DE602004006205T2 - Mikrohergestellte kreisel mit doppelter Stimmgabel - Google Patents

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733Structural details or topology
    • G01C19/574Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames

Description

  • Die Erfindung betrifft die für die Messung von Winkelgeschwindigkeiten bestimmten Trägheitssensoren oder Gyrometer, und genauer die Gyrometer, die gemäß Ätzungstechnologien, Beschichtungen, Dotierungen usw. mikrobearbeitet werden ähnlich denjenigen, die auf dem Gebiet der elektronischen integrierten Schaltungen verwendet werden.
  • Es sind bereits solche mikrobearbeiteten Trägheitssensoren bekannt, die auf einer Silicium- oder Quarzplatte hergestellt werden. Die Struktur ist eben in der Ebene der Silicium- oder Quarzplatte, in die sie geätzt wird.
  • Es wurden bereits Strukturen mit zwei vibrierenden Massen hergestellt, die mechanisch nach Art einer Stimmgabel gekoppelt sind. Die Struktur eines so hergestellten Gyrometers weist typischerweise zwei in Vibration angeregte und wie eine Stimmgabel verbundene bewegliche Massen auf, d.h. dass die zwei Massen mit einer zentralen Kopplungsstruktur verbunden sind, die die Vibrationsenergie der ersten Masse auf die zweite überträgt und umgekehrt.
  • Die Massen werden von einer elektrischen Anregungsstruktur in der Ebene der Platte in Vibration angeregt. Diese Vibration in der Ebene der Platte erfolgt lotrecht zu einer so genannten "empfindlichen Achse" des Gyrometers, die lotrecht zur Richtung dieser Vibration liegt. Wenn das Gyrometer mit einer gewissen Winkelgeschwindigkeit um seine empfindliche Achse dreht, erzeugt die Zusammensetzung der erzwungenen Vibration mit dem Winkeldrehungsvektor durch Coriolis-Effekt Kräfte, die die beweglichen Massen in natürliche Vibration lotrecht zur Anregungsvibration und zur Drehachse versetzen; die Amplitude dieser natürlichen Vibration ist proportional zur Drehgeschwindigkeit.
  • Die natürliche Vibration wird von einer elektrischen Erfassungsstruktur erfasst. Die daraus resultierenden elektrischen Signale werden ausgewertet, um daraus einen Wert der Winkelgeschwindigkeit um die empfindliche Achse abzuleiten.
  • In manchen Fällen befindet sich die empfindliche Achse in der Ebene der Platte, und die Erfassungsstruktur erfasst eine Bewegung lotrecht zur Ebene der beweglichen Massen. In anderen Fällen ist die empfindliche Achse des Gyrometers die Achse Oz lotrecht zur Ebene der Platte. Die Anregungsbewegung der beweglichen Massen wird in einer Richtung Ox der Ebene erzeugt, während eine aus der coriolis-Kraft resultierende Bewegung in einer Richtung Oy der gleichen Ebene, lotrecht zur Ox, erfasst wird.
  • Die Massen können gemäß zwei orthogonalen Vibrationsmodi vibrieren, dem auch primärer Modus genannten Anregungsmodus und dem auch sekundärer Modus genannten Erfassungsmodus.
  • Der Aufbau als Stimmgabel hat einen Nachteil: Der sekundäre Modus ist nicht dynamisch ausgeglichen. Daher überträgt dieser Modus ein Moment auf den Träger der Stimmgabel, was diesen Modus für die Bedingungen der Befestigung am Träger und für die vom Träger übertragenen äußeren Störungen empfindlich macht.
  • Um diesem Problem abzuhelfen, besteht eine Lösung darin, den sekundären Modus zu isolieren, indem eine Struktur mit doppelter Stimmgabel verwendet wird, wie in 1 dargestellt. Im primären Modus vibrieren die zwei Stimmgabeln gegenläufig, d.h., wenn die zwei Schenkel einer Stimmgabel "eingehend" sind, sind die zwei anderen "ausgehend". Wenn das Gyrometer um die Achse des Fußes der doppelten Stimmgabel dreht, haben die auf jedem der Schenkel erzeugten coriolis-Kräfte ein resultierendes Moment Null und übertragen also keine Kraft auf den Fuß der doppelten Stimmgabel: Der sekundäre Modus, dessen Bewegung in 1 angezeigt ist, ist dann wenig empfindlich für die äußeren Störungen für und die Befestigungsbedingungen am Träger. Eine solche Struktur ist in dem Patent EP 0 578 519 beschrieben.
  • Diese Struktur mit doppelter Gabel hat den Nachteil, dreidimensional zu sein; sie kann nur durch übliche Techniken und nicht durch kollektive Techniken der Mikrobearbeitung hergestellt werden, was ihre Herstellung teuer macht.
  • Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Gyrometer-Struktur mit doppelter Stimmgabel von weniger teurer Herstellung anzubieten. Ein weiteres Ziel ist es, eine Struktur anzubieten, die ebenfalls eine Drehungsmessung mit einer sehr guten Empfindlichkeit, eine sehr gute Linearität und minimale Störungen aufgrund der Anregungsbewegung oder anderer Wirkungen ermöglicht.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, schlägt die Erfindung ein Gyrometer mit vibrierender Struktur vor, das durch Mikrobearbeitung in einer dünnen ebenen Platte hergestellt wird, hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass es vier bewegliche Einheiten aufweist, die an den Eckpunkten eines virtuellen Rechtecks angeordnet sind, wobei jede bewegliche Einheit von einer Kopplungsstruktur mit zwei beweglichen Einheiten gekoppelt wird, die sich an benachbarten Eckpunkten befinden, um einen Transfer mechanischer Vibrationsenergie zwischen ihnen zu ermöglichen, wobei jede bewegliche Einheit ein mit der Kopplungsstruktur verbundenes erstes bewegliches Trägheitselement, das dazu bestimmt ist, gemäß zwei orthogonalen Richtungen in der Ebene der Platte zu vibrieren, nämlich einer ersten, so genannten Anregungsrichtung und einer zweiten, so genannten Erfassungsrichtung, und ein zweites bewegliches Element aufweist, das dazu bestimmt ist, gemäß der Erfassungsrichtung zu vibrieren, ohne eine Bewegung des zweiten Elements gemäß der Anregungsrichtung zu erlauben, und einerseits mit dem ersten beweglichen Element und andererseits mit Verankerungszonen über Verbindungsmittel verbunden ist, die die Übertragung der Vibrationsbewegung des ersten beweglichen Elements gemäß der Erfassungsrichtung auf das zweite bewegliche Element erlauben.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist das erste bewegliche Element ein vorzugsweise rechteckiger Rahmen, der das zweite bewegliche Element umgibt, das durch die Bezeichnung Erfassungsmasse bezeichnet ist.
  • Die Erfassungsmasse ist vorteilhafterweise mit dem Rahmen über mindestens zwei erste schmale und längliche Biegearme verbunden, die eine große Festigkeit gegenüber der Längung in der Erfassungsrichtung und eine geringe Steifigkeit in der Anregungsrichtung aufweisen, und die Erfassungsmasse ist mit mindestens einer Verankerungszone über mindestens zwei zweite schmale und längliche Biegearme verbunden, die eine große Festigkeit gegenüber der Längung in der Anregungsrichtung und eine geringe Steifigkeit in der Erfassungsrichtung aufweisen.
