine Komponente in der Richtung aus der Ebene aufweist.
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Das MEMS-Gyroskop umfasst ebenfalls einen sekundären Oszillator in der Ebene 112, der mit dem primären Oszillator in der Ebene 104 verbunden ist. Bei den meisten herkömmlichen Strukturen ist der sekundäre Oszillator in der Ebene starr mit dem primären Oszillator in der Ebene gekoppelt, aber in dieser Struktur ist die Kopplung durch ein Antriebskopplungsfedersystem 114 bereitgestellt. Das Antriebskopplungsfedersystem 114 ist konfiguriert, den sekundären Oszillator in der Ebene 112 mit dem primären Oszillator in der Ebene 104 zu koppeln, so dass sich der sekundäre Oszillator in der Ebene in der ersten Richtung in der Ebene IP1 mit ausgelösten Bewegungen des primären Oszillators in der Ebene bewegt. Ferner weist die Antriebskopplungsfeder in der ersten Richtung in der Ebene eine höhere Festigkeit bzw. Steifigkeit auf als in der Richtung aus der Ebene. Anders ausgedrückt ist die Antriebskopplungsfeder in der ersten Richtung in der Ebene starr und in der Richtung aus der Ebene elastisch. Diese Elastizität der Antriebskopplungsfeder in der Richtung aus der Ebene schließt aus der Ebene gerichtete Bewegungen des primären Oszillators in der Ebene aus, so dass sie nicht auf die Bewegungen des sekundären Oszillators in der Ebene 112 übertragen werden. Dementsprechend, selbst wenn die Oszillation des primären Oszillators in der Ebene 104 nicht genau parallel zu der ersten Richtung in der Ebene wäre und somit eine unbekannte aus der Ebene gerichtete Komponente umfasst, ist die Oszillation des sekundären Oszillators in der Ebene nicht entsprechend falsch ausgerichtet.
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Um durch diese außerhalb der Ebene elastische Verbindung eine potenzielle Instabilität zwischen dem primären Oszillator in der Ebene und dem sekundären Oszillator in der Ebene zu auszuschließen, ist der sekundäre Oszillator in der Ebene an einem oder mehreren sekundären Ankerpunkten 116 an dem Substrat aufgehängt, durch ein sekundäres Federsystem 118, das in der ersten Richtung in der Ebene IP1 elastisch und in anderen Richtungen starr ist. Bei 1 umfasst das zweite Federsystem 118 zwei Federn, von denen sich jede zwischen einem Ankerpunkt 116 und einem Verbindungspunkt zu dem sekundären Oszillator in der Ebene 112 erstreckt. Jede Feder dieses zweiten Federsystems 118 verformt sich ohne Weiteres in der ersten Richtung in der Ebene IP1, ist aber in anderen Richtungen starr. Da jedoch Parameter für die Vibration des primären Oszillators in der Ebene auf Charakteristika des ersten Federsystems 108 basieren, sind das erste Federsystem und das zweite Federsystem so konzipiert, dass das erste Federsystem 108 in der ersten Richtung in der Ebene IP1 eine höhere Festigkeit bzw. Steifigkeit aufweist als das zweite Federsystem 118.
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Das MEMS-Gyroskop umfasst ebenfalls einen Oszillator außerhalb der Ebene120, ein strukturelles Teil, das in die Lage versetzt wird, sich mit der ausgelösten Vibration zu bewegen und durch eine Bewegung in der Richtung aus der Ebene OP auf die Coriolis-Kraft anzusprechen, und somit verwendet werden kann, um die gemessene Winkelgeschwindigkeit anzuzeigen. Dementsprechend ist der Oszillator außerhalb der Ebene 120 mit dem primären Oszillator in der Ebene 104 gekoppelt, so dass derselbe sich in der ersten Richtung in der Ebene IP1 entlang der ausgelösten Vibration bewegt und in die Lage versetzt wird, sich in der Richtung aus der Ebene OP zu bewegen, ansprechend auf die Coriolis-Kraft, die hervorgerufen wird durch Drehung des Körperteils 102 um eine Achse, die parallel zu der zweiten Richtung in der Ebene IP2 ist. Die Kopplung ist durch ein drittes Federsystem 122 implementiert, das den Oszillator außerhalb der Ebene120 an dem zweiten Oszillator in der Ebene 112 aufhängt. Der Oszillator außerhalb der Ebene ist somit ein schwebendes Teil, das heißt, derselbe ist nicht an dem Substrat verankert. Das dritte Federsystem 122 ist eine Richtungsanordnung, die in der Richtung aus der Ebene flexibel und in anderen Richtungen starr ist.
