NO340780B1 - Oscillerende mikro-mekanisk vinkelhastighetssensor - Google Patents

Oscillerende mikro-mekanisk vinkelhastighetssensor Download PDF

Info

Publication number
NO340780B1
NO340780B1 NO20073687A NO20073687A NO340780B1 NO 340780 B1 NO340780 B1 NO 340780B1 NO 20073687 A NO20073687 A NO 20073687A NO 20073687 A NO20073687 A NO 20073687A NO 340780 B1 NO340780 B1 NO 340780B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
movement
detection
angular velocity
seismic
primary
Prior art date
Application number
NO20073687A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20073687L (no
Inventor
Anssi Blomqvist
Original Assignee
Murata Electronics Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Electronics Oy filed Critical Murata Electronics Oy
Publication of NO20073687L publication Critical patent/NO20073687L/no
Publication of NO340780B1 publication Critical patent/NO340780B1/no

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Description

Oppfinnelsen vedrører måleinnretninger som benyttes ved måling av vinkelhastigheter, mer særskilt oscillerende mikromekaniske
vinkelhastighetssensorer. Oppfinnelsen tar sikte på å tilveiebringe en bedret sens ors truktur som muliggjør pålitelig og effektiv måling, særlig med kompakte, oscillerende mikromekaniske vinkelhastighetssensorløsinger.
Målinger som baserer seg på bruk av en oscillerende vinkelhastighetssensor har vist seg å bygge på et enkelt prinsipp og representere en pålitelig måte for måling av vinkelhastigheter. En viss kjent primærbevegelse genereres og holdes i den oscillerende vinkelhastighetssensoren. Den bevegelsen som sensoren er beregnet til å måle, detekteres som et avvik av primærbevegelsen.
En ekstern vinkelhastighet som påvirker sensoren i en retning perpendikulært på bevegelsesretningen til resonatorene, induserer en korioliskraft på seismikkmassen perpendikulært på dens bevegelsesretning. Korioliskraften er proporsjonal med den vinkelhastigheten som detekteres med oscilleringen av massen, eksempelvis på en kapasitiv måte.
Det største problemet i forbindelse med mikromekaniske oscillerende vinkelhastighetssensorer er det såkalte kvadratursignalet, som skyldes en dårlig dimensjonsnøyktighet i strukturene. Resonatorer som fremstilles med mikromekaniske metoder kan ha feiltoleranser i ortogonaliteten til deres bevegelsesretninger, hvilket gir opphav til et signal, benevnt kvadratursignal, som i verste fall vil være flere hundre ganger sterkere enn en fullskalaindikasjon av vinkelhastighetssignalet.
Det vinkelhastighetssignalet som skal måles, hvilket signal er proporsjonalt med massens hastighet, har heldigvis en 90° faseforskyvning i forhold til kvadratursignalet, og kvadratursignalet vil derfor forsvinne i en ideell demodulering. Fordi det er betydelig større enn det signalet som skal måles, vil det imidlertid begrense signaldynamikken. I tillegg er den største ulempen med kvadratursignalet at det som følge av faseforskyvninger i de elektroniske signalene vil forstyrre stabiliteten til sensorens nullpunkt, med mindre det foretas en kompensering.
Det har vært utformet kjente vinkelhastighetssensorer hvor man har gjort forsøk på å kompensere kvadratursignalet. En slik kvadratursignalkompenseringsløsning for en vinkelhastighetssensor av kjent type er den såkalte feed-forward-kompensering, hvor en kraft som moduleres med den detekterte primærbevegelsen, føres inn i den detekterende resonatoren i en fase motsatt kvadratursignalet. En slik kompensering er ikke særlig anvendbar, fordi den bare forskyver de stringente fasestabilitetskravene til elektronikken fra demoduleringen til kompensasj onsblokken.