  • Die Seiten des Rechtecks sind vorzugsweise parallel zu Ox bzw. Oy.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist das Gyrometer eine Symmetrieachse A3 auf, die sich in der Ebene der Platte und gemäß Oy befindet, so dass die Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A3 befinden, bezüglich der Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A3 befinden.
  • Desgleichen weist es eine Symmetrieachse A4 auf, die sich in der Ebene der Platte und gemäß Ox befindet, so dass die Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A4 befinden, bezüglich der Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A4 befinden.
  • Das Rechteck kann ein Quadrat sein, dessen Diagonalen parallel zu Ox bzw. Oy sind.
  • Die beweglichen Einheiten sind dann so angeordnet, dass die Anregungsrichtung für zwei erste Elemente, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox befinden, parallel zu Ox ist, und für die zwei ersten Elemente, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy befinden, parallel zu Oy ist, oder sind um 90° geschwenkt.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist das Gyrometer eine Symmetrieachse A3 auf, die sich in der Ebene der Platte befindet und mit einem Winkel von ± 45° bezüglich Ox ausgerichtet ist, so dass die Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A3 befinden, bezüglich der Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A3 befinden.
  • Desgleichen weist es eine Symmetrieachse A4 auf, die sich in der Ebene der Platte befindet und mit einem Winkel von ± 45° bezüglich Ox ausgerichtet ist, so dass die Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A4 befinden, bezüglich der Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A4 befinden.
  • Das Patent US 6 134 961 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit, und genauer ein Gyrometer mit vibrierender Struktur, das durch Mikrobearbeitung in einer ebenen dünnen Platte hergestellt wird. Ein erstes bewegliches Element, das mit der Kopplungsstruktur verbunden ist, ist dazu bestimmt, in einer einzigen, so genannten Anregungsrichtung zu vibrieren. Ein zweites bewegliches Element vibriert in beide Richtungen; es ist nicht mit Verankerungszonen verbunden, sondern mit dem ersten beweglichen Element über Verbindungsmittel verbunden, die die Übertragung der Anregungsbewegung vom ersten beweglichen Element ermöglichen und die Erfassungsbewegung erlauben.
  • Die Patentanmeldung US 2002/0046602 betrifft mikrobearbeitete Gyroskope, die zwei koplanare Körper aufweisen, die mit einem Substrat verbunden und in ihrer jeweiligen Ebene bezüglich des Substrats beweglich sind.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
  • die bereits beschriebene 1 schematisch eine dreidimensionale Struktur mit doppelter Stimmgabel, die eine doppelte Gabel aufweist,
  • die 2a und 2b schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyrometers, dessen bewegliche Einheiten an den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sind, wobei der Anregungsmodus bzw. der Erfassungsmodus in den 2a bzw. 2b dargestellt sind,
  • 3 schematisch im Detail eine Trägheitseinheit,
  • die 4, 5 und 6 schematisch verschiedene Versteifungselemente, die mit den Trägheitseinheiten eines Mikro-Gyrometers gemäß der ersten Ausführungsform verbunden sind,
  • die 7a und 7b schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyrometers, dessen bewegliche Einheiten an den Eckpunkten eines Quadrats angeordnet sind und eine erste Ausrichtung aufweisen, und wobei die Modi der Anregung und der Erfassung in den 7a bzw. 7b dargestellt sind,
  • die 8a und 8b schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gyrometers, dessen bewegliche Einheiten an den Eckpunkten eines Quadrats angeordnet sind und eine zweite Ausrichtung aufweisen, wobei die Modi der Anregung und der Erfassung in den 8a bzw. 8b dargestellt sind,
  • die 9, 10 und 11 schematisch verschiedene Versteifungselemente, die mit den Trägheitseinheiten eines Mikro-Gyrometers gemäß der zweiten Ausführungsform verbunden sind,
  • 12 schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Gyrometers, dessen bewegliche Einheiten an den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet sind.
  • Eine dünne ebene Platte aus Silicium wird erfindungsgemäß bearbeitet, um ein Gyrometer zu bilden, dessen empfindliche Achse lotrecht zur Ebene der Platte ist.
  • Das Silicium wird als bevorzugtes Material gewählt, einerseits wegen seiner mechanischen Eigenschaften und andererseits wegen seiner hohen Leitfähigkeit, wenn es ausreichend mit einer geeigneten Verunreinigung (im Allgemeinen Bor für Silicium vom Typ P) dotiert ist. Das leitende Silicium ermöglicht es, die elektrischen Funktionen des Gyrometers und insbesondere die Funktionen der Anregung und die Funktionen der Erfassung zu realisieren; diese Funktionen werden von ineinandergreifenden kapazitiven Kämmen durchgeführt, die mit elektrischem Strom oder elektrischer Spannung gespeist werden; die Zinken dieser Kämme, die direkt im leitenden Silicium hergestellt werden, dienen als Kondensatorbeläge, die für die Funktionen der Anregung und die Funktionen der Erfassung nützlich sind.
  • Die Dicke der ursprünglichen Siliciumplatte beträgt zum Beispiel einige Hundert Mikrometer; die Platte weist einerseits feste Verankerungszonen, die in dieser Dicke geformt sind, und andererseits die eigentliche vibrierende Struktur auf, die bezüglich der Verankerungszonen frei und auf einer geringeren Dicke hergestellt ist, zum Beispiel auf einer Dicke von etwa sechzig Mikrometer, isoliert vom Rest der Dicke der Platte durch einen schmalen Zwischenraum. In dieser Dicke von etwa sechzig Mikrometern wird die Siliciumplatte durch Mikrobearbeitung gemäß den gewünschten Mustern der Erfassungsmasse, des beweglichen Rahmens, der Kopplungsstruktur, der Biegearme und der ineinandergreifenden Kämme ausgeschnitten.
  • Die Bearbeitung der Struktur kann durchgeführt werden, indem als Ursprungssubstrat ein Siliciumsubstrat auf einem Isolator verwendet wird, aber andere Methoden sind ebenfalls möglich. Ein Siliciumsubstrat auf einem Isolator besteht aus einem Siliciumsubstrat mit einer Dicke von einigen Hundert Mikrometern, das auf seiner Vorderseite eine dünne Schicht von Siliciumoxid trägt, die selbst mit einer Schicht aus monokristallinem Silicium einer Dicke von einigen zehn Mikrometern bedeckt ist. Die Bearbeitung besteht darin, das Silicium des Substrats über seine Vorderseite gemäß den gewünschten Oberflächenmustern mittels in der Mikroelektronik üblichen Techniken des Photoätzens bis zum Erreichen der Oxidschicht mit einem selektiven Ätzprodukt zu ätzen, das das Silizium ätzt, ohne das Oxid signifikant zu ätzen. Man beendet das Ätzen, wenn die Oxidschicht blankgelegt ist. Diese Oxidschicht wird anschließend durch selektives Ätzen mit einem anderen Produkt entfernt, um nur die Oberflächenschicht aus monokristallinem Silicium zu behalten, außer an der Stelle der Verankerungszonen, wo die Oxidschicht bestehen bleibt und eine feste Verbindung zwischen dem Substrat und der Oberflächenschicht aus monokristallinem Silicium formt. Die Bearbeitung über die Vorderseite definiert die verschiedenen Ausschnitte der beweglichen Teile. Es sind also diese Oberflächenmuster, Verankerungszonen und Ausschnitte der beweglichen Teile, die man in den Figuren sieht.