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Die gestrichelte Linie in 1 veranschaulicht ein Teil des Oszillators außerhalb der Ebene, das als eine bewegliche Elektrode 124 zur kapazitiven Erfassung angewendet wird. Dies kann beispielsweise durch Positionieren einer stationären Elektrode, die wie die gestrichelte Linie geformt ist, auf einer Schicht (z. B. einer Abdeckung des MEMS-Gyroskops), gegenüber dem Oszillator außerhalb der Ebene120 angeordnet sein. Eine Winkelbewegung des Gyroskops kann dann durch Messen einer Veränderung der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 124 und der stationären Elektrode bestimmt werden. Andere strukturelle Mechanismen können innerhalb des Schutzbereichs angewendet werden. Beispielsweise können die Elektroden Kammstrukturen umfassen, bei denen sich die Überlappung zwischen Kammfingern gemäß der Bewegung des Oszillators außerhalb der Ebene verändert, die durch die Coriolis-Kraft hervorgerufen wird.
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Wenn eine Detektion auf einem aus der Ebene beweglichen Element oder Elementen basiert, wäre eine lineare Bewegung der detektierten Masse zu bevorzugen, da diese verbesserte Signalpegel fördert und eine Minimierung der Massenstruktur erleichtert. Bei der Struktur von 1 wird Linearität einer Bewegung außerhalb der Ebene verbessert durch Bilden des dritten Federsystems 122 aus zumindest zwei Federstrukturen, die den Oszillator außerhalb der Ebene120 mit den Verbindungspunkten des sekundären Oszillators in der Ebene 112 in zwei entgegengesetzten Seiten des Oszillators außerhalb der Ebene verbinden. Um eine notwendige Stütze für die lineare Bewegung außerhalb der Ebene bereitzustellen, ist der sekundäre Oszillator in der Ebene 112 vorzugsweise eine starre rahmenartige Struktur, die einen ersten Stab, der sich in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 erstreckt, und einen zweiten und dritten Stab umfasst, die sich in der ersten Richtung in der Ebene IP1 von entgegengesetzten Enden des ersten Stabs erstrecken. Der erste Stab stellt eine Stütze für das Antriebskopplungsfedersystem 114 bereit, der zweite Stab stellt zumindest einen Verbindungspunkt für eine erste Feder des dritten Federsystems 122 an einer Seite des Oszillators außerhalb der Ebene 120 bereit, und der dritte Stab stellt zumindest einen Verbindungspunkt für eine zweite Feder des dritten Federsystems 122 an der entgegengesetzten Seite des Oszillators außerhalb der Ebene 120 bereit. Für zusätzliche Festigkeit kann die rahmenartige Struktur ein geschlossener Rahmen sein, der, wie in 2 gezeigt, den Oszillator außerhalb der Ebene120 umgibt.
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Um eine Linearität der Bewegung außerhalb der Ebene weiter zu verbessern, kann das dritte Federsystem 122 so gebildet sein, dass jede der ersten und zweiten Feder des dritten Federsystems 122 zumindest zwei Verbindungspunkte mit dem Oszillator außerhalb der Ebene120 aufweist und diese zwei Verbindungspunkte sich an entgegengesetzten Enden der Seite des Oszillators außerhalb der Ebene 120 befinden, mit dem die Feder verbunden ist. Entsprechend weist jede der ersten und zweiten Feder der dritten Federstruktur 122 zumindest zwei Verbindungspunkte mit dem sekundären Oszillator in der Ebene 112 auf und diese zwei Verbindungspunkte befinden sich an entgegengesetzten Enden der Seite des sekundären Oszillators in der Ebene 112, mit dem die Feder verbunden ist. Wenn die erste und zweite Feder des dritten Federsystems 122 in der ersten Richtung in der Ebene starr sind und an entgegengesetzten Seiten des Oszillators außerhalb der Ebene 120 positioniert sind, sind störende Neigungsmodi des Oszillators außerhalb der Ebene 120 effektiv ausgeschlossen.
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4a bis 4c veranschaulichen verschiedene Arten von Federstrukturen, die als Antriebskopplungsfeder 114 von 1 anwendbar sind. 4a zeigt eine Antriebskopplungsfeder, die als eine Balkenfeder implementiert ist. Die Balkenfeder ist derart ausgerichtet, dass die Längsachse der Balkenfeder parallel zu der ersten Richtung in der Ebene IP1 ist. Die Federstruktur von 4a stellt eine große Federkonstante bereit und ist somit in der ersten Richtung in der Ebene sehr starr. Dies bedeutet, dass die Amplitude des primären Oszillators in der Ebene und die Amplitude des sekundären Oszillators in der Ebene praktisch identisch sind. Ein geeignetes Entkoppeln der Federkonstante in der Richtung aus der Ebene kann durch typische Dicken von Bauelementschichten erzielt werden, die in MEMS-Entwürfen angewendet werden.