Den oscillerende strukturen kan også bøyes under påvirkning av statiske krefter, og da vil fasestabiliteten til elektronikken reduseres vesentlig. Blant andre publikasjoner beskriver US patent 6 370 937 en slik løsning for en vinkelhastighetssensor. I den løsning som beskrives i dette US patentet, kan hellingen/inklinasjonen til en elektrostatisk torsjonsresonator innstilles ved hjelp av en elektrostatisk kraft.
En annen kjent fremgangsmåte, som er mer anvendelig enn den foran nevnte for kompensering av kvadratursignalet i en vinkelhastighetssensor, består i at det ved hjelp av en statisk kvantitet genereres en kraft som moduleres med bevegelsen, hvilken kraft kompenserer det kvadratursignalet som skyldes en rest i fjærkraften. En slik kompenseringsmetode er overlegen ved statisk vridning av strukturen, fordi den muliggjør mekaniske strukturer med betydelig høyere stivhet. Da kompenseringskraften i en slik løsning alltid vil være i fase med bevegelsen, stiller løsningen ingen ekstra krav til en fasekontroll for elektronikken.
US patent 5 866 816 beskriver en løsning for en vinkelhastighetssensor. I de i dette US patentet beskrevne løsningen kan kvadratursignalet fra en piezoelektrisk stangresonator kompenseres ved hjelp av piezoelektriske krefter ved hjelp av en statisk spenning. Også en elektrostatisk kraft kan virke på denne måten, forutsatt at det kan tilveiebringes et elektrisk felt som er asymmetrisk i bevegelsesretningen.
Elektrostatisk kompensering av kvadratursignalet i forbindelse med lineære og oscillerende kamresonatorer, er kjent. US patent 5 992 233 beskriver en løsning for en vinkelhastighetssensor. I denne løsningen spennpåvirkes elektrodekammene på en slik måte, parallelt med bevegelsesretningen, at en bevegelse av resonatoren sideveis i forhold til kamstrukturen (retning Y i US patentet) vil endre arealet til kapasitansplater i kamstrukturen, slik at det derved genereres en lineær, amplitudeavhengig kraft i den ortogonale retningen (retning X i US patentet).
En av de største fordelene med den elektrostatiske kvadraturkompenseringen er at den ved hjelp av elektronikk kan gjøres adaptiv. US patent 5 672 949 beskriver en løsning for en vinkelhastighetssensor hvor endringene i kvadratursignalet som skyldes mekanisk vridning, aldring eller ulike temperaturavhengigheter, kontinuerlig kan kompenseres for, basert på sensorens detekteringssignal.
US 6561028 viser en resonator som har en massedel festet ved hjelp av fleksibelt oppheng til et forankringspunkt slik at den kan utføre rotasjonsoscillasjoner om en akse perpendikulært på planet. Ved rotasjon om en akse i planet, oppstår moment som resultat av Corioliskraft om en ortogonal akse SAX i planet.
US6062082 og EP0851212 viser ytterligere eksempler på kjent teknikk.
De foran beskrevne kjente strukturer egner seg imidlertid ikke for bruk i vinkelhastighetssensorer hvor primærbevegelsen er en roterende oscillasjon. Denne strukturtypen egner seg særlig i løsninger som krever god motstand mot vibrasjon og støt.
En hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en struktur for en oscillerende vinkelhastighetssensor, hvor elektrostatisk kompensasjon av kvadratursignalet implementeres på en slik måte at den vil være særlig godt egnet som mikromekanisk, roterende oscillerende vinkelhastighetssensor, sammenlignet med tidligere kjente løsninger.
Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik bedret oscillerende vinkelhastighetssensor, hvilken sensor muliggjør pålitelig og effektiv måling, særlig i kompakte løsninger for oscillerende vinkelhastighetssensorer, og hvor en elektrostatisk kvadratursignalkompensering implementeres, hvilken sensor egner seg særlig godt som mikromekanisk roterende oscillerende
vinkelhastighetssensorer, sammenlignet med tidligere kjente løsninger.