  • Die allgemeine Struktur des Gyrometers ist eine Struktur vom Typ doppelte Stimmgabel, d.h. eine symmetrische Struktur mit vier beweglichen Trägheitseinheiten, die paarweise in Gegenphase vibrieren, wobei diese beweglichen Einheiten miteinander über eine Kopplungsstruktur verbunden sind, die dazu dient, die mechanischen Vibrationsenergien der vier Einheiten ohne Verluste von einer Einheit zur anderen zu übertragen. Die Trägheitseinheiten befinden sich an den Eckpunkten eines virtuellen Rechtecks, das ein Quadrat sein kann. Die Symmetrie der Struktur ist eine Symmetrie bezüglich einer Achse A1 und bezüglich einer Achse A2, die sich in der Ebene der Platte befinden, wobei A2 lotrecht zu A1 liegt, mit in den beiden Fällen zwei beweglichen Einheiten auf jeder Seite der Achse.
  • Außerdem weist jeder Vibrationsmodus eine Symmetrieachse auf: eine Achse A3 für den Anregungsmodus und eine Achse A4 für den Erfassungsmodus, die sich in der Ebene der Platte befinden, und derart, dass zwei bewegliche Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A3 bzw. A4 befinden, symmetrisch bezüglich der zwei anderen beweglichen Einheiten vibrieren, die sich auf der anderen Seite dieser Achse befinden. Wie man nachfolgend sehen wird, können diese Achsen A3 und A4 mit A1 oder A2 zusammenfallen.
  • Jede Trägheitseinheit weist als erstes bewegliches Element einen Trägheitsrahmen und als zweites bewegliches Element eine zentrale bewegliche Trägheitsmasse auf, die vom Rahmen umgeben wird.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Trägheitseinheiten 1a, 1b, 1c, 1d an den Eckpunkten eines virtuellen Rechtecks 200 angeordnet, dessen Seiten parallel zu Ox bzw. Oy sind, wie in den 2a und 2b dargestellt ist. Die Achsen A1 und A2 sind in diesen Figuren angezeigt.
  • Nachfolgend werden die den Bezugszeichen zugeordneten Indices a, b, c oder d dann verwendet, wenn es nützlich ist, die Position der mit Bezugszeichen versehenen Elemente bezüglich des virtuellen Rechtecks 200 zu präzisieren.
  • Die vier Trägheitseinheiten weisen die gleiche Struktur auf, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist.
  • Nun wird im Einzelnen eine Trägheitseinheit 1 in Verbindung mit 3 beschrieben; bestimmte Elemente sind nur in dieser Figur dargestellt, um die anderen nicht zu überladen.
  • Die auch als Erfassungsmasse bezeichnete bewegliche Trägheitsmasse 30 kann sich nur in einer Erfassungsrichtung verschieben, zum Beispiel Oy (senkrechte Achse in der Figurenebene); der Trägheitsrahmen 50 kann sich gemäß der Achse Oy und gemäß einer Achse Ox lotrecht zu Oy verschieben, die sich ebenfalls in der Ebene der Figur befindet. Die empfindliche Achse des Gyrometers ist eine Achse Oz lotrecht zur Ebene der Platte. Man regt eine Vibration des Trägheitsrahmens 50 in der Richtung Ox an; wenn das Gyrometer um seine empfindliche Achse Oz dreht, wird eine Vibration des Rahmens gemäß der Achse Oy erzeugt. Diese Vibration gemäß Oy wird auf die Masse 30 übertragen, während die Vibration gemäß Ox nicht übertragen wird. Wie man sehen wird, ist eine Vibrationsanregungsstruktur dem Rahmen 50 zugeordnet, und eine Vibrationserfassungsstruktur ist der Erfassungsträgheitsmasse 30 zugeordnet. Die Kopplungsstruktur (in 3 nicht dargestellt) überträgt die mechanische Vibrationsenergie der beweglichen Trägheitseinheit von einer Seite der Achse A3 und der Achse A4 zur anderen sowohl für die Vibrationen parallel zu Ox als auch für die Vibrationen parallel zu Oy, da diese Kopplungsstruktur direkt mit den Rahmen der vier Trägheitseinheiten 1a, 1b, 1c, 1d verbunden ist, die gleichzeitig in Richtungen parallel zu Ox und zu Oy vibrieren können.
  • Unabhängig davon, ob es sich um den Anregungsmodus oder den Erfassungsmodus handelt, ist schließlich jeder Rahmen 50 dazu bestimmt, in Gegenphase zu den Rahmen 50 der Einheiten zu vibrieren, die sich an den zwei benachbarten Eckpunkten des Rechtecks befinden, wie in 2a für den Anregungsmodus dargestellt ist. Im Erfassungsmodus ist jede Erfassungsmasse 30 dazu bestimmt, in Gegenphase zu den Massen 30 der Einheiten zu vibrieren, die sich an den benachbarten Eckpunkten des Rechtecks befinden, wie in 2b dargestellt.
  • Bezüglich der Vibrationen selbst fällt die in 2a dargestellte Symmetrieachse A3 (bezüglich des Anregungsmodus) mit A1 zusammen, und die in 2b dargestellte Symmetrieachse A4 (bezüglich des Erfassungsmodus) fällt mit A2 zusammen. Außerdem ist die Achse der Vibrationen lotrecht zu den Achsen A3 oder A4. So ist die Resultierende der auf den Träger übertragenen Kräfte Null, was zu einer guten Isolierung des sekundären Modus führt.
  • Wie man in 3 sieht, ist die Erfassungsmasse 30 mit festen Verankerungszonen über mindestens zwei Biegearme verbunden, die konzipiert sind, um eine Verschiebung der Masse gemäß Oy zu erlauben, aber jede signifikante Bewegung der Masse in der Richtung Ox zu verhindern. Diese Arme befinden sich vorzugsweise zu beiden Seiten einer Symmetrieachse 32 der Masse parallel zu Ox. Es gibt dann zwei Verankerungszonen 34 und 36 zu beiden Seiten der Erfassungsmasse symmetrisch bezüglich dieser Symmetrieachse 32. Außerdem befinden diese Zonen sich vorzugsweise auf einer anderen Symmetrieachse 38 der Masse, einer Achse, die parallel zu Oy ist. Die Biegearme, die die Masse 30 mit den Zonen 34 und 36 verbinden, sind Arme, die sich in der Richtung Ox erstrecken, um eine große Steifheit (große Festigkeit gegenüber der Längung) in dieser Richtung aufzuweisen. Sie sind außerdem sehr schmal bezüglich ihrer Länge, um eine geringe Steifheit in der Richtung Oy lotrecht zu Ox zu haben; diese geringe Steifheit erlaubt eine Verschiebung der Masse gemäß Oy.
  • Um sowohl eine große Steifheit oder Längungsfestigkeit in einer Richtung als auch eine geringe Steifheit in der Richtung lotrecht in der gleichen Ebene zu erhalten, genügt es, dass die Arme eine globale Länge aufweisen, die mindestens fünfmal so groß ist wie ihre Breite. Es handelt sich hier um relative Steifheiten, da die absolute Steifheit natürlich von den absoluten Abmessungen der Arme abhängt.