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4b zeigt eine Antriebskopplungsfeder, die als eine schlangenförmige geknickte Balkenfeder implementiert ist, auch bekannt als eine mäandernde Feder. Die mäandernde Feder weist eine Mehrzahl von senkrechten Federteilabschnitten auf, die sich in der zweiten Richtung in der Ebene erstrecken und durch parallele Federteilabschnitte verbunden sind, die sich in der ersten Richtung in der Ebene erstrecken. Die Federstruktur von 4b kann konzipiert sein, um in der Richtung aus der Ebene elastischer zu sein als die Balkenfeder von 4a, ohne eine Festigkeit der Federstruktur in der ersten Richtung in der Ebene übermäßig zu beeinträchtigen.
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4c zeigt eine geknickte Balkenfederstruktur, die einen mittleren Balkenabschnitt 400 aufweist, der sich von dem primären Oszillator in der Ebene parallel zu der ersten Achse in der Ebene IP1 erstreckt. Der mittlere Balken 400 verzweigt sich in zwei Verzweigungsabschnitte 402, 404. Ein Verzweigungsabschnitt 402 umfasst fünf Verzweigungsteilabschnitte 402-1, 402-2, 402-3, 402-4, 402-5. Ein erster Verzweigungsteilabschnitt 402-1 erstreckt sich in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 weg von dem mittleren Balkenabschnitt 400. Ein zweiter Verzweigungsteilabschnitt 402-2 erstreckt sich in der ersten Richtung in der Ebene IP1 weg von dem ersten Verzweigungsteilabschnitt 402-1 und hin zu dem primären Oszillator in der Ebene. Ein dritter Verzweigungsteilabschnitt 402-3 erstreckt sich in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 weg von dem zweiten Verzweigungsteilabschnitt 402-2 und weg von dem mittleren Balkenabschnitt 400. Ein vierter Verzweigungsteilabschnitt 402-4 erstreckt sich in der ersten Richtung in der Ebene IP1 weg von dem dritten Verzweigungsteilabschnitt 402-3 und hin zu dem sekundären Oszillator in der Ebene. Ein fünfter Verzweigungsteilabschnitt 402-5 erstreckt sich in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 weg von dem vierten Verzweigungsteilabschnitt 402-4 hin zu dem mittleren Balken 400.
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Ein Verzweigungsabschnitt 404 umfasst ähnliche Verzweigungsteilabschnitte, aber als ein Spiegelbild hinsichtlich des mittleren Balkens, so dass die ersten Verzweigungsteilabschnitte 402-1, 404-1 des ersten und zweiten Verzweigungsabschnitts 402, 404 sich in entgegengesetzten Richtungen weg von dem mittleren Balkenabschnitt 400 erstrecken. Die fünften Verzweigungsteilabschnitte 402-5, 404-5 des ersten und zweiten Verzweigungsabschnitts 402, 404 fügen sich zwischen dem mittleren Balkenabschnitt 400 und dem sekundären Oszillator in der Ebene zusammen, um einen zusammengefügten Abschnitt 406 zu bilden. Der zusammengefügte Abschnitt erstreckt sich koaxial mit der Längsachse des mittleren Balkenabschnitts 400 und verbindet sich mit dem sekundären Oszillator in der Ebene.
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Die Form der Federstruktur von 4c minimiert in der Richtung aus der Ebene die Federkonstante der zweiten Federstruktur, ermöglicht aber dennoch, in der ersten Richtung in der Ebene eine angemessene Festigkeit aufrechtzuerhalten.
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5a und 5b veranschaulichen ein weiteres Beispiel einer Struktur eines MEMS-Gyroskops. Bei diesem Beispiel umfasst das MEMS-Gyroskop zwei Gyroskopteile 500, 520, die sich in der Ebene, anders ausgedrückt parallel zu der virtuellen Ebene, erstrecken und Spiegelbilder voneinander sind. Die Gyroskopteile 500, 520 können dann in Gegenphase in eine primäre Oszillation angetrieben werden, so dass bei Vorliegen einer Coriolis-Kraft die Oszillatoren außerhalb der Ebene sich in der Richtung aus der Ebene OP in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Oszillatoren außerhalb der Ebene sind miteinander gekoppelt durch einen Balken, der an dem Körperteil aufgehängt ist, so dass derselbe sich in einer schaukelartigen Art und Weise zwischen den Gyroskopteilen drehen kann. Die Ausbildung stellt eine ausgeglichene, symmetrische Struktur bereit, die eine differenzielle Detektion ermöglicht, und bei der eine mögliche aus der Ebene gerichtete Fehlausrichtung von den ersten Federsystemen effektiv ausgeschlossen ist.