Ifølge oppfinnelsen foreslås det en oscillerende mikromekanisk vinkelhastighetssensor, innbefattende minst en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode, som er festet til sensorkomponentlegemet på bæreområder, slik at i vinkelhastighetssensoren vil primærbevegelsen, som må genereres, være en vinkeloscillering av minst én seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode om en akse perpendikulært på planet til en skive, hvilken seismikkmasse har en andre frihetsgrad, i tillegg til primærbevegelsen, i forhold til en detekteringsakse perpendikulært på primærbevegelsen, og slik at ved minst én kant av seismikkmassen er det anordnet minst ett elektrodepar, hvilket elektrodepar, sammen med masseoverflaten, danner to kapasitanser på en slik måte at en kapasitans for elektrodeparet vil øke som en funksjon av rotasjons vinkelen til massens primærbevegelse mens den andre kapasitansen til elektrodeparet vil synke.
Fordelaktig er elektrodene i elektrodeparet plassert med like avstander på begge sider av detekteringsaksen. Fordelaktig er begge elektrodene i elektrodeparet forbundet med en spenning med lik størrelse i forhold til massepotensialet.
Fordelaktig innbefatter vinkelhastighetssensoren en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode, hvilken masse er tilknyttet legemet til sensorkomponenten ved hjelp av et festepunkt, bøy efj ærer for primærbevegelsen, hvilke bøy efj ærer forbinder festepunktet med en omgivende og stiv hjelpestruktur og i hovedsaken begrenser massens primærbevegelse til en vinkeloscillering om en akse perpendikulært på skiveplanet, og torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen og samtidig gir massen en andre frihetsgrad for detekteringsbevegelsen, som utgjør en roterende oscillasjon om en detekteringsakse perpendikulær på primærbevegelsesaksen.
Alternativt kan vinkelhastighetssensoren innbefatte to seismikkmasser og tilknyttede bevegbare elektroder tilknyttet legemet til sensorkomponenten ved hjelp av to festepunkter, bøy efj ærer for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktene med omgivende og stive hjelpestrukturer eller direkte med seismikkmassene, torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen, og en bøy efj ær som forbinder seismikkmassene med hverandre, idet resonatorene er forbundne på en slik måte at både primærbevegelsen til massene og detekteringsbevegelsen utgjør en bevegelse i motsatte faser av de to bevegbare elektrodene.
Fordelaktig detekteres den oscilleringen som skyldes den eksterne vinkelhastighet, på en kapasitiv måte ved hjelp av elektroder som er plassert over eller under massene. Fordelaktig er elektrodene lagt inn i den indre overflaten til skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen.
Fordelaktig er vinkelhastighetssensoren en sensor som måler vinkelhastighet i forhold til to akser og innbefatter en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode, hvilken masse er tilknyttet sensorkomponentens legeme ved hjelp av et festepunkt, bøy efj ærer for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktet med en omgivende og stiv hjelpestruktur og i hovedsaken begrenser massens primærbevegelse til en vinkeloscillering om en akse perpendikulært på planet til en skive, torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen i en første retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen og samtidig gir massen en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den første retningen, hvilken detekteringsbevegelse utgjør en roterende oscillasjon om en første detekteringsakse i hovedsaken perpendikulært på aksen til primærbevegelsen, og torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen i en andre retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen og samtidig gir massen en frihetsgrad for detekteringsbevegelse i den andre retningen, hvilken detekteringsbevegelse utgjør en roterende oscillasjon om en andre detekteringsakse i hovedsaken perpendikulært på aksen til primærbevegelsen og på den første detekteringsaksen.