  • Es gibt vorzugsweise eher vier Biegearme als zwei, wobei die Masse mit der Verankerungszone 34 über zwei Arme 40 und 42 in gegenseitiger Verlängerung zu beiden Seiten der Zone 34 verbunden ist; die Masse ist außerdem mit der zweiten Verankerungszone 36 über zwei Arme 44 und 46 in der gegenseitigen Verlängerung zu beiden Seiten der Zone 36 verbunden.
  • Wie man in 3 sieht, führt man in der Praxis, um in der Richtung Oy Raum zu gewinnen, ohne die Abmessung der Masse in dieser Richtung signifikant zu verringern, einen Schnitt in der Masse um die Verankerungszone herum durch; um die Biegsamkeit der Biegearme in der Richtung Oy zu maximieren, indem das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite dieser Arme erhöht wird, verbindet man jeden Arm einerseits in der Nähe einer Endecke der Masse (die Masse hat eine im Prinzip allgemein rechteckige Form) und andererseits mit der Verankerungszone, die sich auf der Symmetrieachse 38 befindet. Es ist anzumerken, dass man auch in Betracht ziehen könnte, den Armen 40, 42, 44, 46 eine umgebogene Form mit zwei in der Richtung Oy liegenden Schenkeln geben könnte, wobei die Arme dann an der Masse näher an der zentralen Verankerungszone befestigt sind. Es ist auch anzumerken, dass man anstelle einer zentralen Verankerungszone, die sich in der Mitte einer Seite der Erfassungsmasse befindet, zwei Verankerungszonen haben könnte, die sich eher in der Nähe der Endecken der Masse zu beiden Seiten der Achse 38 befinden.
  • Der bewegliche Rahmen 50 umgibt vorzugsweise die Masse 30 vollständig. Die Masse 30 ist mit dem Rahmen 50 über mindestens zwei Biegearme verbunden, die die Besonderheit haben, eine sehr große Steifheit (sehr große Längungsfestigkeit) in der Richtung Oy und eine geringe Steifheit in der Richtung Ox aufzuweisen. Diese Arme erstrecken sich in der Richtung Oy und haben eine geringe Breite im Vergleich mit ihrer Länge, um diese Steifheitsdifferenz aufzuweisen.
  • Es gibt vorzugsweise vier Biegearme dieses Typs zwischen der Masse 30 und dem Rahmen 50, wobei die Arme sich in der Praxis je an einer Ecke der Erfassungsmasse befinden, wenn sie eine allgemein rechteckige Form hat. Sie sind symmetrisch einerseits bezüglich der Symmetrieachse 32 der Masse (Achse parallel zu Ox) und andererseits bezüglich der Symmetrieachse 38 (parallel zu Oy) angeordnet.
  • Diese Arme sind mit den Bezugszeichen 52, 54, 56, 58 versehen. Sie haben vorzugsweise eine U-förmig umgebogene Form, um ihre Längsabmessung zu halbieren, ohne ihre Nutzlänge signifikant zu reduzieren, also ohne das hohe Verhältnis zwischen ihrer Steifheit gemäß Oy und ihrer Steifheit gemäß Ox signifikant zu verringern. Die zwei umgebogenen Arme des U liegen parallel zu Oy und sind miteinander über ein kurzes Verbindungselement verbunden. Die Arme 52 bis 58 könnten aber nicht umgebogen sein und sich vollständig in der Richtung Oy zwischen dem Rahmen und der Masse erstrecken. Das Umbiegen ermöglicht es, Platz zu sparen, ohne die gewünschten mechanischen Eigenschaften signifikant zu verändern.
  • Wenn die Arme wie in 3 umgebogen sind, sollte vorzugsweise außerdem das kurze Verbindungselement (das die zwei Zweige des U verbindet) eines ersten Arms 52 mit dem entsprechenden kurzen Element des Arms 54 verbunden werden, der bezüglich der Achse 38 symmetrisch zum Arm 52 ist. Ein Querträger 60 ist zu diesem Zweck parallel zu Ox vorgesehen, um den Boden des U des Verbindungsarms 52 mit dem Boden des U des Biegearms 54 zu verbinden, wobei die Arme 52 und 54 bezüglich der Achse 38 symmetrisch sind. Ein gleicher Querträger 62 symmetrisch zum Querträger 60 bezüglich der Achse 32 verbindet die symmetrischen Elemente 56 und 58. Diese Querträger 60 und 62 parallel zu Ox verstärken die Übertragungssymmetrie einer Bewegung gemäß Oy, die vom beweglichen Rahmen 50 der Masse 30 auferlegt wird. Sie sind nicht vorhanden, wenn die Arme 52, 54, 56, 58 keine umgebogene Form haben, da in diesem Fall die Enden der Arme 52 und 54 bereits steif vom Rahmen 50 selbst verbunden würden.
  • Wie man in 3 sieht, wird die in Form eines liegenden U umgebogene Form der Biegearme zwischen dem beweglichen Rahmen 50 und der Erfassungsmasse 30 durch Ausschnitte im beweglichen Rahmen und in der Erfassungsmasse erhalten, aber allgemein gehen die Biegearme in etwa von einer inneren Ecke des Rahmens zu einer gegenüber liegenden Ecke der Masse, selbst wenn der effektive Befestigungspunkt des Arms am Rahmen oder an der Masse nicht genau von dieser Ecke ausgeht. Man kann annehmen, dass die Masse global über ihre vier Ecken am beweglichen Rahmen aufgehängt ist.
  • Der Rahmen 50 wird gemäß Ox durch eine erste Struktur in Form eines ineinandergreifenden Kamms 70 in Vibration angeregt, die einen festen Halbkamm 72, der an einer Verankerungszone 74 befestigt ist, und einen beweglichen Halbkamm 76 aufweist, der entlang einer ersten Seite (parallel zu Oy) des Rahmens 50 gebildet ist. Die Zinken oder Finger des festen Halbkamms 72 aus leitendem Silicium, der zur gleichen Zeit bearbeitet wird wie die anderen Elemente des Gyrometers, bilden den ersten Belag eines Kondensators, und die Zinken oder Finger des beweglichen Halbkamms 76 ebenfalls aus leitendem Silicium bilden den zweiten Belag dieses Kondensators. Üblicherweise wirkt die kammförmige Struktur als Erreger der Bewegung des beweglichen Teils aufgrund der Anziehungskräfte, die zwischen den einander gegenüberliegenden Fingern ausgeübt werden, wenn eine Spannung zwischen die Halbkämme angelegt wird. Die Anregungsspannung ist eine Wechselspannung, um eine Vibrationsbewegung zu erzeugen, und die Frequenz dieser Spannung wird sehr nahe oder gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Struktur gewählt. Die Anregungsspannung wird zwischen der Verankerungszone 74 und der einen und/oder anderen der Verankerungszonen 34 und 36 angelegt. Der feste Halbkamm, 72 steht in direktem elektrischem Kontakt (über den Körper des leitenden Siliciums) mit der Verankerungszone 74; der bewegliche Halbkamm 76 steht in Kontakt mit den Verankerungszonen 34 und 36 über die Biegearme 52 bis 58, den Körper der Erfassungsmasse, die Biegearme 40 bis 46, und den Rahmen 50, so dass bei Anlegen einer Spannung zwischen der Verankerungszone 74 und den Verankerungszonen 34 oder 36 wirklich eine Spannung zwischen dem festen Teil und dem beweglichen Teil des Kamms 70 angelegt wird.