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5a zeigt eine Draufsicht einer beispielhaften Struktur, bei der ein erstes Gyroskopteil 500 einen ersten primären Oszillator in der Ebene 501, einen ersten sekundären Oszillator in der Ebene 502 und einen ersten Oszillator außerhalb der Ebene 503 umfasst. Ein zweites Gyroskopteil 520 umfasst einen zweiten primären Oszillator in der Ebene 521, einen zweiten sekundären Oszillator in der Ebene 522 und einen zweiten Oszillator außerhalb der Ebene 523. Eine nähere Beschreibung der Oszillatorelemente kann der Beschreibung von 1 entnommen werden.
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Wie bei 1 beschrieben, sind die primären Oszillatoren in der Ebene 501, 521 mit den ersten Federsystemen 504, 524 an dem Körperteil 540 aufgehängt. Sekundäre Oszillatoren in der Ebene 502, 522 sind mit den zweiten Federsystemen 505, 525 an dem Körperteil 540 aufgehängt. Die Oszillatoren außerhalb der Ebene 503, 523 sind mit den dritten Federsystemen 506, 526 an deren jeweiligen sekundären Oszillatoren in der Ebene 502, 522 aufgehängt. Da die Richtungsausrichtung des ersten, zweiten und dritten Federsystems wie bei 1 beschrieben sind, sind das erste und zweite Gyroskopteil 500, 520 an dem Körperteil aufgehängt, so dass die primäre Oszillation bei jedem Gyroskopteil parallel zu der ersten Richtung in der Ebene IP1 auftritt. Außerdem sind das erste Gyroskopteil 500 und das zweite Gyroskopteil 520 hinsichtlich einer Achse 530 spiegelsymmetrisch, die sich in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 erstreckt.
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Der erste Oszillator außerhalb der Ebene 503 und der zweite Oszillator außerhalb der Ebene 523 sind mit einem Balken 550 verbunden, der Bewegungen der Oszillatoren außerhalb der Ebene miteinander koppelt. Der Balken 550 ist an dem Körperteil 540 durch einen oder mehrere Anker 551 und ein viertes Federsystem 552 derart aufgehängt, dass sich der Balken 550 in einer schaukelartigen Bewegung um die Achse 530 drehen kann. Der erste Oszillator außerhalb der Ebene 503 und der zweite Oszillator außerhalb der Ebene 523 sprechen auf die gleiche erfahrene Winkelbewegung an, aber mit entgegengesetzter erfasster Bewegung. Die erfassten Signale von diesen zwei Oszillatoren außerhalb der Ebene können differenziell verarbeitet werden, so dass übliche Fehlerfaktoren, wie weitere Beschleunigungen oder temperaturbezogene Verformungen der Strukturen, weitgehend aufgehoben werden.
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Die Antriebsschaltungsanordnung (nicht gezeigt) kann nun konfiguriert werden, um in Gegenphase eine Oszillation des ersten primären Oszillators in der Ebene 501 und des zweiten primären Oszillators in der Ebene 521 auszulösen. Das bedeutet, dass, wenn sich der erste primäre Oszillator in der Ebene 501 in der positiven ersten Richtung in der Ebene IP1+ bewegt, sich der zweite primäre Oszillator in der Ebene 521 in der negativen ersten Richtung in der Ebene -IP1 bewegt, und umgekehrt. Dementsprechend, wenn das Gyroskop in der zweiten Richtung in der Ebene IP2 in eine Winkelbewegung um eine Achse gebracht wird, bewirkt die Coriolis-Kraft, dass sich der erste Oszillator außerhalb der Ebene 503 und der zweite Oszillator außerhalb der Ebene 523 in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Dies führt zu einer schaukelartigen Bewegung des Balkens 550. Die starke Kopplung durch den Schaukelbalken 550 hebt Effekte von möglichen herstellungsbezogenen Fehlern auf und stellt sicher, dass beide Oszillatoren außerhalb der Ebene mit derselben Amplitude oszillieren.
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5b zeigt eine vereinfachte Seitenansicht der Beispielstruktur von 5a in einer Situation, bei der eine Winkelgeschwindigkeit um eine Achse, die parallel zu der zweiten Richtung in der Ebene IP2 ist, detektiert wird. Die primären Oszillatoren in der Ebene 501, 521 und die sekundären Oszillatoren in der Ebene 502, 522 und die Oszillatoren außerhalb der Ebene 503, 523 sind in der ersten Richtung in der Ebene IP1 in der angetriebenen primären Bewegung, bewegen sich aber in Gegenphase.