Alternativ kan vinkelhastighetssensoren måle vinkelhastigheter om to akser, idet sensoren innbefatter to seismikkmasser og tilknyttede bevegbare elektroder tilknyttet legemet til sensorkomponenten ved hjelp av to festepunkter, bøy efj ærer for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktene med omgivende og stive hjelpestrukturer, torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen i en første retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen og samtidig gir massen en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den første retningen, torsjonsfjærer for detekteringsbevegelsen i en andre retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen og samtidig gir massen en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den andre retningen, og en bøy efj ær som forbinder seismikkmassene med hverandre.
Fordelaktig forbindes festepunktene på en anodisk måte til skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen. Alternativt kan festepunktene forbindes ved hjelp av en fusjonsforbindelse til skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen.
Oppfinnelsen og foretrukne utførelsesformer av den skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor
Fig. 1 viser et perspektivriss av strukturen av seismikkmassen og den bevegbare elektroden i en vinkelhastighetssensor ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 er et perspektivriss av en alternativ struktur av seismikkmassene og de tilknyttede bevegbare elektrodene i en oscillerende vinkelhastighetssensor ifølge oppfinnelsen, Fig. 3 er et perspektivriss av strukturen til den seismiske massen og den tilknyttede bevegbare elektroden i en oscillerende vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen, Fig. 4 er et perspektivbilde av en alternativ struktur for seismikkmassene og de tilknyttede bevegbare elektrodene i en oscillerende vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen, og
Fig. 5 viser et forenklet blide av et kompenseringsprinsipp ifølge oppfinnelsen.
I en oscillerende vinkelhastighetssensor ifølge oppfinnelsen er primærbevegelsen, som må genereres, en roterende oscillasjon av minst én seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode om en akse perpendikulært på planet til skiven. I tillegg til primærbevegelsen har seismikkmassen en andre frihetsgrad i forhold til en detekteringsakse perpendikulært på primærbevegelsen.
Under eller over i det minste én kant av seismikkmassene er det anordnet minst ett elektrodepar, hvilket elektrodepar, sammen med overflaten til massen, danner to kapasitanser. Disse kapasitansene varierer som en funksjon av rotasjonsvinkelen i primærbevegelsen, positivt i én av elektrodene og negativt i den andre. Elektrodene i paret kan være plassert med like avstander på hver side av detekteringsaksen. En spenning med lik størrelse i forhold til massens potensial, kan legges på begge elektroder i paret, slik at det tilveiebringes et netto moment som varierer i fase med primærbevegelsen mens det statiske momentet fjernes.
Fig. 1 viser et perspektivriss av strukturen for den seismiske massen og den tilknyttede bevegbare elektroden i en oscillerende vinkelhastighetssensor ifølge oppfinnelsen. Strukturen til vinkelhastighetssensoren innbefatter en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode 1 festet til legemet til sensorkomponenten med et festepunkt 2. Den bevegbare elektroden 1 kan eksempelvis være den ledende overflaten til massen eller en leder som er grodd på den. Vinkelhastighetssensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter videre bøy efj ærer 3-6 for primærbevegelsen og torsjonsfjærer 7-8 for detekteringsbevegelsen. I dette bildet er den for vinkelhastigheten følsomme aksen betegnet med Q.
Når den i fig. 1 viste inventive strukturen, som oscillerer om aksen Z, dreies om aksen Y, vil en del av massens primærbevegelse kobles til en roterende oscillasjon om detekteringsaksen X som følge av konserveringen av impulsmoment. Amplituden til denne oscilleringen er direkte proporsjonal med vinkelhastigheten Q for dreiebevegelsen.
De bevegelige delene 1, 3-8 i vinkelhastighetssensoren kan legges inn i en silisiumskive, idet sensorstrukturen blir hermetisk lukket med en skive tilknyttet topp- eller bunnsiden. Det foreligger et festepunkt 2 ved sensorstrukturens sentrale område. Dette punktet er festet til skiven på topp- eller bunnsiden.