  • Die auf dem Rahmen 50 erzeugte Anregungsbewegung geht in die Richtung Ox, wobei die Kämme durch Veränderung der gegenseitigen Überdeckungsfläche der ineinandergefügten Finger wirken.
  • Das Mikro-Gyrometer weist vorzugsweise eine weitere, dem Rahmen zugeordnete Struktur mit ineinandergreifenden Kämmen auf, die zur Struktur 70 bezüglich der Achse 38 symmetrisch ist. Sie weist einen festen Halbkamm 82, der an einer Verankerungszone 84 befestigt ist, und einen beweglichen Halbkamm 86 auf, der entlang einer Seite des Rahmens 50 ausgearbeitet ist. Diese Struktur kann als Detektor der Bewegung des Rahmens gemäß Ox dienen. Sie ist nützlich für die Regelung der Bewegung, die vom Kamm 70 angeregt wird; die Regelung ist im Allgemeinen nützlich, um die Anregungsfrequenz bezüglich der Resonanzfrequenz der Struktur anzupassen. Die von der Struktur 80 erfassten Spannungen treten zwischen der Verankerungszone 84 und den Verankerungszonen 34 und 36 auf.
  • Mindestens ein ineinandergreifender Kamm ist der Erfassungsmasse 30 zugeordnet, um die Bewegung der Erfassungsmasse in der Richtung Oy zu erfassen. Die Ausrichtung dieser Kämme hängt von dem Prinzip ab, auf dem die Erfassung beruht: Wenn die Erfassung auf einer Messung der Veränderungen der einander überdeckenden Fläche der Finger der festen und beweglichen Halbkämme beruht, ist der Kamm zur Erfassung der Bewegungen gemäß Oy lotrecht zum Anregungskamm 70 angeordnet (der auch auf Veränderungen der Überdeckungsfläche beruht). Wenn aber die Erfassung auf einer Messung der Veränderungen des Abstands zwischen den Fingern des festen Halbkamms und des beweglichen Halbkamms beruht, ist der Erfassungskamm parallel zum Anregungskamm angeordnet. Die Erfassung durch die Veränderung des Abstands zwischen Fingern wird bevorzugt, da sie empfindlicher ist. Das Ineinandergreifen der Kämme ist dann in der Ruhestellung unsymmetrisch, da die Finger eines Halbkamms nicht genau in der Mitte des Zwischenraums zwischen zwei Fingern des anderen Halbkamms liegen, während ein auf der Basis von Veränderungen der Überdeckungsflächen arbeitender Kamm (wie der Anregungskamm) die Finger eines Halbkamms in der Mitte des Zwischenraums zwischen den Fingern des anderen Halbkamms hat.
  • Dies ist der Fall in 3: Die Erfassungskämme sind mit der gleichen allgemeinen Ausrichtung angeordnet wie die Kämme 70 und 80, obwohl sie einer Bewegung gemäß Oy zugeordnet sind, während die Kämme 70 und 80 einer Bewegung (Anregung oder Erfassung) gemäß Ox zugeordnet sind.
  • Im Beispiel der 3 ist die Erfassungsmasse zwei gleichen ineinandergreifenden Kämmen 90 und 100 zugeordnet, die parallel zur Symmetrieachse 38 und zu beiden Seiten dieser Achse angeordnet sind. Diese Kämme haben beide die gleiche Aufgabe eines Detektors der Bewegung der Masse gemäß Oy, und man könnte sich in einer Variante mit einem einzigen Kamm begnügen, der in der Mitte der Masse entlang der Achse 38 angeordnet ist.
  • Der Kamm 90 weist einen festen Halbkamm 92, der an einer Verankerungszone 94 befestigt ist, und einen beweglichen Halbkamm 96 auf, der Teil der Erfassungsmasse selbst ist. Die Erfassungsmasse weist einen Ausschnitt auf, um Platz für den festen Kamm 92 und die Verankerungszone 94 zu lassen, und die Ränder dieses Ausschnitts sind in Form von Fingern ausgeschnitten, um den beweglichen Halbkamm 96 zu bilden, in den sich die Finger des festen Halbkamms einfügen. Im dargestellten Beispiel ist der Kamm 90 doppelt, d.h. dass zwei Seiten des Ausschnitts der Masse 30 mit Fingern versehen sind, und der feste Halbkamm 92 weist Finger zu beiden Seiten der Verankerungszone 94 auf.
  • Die ineinandergreifende Struktur 100 ist strikt symmetrisch zur Struktur 90 und wird in einem anderen Ausschnitt der Erfassungsmasse 30 geformt. Sie weist einen festen Halbkamm 102, eine Verankerungszone 104 und einen beweglichen Halbkamm 106 auf.
  • Für die Erfassung der Bewegung gemäß Oy erfasst eine dieser Struktur zugeordnete elektronische Schaltung die Amplitudenmodulation der elektrischen Spannungen, die zwischen der Verankerungszone 94 und den Verankerungszonen 34 und 36 und/oder zwischen der Zone 104 und den Zonen 34 und 36 vorhanden sind. Diese Modulation wird nur durch eine Verschiebung der Erfassungsmasse gemäß der Achse Oy verursacht, da die Masse sich nur gemäß dieser Achse verschieben kann.
  • Im Fall einer klassischen dreidimensionalen Gyrometer-Architektur gewährleistet der kreuzförmige Sockel, der in 1 sichtbar ist, die Funktion der Kopplung zwischen den verschiedenen Schenkeln der doppelten Stimmgabel.
  • Im Fall einer zweidimensionalen Architektur besteht die Kopplungsstruktur aus zwei Paaren von Versteifungselementen, die die Kopplung sowohl für den Anregungsmodus als auch für den Erfassungsmodus gewährleisten, und von denen mehrere Beispiele in den 4, 5 und 6 dargestellt sind: ein Paar von ersten, in einer Richtung parallel zu Ox und einer Richtung parallel zu Oy verformbaren Versteifungselementen 2, die es ermöglichen, parallel zu Ox zwei bewegliche Einheiten 1a und 1b (bzw. 1c und 1d) zu verbinden, die sich an benachbarten Eckpunkten des Rechtecks befinden, und ein Paar von zweiten, in einer Richtung parallel zu Ox und einer Richtung parallel zu Oy verformbaren Versteifungselementen 3, die es ermöglichen, parallel zu Oy zwei bewegliche Einheiten 1a und 1d (bzw. 1b und 1c) zu verbinden, die sich an benachbarten Eckpunkten des Rechtecks befinden.
  • Diese Versteifungselemente 2 und 3 können mehrere Formen annehmen.
  • Es wird nun das erste Versteifungselement 2 beschrieben, das die Einheiten 1a und 1b verbindet; man könnte es genauso beschreiben, indem man die Indices a und b durch d bzw. c ersetzt.
  • In den 4 und 6 weist das erste Versteifungselement 2 zum Beispiel zwei U-förmige Arme 21a und 21b auf, die die Innenseite parallel zu Oy der beweglichen Einheit 1a bzw. 1b umgeben und die mit der beweglichen Einheit über kurze Verbindungsarme 64a, 64b, 66a, 66b verbunden sind, die sich an den Enden des U befinden, wobei die Arme 64 zu den Armen 66 bezüglich der Symmetrieachse 32 symmetrisch sind. Diese kurzen Arme bilden praktisch steife Verbindungen, über die die Vibrationsenergie gemäß Ox und Oy des Rahmens 50a (und der Erfassungsmasse 30a) zur Kopplungsstruktur und somit zum Rahmen 50b (und zur Erfassungsmasse 30b) übergehen kann. Es weist ebenfalls eine doppelte Verbindungsstange 22 auf, die als steif angesehen werden kann und die zwei Arme 21a und 21b miteinander verbindet. Die doppelte Verbindungsstange 22 verbindet die Seite des ersten Arms 21a mit der benachbarten Seite des zweiten Arms 21b. Sie ist lotrecht zur Achse A1 und auf diese Achse zentriert. Die kurze doppelte Verbindungsstange 22 kann einfach oder durch eine weitere kurze Verbindungsstange verstärkt sein, die sich in der Mitte der doppelten Stange 22 und ebenfalls auf die Achse A1 zentriert befindet. Der mehr oder weniger große Abstand jeder der die doppelte Verbindungsstange 22 bildenden Stangen ermöglicht eine gewisse Anpassung des Abstands zwischen den Nutzfrequenzen der Anregung und der Erfassung des Mikro-Gyrometers.
  • Gemäß einer anderen, in 5 dargestellten Konfiguration weist das erste Versteifungselement 2 einen einzigen Arm 21 auf, der mindestens eine Mäanderform beschreibt, die sich zwischen den zwei beweglichen Einheiten 1a und 1b befindet, vorzugsweise nach außen hin; der Arm 21 ist mit jeder beweglichen Einheit über kurze Verbindungsarme 64a, 64b verbunden, die sich an den Enden des Arms 21 befinden.
  • Nun wird das zweite Versteifungselement 3 in Verbindung mit den Einheiten 1a und 1d beschrieben; man es könnte genauso gut beschreiben, indem die Indices a und d durch b bzw. c ersetzt werden.
  • Im Beispiel der 4 weist das zweite Versteifungselement 3 einen Arm 31 in Form eines gemäß Ox abgeflachten Rechtecks, das sich zwischen den zwei beweglichen Einheiten 1a und 1d befindet, und zu beiden Seiten dieses abgeflachten Rechtecks zwei Verbindungsstangen 33a und 33d auf, die in einer Richtung parallel zu Oy verformbar sind und je die Mitte einer Länge dieses abgeflachten Rechtecks 31 mit der Mitte der Seite der beweglichen Einheit 1a bzw. 1d verbinden.
  • Gemäß einer weiteren, in 5 dargestellten Konfiguration weist das zweite Versteifungselement 3 einen Arm 31 vorzugsweise in Form eines liegenden T auf, wobei die Querstange des T zur Mitte der vier Einheiten 1a, 1b, 1c und 1d hin angeordnet ist, um den Abstand zwischen den zwei beweglichen Einheiten 1a und 1d zu begrenzen, wobei der Arm sich durch zwei kurze steife Verbindungsarme 67a, 67d verlängert, die je die Basis des T 31 mit einer der zwei beweglichen Einheiten 1a, 1d verbindet.
  • Diese ersten und zweiten Versteifungselemente 2 und 3 sind nicht mit festen Verankerungszonen verbunden.
  • Jeder Rahmen 50 ist vorzugsweise mit festen Verankerungszonen über zwei Versteifungselemente verbunden: ein drittes Versteifungselement 4, das es ermöglicht, den Rahmen 50 mit einer Verankerungszone 24 zu verbinden, die sich an der Außenseite der beweglichen Einheit parallel zu Oy auf der Achse 32 befindet, dargestellt in den 4, 5 und 6, und ein viertes Versteifungselement 5, das es ermöglicht, den Rahmen mit einer Verankerungszone 25 zu verbinden, die sich an der Außenseite der beweglichen Einheit parallel zu Ox auf der Achse 38 befindet, dargestellt in 6.
  • Das dritte Versteifungselement 4 weist einen U-förmigen Arm 41 auf, der an der Basis des U mit der Verankerungszone 24 verbunden ist und der die Außenseite parallel zu Oy der beweglichen Einheit umgibt; er ist mit der beweglichen Einheit über kurze steife Arme 43, 45 verbunden, die sich an den Enden des U befinden. Ein Ende dieses dritten Elements 4 kann ggf. an ein Ende des ersten Versteifungselements 2 anschließen, das nach außen angeordnet ist, wie in den 4 und 5 dargestellt, und ggf. an ein Ende des zweiten Versteifungselements 3 anschließen, wie in 5 gezeigt.
  • Das in 6 dargestellte vierte Versteifungselement 5 weist einen Arm 51 in Form eines abgeflachten Rechtecks parallel zu Ox, und zu beiden Seiten dieses abgeflachten Rechtecks zwei steife Verbindungsstangen 53, 55 auf, von denen eine die Mitte einer Länge dieses abgeflachten Rechtecks 51 mit der Verankerungszone 25, die andere die Mitte der anderen Länge des abgeflachten Rechtecks mit dem Rahmen 50 verbindet.
  • Diese dritten und vierten Versteifungselemente 4 und 5, die den Versteifungselementen 2 und 3 zugeordnet sind, sind so bemessen, dass das Steifheitsmoment, das auf die Rahmen 50 wirkt und von den Anregungs- und/oder Erfassungsvibrationen erzeugt wird, minimal, sogar Null ist.
  • In den vorhergehenden Fällen waren die vier beweglichen Einheiten an den Eckpunkten eines virtuellen Rechtecks angeordnet.
  • Gemäß einem anderen Konfigurationsmodus sind sie am Eckpunkt eines virtuellen Quadrats 300 angeordnet, dessen Diagonalen parallel zu Ox bzw. Oy sind, wie man in den 7 bis 11 sieht.
  • Jede bewegliche Einheit weist eine Erfassungsträgheitsmasse 30 und einen Rahmen 50 auf, wie in Verbindung mit 3 beschrieben wurde.
  • Es sind mehrere Konfigurationen möglich.
  • Wie in den 7a und 7b dargestellt, können die zwei virtuellen Einheiten 1d und 1b, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox angeordnet sind, wie vorher ausgerichtet sein, d.h. dass die Anregungsrichtung parallel zu Ox und die Erfassungsrichtung parallel zu Oy ist; während die zwei anderen beweglichen Einheiten 1a und 1c, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy angeordnet sind, um 90° bezüglich der vorhergehenden Ausrichtung geschwenkt haben, d.h. dass die Anregungsrichtung parallel zu Oy und die Erfassungsrichtung parallel zu Ox ist. Dies bedeutet, dass die beweglichen Einheiten so angeordnet sind, dass die Anregungsrichtung für die ersten zwei Elemente 50d und 50b der Einheiten, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox angeordnet sind, parallel zu Ox ist, und dass die Anregungsrichtung für die ersten zwei Elemente 50a und 50c der Einheiten, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy angeordnet sind, parallel zu Oy ist.
  • Eine weitere mögliche Konfiguration ist in den 8a und 8b dargestellt. Die zwei virtuellen Einheiten 1d und 1b, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox angeordnet sind, sind so ausgerichtet, dass die Anregungsrichtung parallel zu Oy und die Erfassungsrichtung parallel zu Ox ist; während die zwei anderen beweglichen Einheiten 1a und 1c, die an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy angeordnet sind, so ausgerichtet sind, dass die Anregungsrichtung parallel zu Ox und die Erfassungsrichtung parallel zu Oy ist. Dies bedeutet, dass die beweglichen Einheiten so angeordnet sind, dass die Anregungsrichtung für die zwei ersten Elemente 50d und 50b der Einheiten, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox befinden, parallel zu Oy ist, und dass die Anregungsrichtung für die zwei ersten Elemente 50a und 50c der Einheiten, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy befinden, parallel zu Ox ist.