Festepunktet 2 er med to eller flere bøy efj ærer 3-6 forbundet med en stiv hjelpestruktur som omgir punktet. Disse fjærene begrenser primærbevegelsen til en i hovedsaken vinkeloscillering om en akse perpendikulært på skiveplanet. To torsjonsfjærer 7-8 overfører primærbevegelsen til seismikkmassen 1 og vil samtidig gi massen 1 en andre frihetsgrad for detekteringsbevegelsen, som er en roterende oscillering om aksen X.
Fig. 2 viser et perspektivriss av en alternativ struktur for seismikkmassene og de tilknyttede bevegbare elektrodene i en oscillerende vinkelhastighetssensor ifølge oppfinnelsen. Denne alternative strukturen til sensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter to seismikkmasser og tilknyttede bevegbare elektroder 9, 10 tilknyttet legemet til sensorkomponenten i to festepunkter 11, 12. Festepunktene 11,12 sentralt i massene 9, 10 kan være forbundet med skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen, på eksempelvis en anodisk måte eller ved hjelp av fusjonsforbindelse. Sensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter videre bøyefjærer 13, 14 primærbevegelsen, torsjonsfjærer 15-18 for detekteringsbevegelsen og en bøyefjær 19 som forbinder de to seismikkmassene 9, 10 med hverandre.
Arbeidsprinsippet til den alternative vinkelhastighetssensoren ifølge oppfinnelsen og som vist i fig. 2, atskiller seg fra den foran beskrevne ved at både primærbevegelsen og detekteringsbevegelsen, som følge av resonatorkoblingen, er motsatte fasebevegelser av de to bevegbare elektrodene 9, 10.
Fig. 3 viser et perspektivbilde av strukturen til seismikkmassen og den tilknyttede
bevegbare elektroden i en vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen. Strukturen til den oscillerende sensoren med to akser innbefatter en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode 20 tilknyttet legemet til sensorkomponenten i et festepunkt 21. Vinkelhastighetssensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter videre bøyefjærer 22-25 for primærbevegelsen, torsjonsfjærer 26-27 for detekteringsbevegelsen i en første retning og torsjonsfjærer 28-29 for detekteringsbevegelsen i en andre retning.
Fig. 4 viser et perspektivriss av en alternativ struktur for seismikkmassene for en oscillerende vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen, og viser også strukturen til de tilknyttede bevegbare elektrodene. Strukturen til denne sensoren som måler vinkelhastighet i forhold til to akser i samsvar med oppfinnelsen, innbefatter to seismikkmasser og de tilknyttede bevegbare elektroder 30, 31 som er tilknyttet sensorkomponentens legeme i to festepunkter 32, 33. Vinkelhastighetssensoren ifølge oppfinnelsen innbefatter videre bøyefjærer 22-25 for primærbevegelsen, torsjonsfjærer 26-27 for detekteringsbevegelsen i en første retning, og torsjonsfjærer 28-29 for detekteringsbevegelsen i en andre retning.
Fig. 4 viser et perspektivriss av en alternativ struktur for seismikkmassene og de tilknyttede bevegbare elektrodene i en oscillerende vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen. Sensoren innbefatter to seismikkmasser og tilknyttede bevegbare elektroder 30, 31 som er tilknyttet sensorkomponentens legeme i to festepunkter 32, 33. Sensoren innbefatter videre bøyefjærer 34, 35 for primærbevegelsen, torsjonsfjærer 36-39 for detekteringsbevegelsen i en første retning, torsjonsfjærer 40-43 for detekteringsbevegelsen i en andre retning, og en bøyefjær 44 som forbinder seismikkmassene 30, 31 med hverandre.
I strukturen til den oscillerende vinkelhastighetssensor med to akser ifølge oppfinnelsen er det, sammenlignet med den foran beskrevne struktur med én akse, anordnet stive hjelpestrukturer med opphenging i forhold til massene 31 ved hjelp av par av torsjonsfjærer 40-43 som strekker seg i retning av Y-aksen. Strukturen til sensoren gir seismikkmassene 30, 31 en andre frihetsgrad perpendikulært på primærbevegelsen, hvilket muliggjør at sensoren kan virke som en vinkelhastighetssensor med to akser under utnyttelse av samme primærbevegelse.