  • In der einen oder der anderen dieser Konfigurationen vibrieren die Rahmen der zwei Einheiten 1a und 1c, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox befinden, in Gegenphase zueinander, und die Rahmen der zwei anderen beweglichen Einheiten 1b und 1d, die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy befinden, vibrieren ebenfalls in Gegenphase zueinander.
  • Die Achsen A1, A2, A3 und A4 sind um ± 45° zur Achse Ox ausgerichtet. Nur die Ausrichtung + 45° ist in den Figuren dargestellt. Außerdem ist die Achse A3 ebenfalls Symmetrieachse für die Erfassungsvibrationen; in gleicher Weise ist die Achse A4 ebenfalls Symmetrieachse für die Anregungsvibrationen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Achse der Vibrationen nicht lotrecht zu den Achsen A3 oder A4, sondern um 45° zu diesen Achsen ausgerichtet.
  • Die Kopplungsstruktur kann in der einen oder anderen dieser Konfigurationen mehrere Formen annehmen. Sie weist vorzugsweise ein einziges Versteifungselement 6 auf, das sich in der Mitte der Struktur befindet, die die vier beweglichen Einheiten 1a, 1b, 1c und 1d aufweist. Sie weist einen einzigen Arm 61 und vier steife Verbindungsstangen 63a, 63b, 63c bzw. 63d auf, die den Arm 61 mit einer der vier beweglichen Einheiten 1a, 1b, 1c bzw. 1d verbinden.
  • Der Arm 61 kann die Form eines Malteserkreuzes, wie im Beispiel der 9, oder die Form eines vierblättrigen Kleeblatts haben, wie in 10.
  • Wie in 11 dargestellt, ist jeder Rahmen 50 vorzugsweise über ein sechstes Versteifungselement 7 mit einer festen Verankerungszone 26 verbunden, die sich außerhalb der Struktur befindet, die die vier beweglichen Einheiten aufweist. Das sechste Versteifungselement 7 weist zum Beispiel einen einzigen Arm 71 in Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, dessen Basis parallel zur Seite der beweglichen Einheit ist, und dessen dieser Basis entgegengesetzte Spitze zur Verankerungszone 26 weist. Diese Spitze weist eine Mäanderform auf, die zur Innenseite des Dreiecks gerichtet ist. Dieser Arm 71 ist mit der Verankerungszone in Höhe des Mäanders durch eine steife Verbindungsstange 73 verbunden.
  • Diese sechsten Versteifungselemente 7, die dem Versteifungselement 6 zugeordnet sind, haben solche Abmessungen, dass das Steifheitsmoment, das auf die Rahmen 50 wirkt und von den Anregungs- und/oder Erfassungsvibrationen erzeugt wird, minimal, sogar Null ist.
  • Ein Beispiel einer Konfiguration gemäß einem virtuellen Rechteck ist in 12 dargestellt. Das erste bewegliche Trägheitselement und das zweite bewegliche Element fallen in der beweglichen Einheit 1 zusammen, die mit der Kopplungsstruktur und mit Verankerungszonen verbunden ist. Die Kopplungsstruktur weist Versteifungselemente 2 und 3 auf, die in x-Richtung und in y-Richtung verformbar sind. Jede bewegliche Einheit 1 ist mit einer Verankerungszone 24 über ein in x-Richtung verformbares Versteifungselement 4 und mit einer Verankerungszone 25 über ein in y-Richtung verformbares Versteifungselement 5 verbunden.

Claims (30)

  1. Gyrometer mit vibrierender Struktur, das durch Mikrobearbeitung in einer dünnen ebenen Platte hergestellt wird, mit vier beweglichen Einheiten (1a, 1b, 1c, 1d), die an den Ecken eines virtuellen Rechtecks angeordnet sind, wobei jede bewegliche Einheit von einer Kopplungsstruktur an zwei bewegliche Einheiten gekoppelt wird, die sich an benachbarten Ecken befinden, um einen Transfer mechanischer Vibrationsenergie zwischen ihnen zu ermöglichen, wobei jede bewegliche Einheit ein erstes bewegliches Trägheitselement (50), das dazu bestimmt ist, gemäß zwei orthogonalen Richtungen in der Ebene der Platte zu vibrieren, nämlich einer ersten, so genannten Anregungsrichtung und einer zweiten, so genannten Erfassungsrichtung, und ein zweites bewegliches Element (30) aufweist, das dazu bestimmt ist, gemäß der Erfassungsrichtung zu vibrieren, ohne eine Bewegung des zweiten Elements gemäß der Anregungsrichtung zu erlauben, und einerseits mit dem ersten beweglichen Element (50) und andererseits mit Verankerungszonen (34, 36) über Verbindungsmittel (40, 42, 44, 46, 52, 54, 56, 58) verbunden ist, die die Übertragung der Vibrationsbewegung des ersten beweglichen Elements gemäß der Erfassungsrichtung auf das zweite bewegliche Element erlauben, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten beweglichen Trägheitselemente mit der Kopplungsstruktur verbunden sind.
  2. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bewegliche Element (50) ein Rahmen ist, der das zweite bewegliche Element (30) umgibt, das durch die Bezeichnung Erfassungsmasse bezeichnet ist.
  3. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (50) rechteckig ist.
  4. Gyrometer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmasse (30) mit dem Rahmen (50) über mindestens zwei erste schmale und längliche Biegearme (52, 54, 56, 58) verbunden ist, die eine große Festigkeit gegenüber der Längung in der Erfassungsrichtung und eine geringe Steifigkeit in der Anregungsrichtung aufweisen, und die Erfassungsmasse (30) mit mindestens einer Verankerungszone über mindestens zwei zweite schmale und längliche Biegearme (40, 42, 44, 46) verbunden ist, die eine große Festigkeit gegenüber der Längung in Anregungsrichtung und eine geringe Steifigkeit in der Erfassungsrichtung aufweisen.
  5. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Biegearm U-förmig umgebogen ist und zwei längliche Bereiche aufweist, die sich in der Erfassungsrichtung erstrecken, wobei diese zwei Bereiche durch ein kurzes Verbindungselement verbunden sind.
  6. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das kurze Verbindungselement eines der ersten Biegearme (52) mit dem gleichen Verbindungselement eines anderen ersten Arms (54) über eine Querstrebe (60} verbunden ist, die sich in der Anregungsrichtung erstreckt.
  7. Gyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede bewegliche Einheit mit mindestens einer außerhalb der die vier beweglichen Einheiten aufweisenden vibrierenden Struktur befindlichen Verankerungszone über mindestens ein Versteifungselement verbunden ist.
  8. Gyrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten des Rechtecks zu Ox bzw. Oy parallel sind.
  9. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsrichtung jedes ersten beweglichen Elements (50) parallel zu Ox ist.
  10. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste bewegliche Element dazu bestimmt ist, in Gegenphase zu den ersten Elementen zu vibrieren, die sich an den benachbarten Ecken des virtuellen Rechtecks (200) befinden, und dass jedes zweite bewegliche Element dazu bestimmt ist, in Gegenphase zu den zweiten Elementen zu vibrieren, die sich an den benachbarten Ecken des virtuellen Rechtecks (200) befinden.