Løsningen for elektrostatisk kompensering av kvadratursignalet i vinkelhastighetssensoren ifølge oppfinnelsen, kan eksempelvis benyttes for kompensering av kvadratursignalet i samtlige av de foran beskrevne strukturtyper. Oppfinnelse kan også brukes for kompensering av kvadratursignaler i andre slike strukturer i vinkelhastighetssensorer, hvor primærbevegelsen er en roterende oscillasjon om en akse perpendikulært på planet til skiven.
fig. 5 viser et forenklet bilde av kompenseringsprinsippet ifølge oppfinnelsen. Strukturen ifølge oppfinnelsen som vist i fig. 5, innbefatter en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode 45, 46 og stasjonære elektroder 47-50, anordnet over eller under den bevegbare elektroden 45, 46.
I løsningen ifølge oppfinnelsen er elektroder for detektering av vinkelhastighet, så som de stasjonære elektrodene 47-50, anordnet i området til massene 45, 46, som har to roterende frihetsgrader, dvs. en første (z) i primærbevegelsens retning og en andre (x) i detekteringsbevegelsens retning.
I løsningen ifølge oppfinnelsen kan eksempelvis de bevegbare elektrodene implementeres ved hjelp av kanten til massene 45, 46, idet de stasjonære elektrodene strekker seg ut fra kanten. Således kan samme kant av massen krysse de stasjonære elektrodene i begge elektrodeparene 47, 48 og 49, 50.
Når massene 45, 46 roterer, vil rotasjonsvinkelen 0 til primærbevegelsen i forhold til de stasjonære elektrodene endre platearealet i de plane kapasitansene, se fig. 5. Ved en positiv rotasjons vinkel vil arealet til elektroden 47 ved den venstre kanten øke, mens samtidig arealet til elektroden 48 ved den samme kanten vil avta proporsjonalt med rotasjonsvinkelen 0.
Ved kompenseringen blir elektrodene til venstre i fig. 5, elektrodene 47 og 48, påvirket med en statisk spenning Ukomp til elektrodene 49 og 50 til høyre, og i forhold til massene 45, 46 som er tilknyttet samme potensial. Endringen i kapasitans-platearealet som følge av rotasjonsvinkelen vil således gi en proporsjonal endring i den elektrostatiske kraften mellom de påvirkede elektrodene 47, 48 og massen 45, 46 som er forbundet med jordpotensialet.
For begge elektroder vil endringen i den elektrostatiske kraften være proporsjonal med rotasjonsvinkelen 0, for elektroden 47 vil endringen være positiv mens den for elektroden 48 vil være negativ. Disse endringer av kraften i motsatte retninger genererer endringer i like retninger for momentet i forhold til detekteringsaksen X. Den statiske impulsen som induseres med spenningen Ukomp blir imidlertid kansellert, i motsetning til det elektrostatiske prinsippet med
kvadraturkompensering ved lineær bevegelse.
Impulsen, som er lineært avhengig av rotasjonsvinkelen 0 i primærbevegelsen, medfører en endring som er proporsjonal med kvadratet av
kompenseringsspenningen Ukomp, hvilket, med riktig polaritet og størrelse, vil kompensere for kvadratursignalet,
Ved å forbinde elektrodene 47 og 48 med potensialet til massene 45 og 46, og tilsvarende legge spenningen Ukomp på elektrodene 49 og 50, kan man reversere retningen til kompenseringsmomentet.
Løsningen ifølge oppfinnelsen kan benyttes for kompensering av kvadratursignalet i alle slike vinkelhastighetssensorer hvor primærbevegelse er en vinkeloscillering i forhold til aksen Z, og elektrodene kan være anordnet over eller under massen i en avstand som gir et egnet gap. Elektrodene kan eksempelvis være lagt inn og mønstret i den indre overflaten til skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen.