  11. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Symmetrieachse A3 aufweist, die sich in der Ebene der Platte und gemäß Oy befindet, derart, dass die Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente (50) von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A3 befinden, symmetrisch bezüglich der Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente (50) der zwei anderen beweglichen Einheiten sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A3 befinden.
  12. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Symmetrieachse A4 aufweist, die sich in der Ebene der Platte und gemäß Ox befindet, derart, dass die Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente (50) von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A4 befinden, symmetrisch bezüglich der Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente (50) der zwei anderen beweglichen Einheiten sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A4 befinden.
  13. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Paar von ersten Versteifungselementen (2) aufweist, die gemäß Richtungen parallel zu Ox bzw. Oy verformbar sind, wobei jedes erste Versteifungselement (2) parallel zu Ox zwei bewegliche Einheiten (1a und 1b oder 1c und 1d) verbindet, die sich an benachbarten Ecken des virtuellen Rechtecks befinden.
  14. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versteifungselement (2) zwei Arme (21) in Form eines U aufweist, wobei jeder Arm (21) die Innenseite parallel zu Oy einer beweglichen Einheit umgibt, mit der beweglichen Einheit über kurze steife Verbindungen (64, 66) verbunden ist, die sich an den Enden des U befinden, und mit dem anderen Arm (21) über mindestens eine Verbindungsstange (22) verbunden ist.
  15. Gyrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Versteifungselement (2) einen Arm (21) aufweist, der mindestens eine Mäanderform beschreibt, wobei jedes Ende des Arms (21) mit einer der zwei beweglichen Einheiten über eine kurze steife Verbindung (64) verbunden ist.
  16. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Paar von zweiten Versteifungselementen (3) aufweist, die gemäß Richtungen parallel zu Ox bzw. Oy verformbar sind, wobei jedes zweite Versteifungselement parallel zu Oy zwei bewegliche Einheiten (1a und 1d oder 1b und 1c) verbindet, die sich an benachbarten Ecken des virtuellen Rechtecks befinden.
  17. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Versteifungselement (3) einen Arm (31) in Form eines gemäß Ox abgeflachten und in einer Richtung parallel zu Oy verformbaren Rechtecks, das sich zwischen den zwei beweglichen Einheiten befindet, und zu beiden Seiten des abgeflachten Rechtecks (31) zwei gemäß einer Richtung parallel zu Ox verformbare Verbindungen (33) aufweist, die die Mitte jeder Länge des abgeflachten Rechtecks (31) mit der Mitte einer der zwei beweglichen Einheiten verbinden.
  18. Gyrometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Versteifungselement (3) einen Arm (31) in Form eines liegenden T und zwei kurze steife Verbindungen (67) aufweist, die je die Basis des T mit einer der zwei beweglichen Einheiten verbinden.
  19. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jede bewegliche Einheit (1) mit einer ersten äußeren Verankerungszone (24) über ein drittes Versteifungselement (4) verbunden ist, das gemäß zu Ox bzw. Oy parallelen Richtungen verformbar ist und einen Arm (41) in Form eines U aufweist, der die Außenseite parallel zu Oy jeder beweglichen Einheit umgibt und der mit der beweglichen Einheit über kurze steife Verbindungen (43, 45) verbunden ist, die sich an den Enden des U befinden.
  20. Gyrometer nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass jede bewegliche Einheit mit einer zweiten äußeren Verankerungszone (25) über ein viertes Versteifungselement (5) verbunden ist, das gemäß zu Ox bzw. Oy parallelen Richtungen verformbar ist, das einen Arm (51) in Form eines abgeflachten Rechtecks parallel zu Ox und zu beiden Seiten des Rechtecks (51) eine verformbare Verbindung (55, 53) aufweist, die die Mitte jeder Länge des abgeflachten Rechtecks einerseits mit der zweiten Verankerungszone und andererseits mit der beweglichen Einheit verbindet.
  21. Gyrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechteck ein Quadrat (300) ist, und dass die Diagonalen des Quadrats parallel zu Ox bzw. Oy sind.
  22. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Einheiten so angeordnet sind, dass die Anregungsrichtung für zwei erste Elemente (50d, 50b), die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox befinden, parallel zu Ox liegt, und für die zwei ersten Elemente (50a, 50c), die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy befinden, parallel zu Oy liegt.
  23. Gyrometer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Einheiten so angeordnet sind, dass die Anregungsrichtung für zwei erste Elemente (50d, 50b), die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Ox befinden, parallel zu Oy liegt, und für die zwei ersten Elemente (50a, 50c), die sich an den Spitzen der Diagonale gemäß Oy befinden, parallel zu Ox liegt.
  24. Gyrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste bewegliche Element (50), das eine Anregungsbewegung erfährt, dazu bestimmt ist, in Gegenphase zu dem ersten beweglichen Element zu vibrieren, das sich an der gegenüberliegenden Spitze des Quadrats befindet, und dass jedes zweite bewegliche Element (30), das eine Erfassungsbewegung erfährt, dazu bestimmt ist, in Gegenphase zum zweiten beweglichen Element (30) zu vibrieren, das sich an der gegenüberliegenden Spitze des Quadrats befindet.
  25. Gyrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Symmetrieachse A3 aufweist, die sich in der Ebene der Platte befindet und mit einem Winkel von + 45° bezüglich Ox ausgerichtet ist, derart, dass die Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente (50) von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A3 befinden, bezüglich der Anregungsvibrationen der ersten beweglichen Elemente (50) der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A3 befinden.
  26. Gyrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Symmetrieachse A4 aufweist, die sich in der Ebene der Platte befindet und mit einem Winkel von + 45° bezüglich Ox ausgerichtet ist, derart, dass die Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente (50) von zwei beweglichen Einheiten, die sich auf einer Seite der Achse A4 befinden, bezüglich der Erfassungsvibrationen der zweiten beweglichen Elemente (50) der zwei anderen beweglichen Einheiten symmetrisch sind, die sich auf der anderen Seite dieser Achse A4 befinden.
  27. Gyrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsstruktur ein fünftes Versteifungselement (6), das sich in der Mitte der Struktur befindet, die die vier beweglichen Einheiten (1a, 1b, 1c, 1d) enthält, und vier steife Verbindungen (63a, 63b, 63c, 63d) aufweist, die je das fünfte Versteifungselement (6) mit einer der vier beweglichen Einheiten verbinden.
  28. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das fünfte Versteifungselement einen Arm (61) in Form eines Malteserkreuzes oder eines vierblättrigen Kleeblatts aufweist.
  29. Gyrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass jede bewegliche Einheit über ein sechstes Versteifungselement (7) mit einer äußeren Verankerungszone (26) verbunden ist.
  30. Gyrometer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das sechste Versteifungselement (7) einen Arm (71) in Form eines gleichschenkligen Dreiecks, dessen Basis parallel zu der Seite der beweglichen Einheit liegt, mit der es verbunden ist, und dessen dieser Basis entgegengesetzte Spitze zur Verankerungszone (26) weist, wobei diese Spitze eine zur Innenseite des Dreiecks gerichtete Mäanderform hat, und eine steife Verbindungsstange (73) aufweist, die den Arm (71) mit der Verankerungszone (26) verbindet.
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