Claims (8)

1. Oscillerende mikromekanisk vinkelhastighetssensor, som innbefatter minst én seismikkmasse (45, 46) og tilknyttet bevegbar elektrode, hvor seismikkmassen (45, 46) er forbundet til legemet til sensorkomponenten i bæreområder, slik at i vinkelhastighetssensoren vil primærbevegelsen, som må genereres, være en vinkeloscillering av den i det minste ene seismikkmassen (45, 46) og den tilknyttede bevegbare elektroden om en primærbevegelsesakse (Z) perpendikulær på planet til en skive, i tillegg til primærbevegelsen vil seismikkmassen (45, 46) ha en andre frihetsgrad i forhold til en detekteringsakse (X) perpendikulær på primærbevegelsesaksen,karakterisert vedat-i minst én kant av seismikkmassen (45, 46) er det anordnet minst en første kapasitans og en andre kapasitans, - i den første kapasitansen og den andre kapasitansen , er en elektrode en bevegbar elektrode som beveger seg med seismikkmassen (45, 46), og den andre elektroden er en stasjonær elektrode (47, 48, 49, 50) under eller over kanten av seismikkmassen (45, 46); - den stasjonære elektroden til den første kapasitansen (47,50) og den stasjonære elektroden til den andre kapasitansen (48,49) strekker seg ut fra den ene kanten slik at den ene kanten krysser de stasjonære, - en spenning Ukomp med samme størrelse i forhold til potensialet til de seismiske massen (45, 46) er forbundet til de stasjonære elektrodene til de første og andre kapasitansene og danner en elektrostatisk kraft mellom de stasjonære og bevegbare elektrodene slik at, som funksjon av rotasjonsvinkelen til primærbevegelsen til den seismiske massen (45, 46), vil en kapasitans for den første kapasitansen øke og kapasitansen til den andre kapasitansen vil minke, og forårsake en proporsjonal positiv endring i den elektrostatiske kraften mellom elektrodene til den første kapasitansen (47, 50) og en proporsjonal negativ endring i den elektrostatiske kraften mellom elektrodene til den andre kapasitansen (48, 49), der de to kapasitansene er anordnet i den ene kanten til den seismiske massen (45, 46) og danner dermed moment om deteksjonsaksen (X).
2. Vinkelhastighetssensor ifølge krav 1 , karakterisert vedat seismikkmassen (1) er festet til legemet til sensorkomponenten i et festepunkt (2), der sensoren inkluderer bøyefjærer (3-6) for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktet (2) med en omgivende stiv hjelpestruktur og begrenser massens (1) primærbevegelse i hovedsaken til en vinkeloscillering om en primærbevegelsesaksen perpendikulær på planet til skiven, og sensoren inkluderer torsjonsfjærer (7, 8) for detekteringsbevegelse, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen (1) og samtidig gir massen (1) en andre frihetsgrad for detekteringsbevegelsen, hvilken detekteringsbevegelse er en roterende oscillasjon om detekteringsaksen perpendikulær på primærbevegelsens akse.
3. Vinkelhastighetssensor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den omfatter resonatorer, inkluderende - to seismiske masser (9, 10) og tilknyttede bevegbare elektroder (9, 10), hvor de to seismiske massene er festet til legemet til sensorkomponenten ved to festepunkter (11, 12), - bøyefjærer (13, 14) for primærbevegelsen som forbinder festepunktene (11, 12) til omgivende stive hjelpestrukturer eller direkte til se seismiske massene (9. 10), - torsjonsfjærer (15-18) for detekteringsbevegelsen, og - en bøy efj ær (19) som forbinder de seismiske massene til hverandre, slik at resonatorene er forbundet på en slik måte at begge primærbevegelsen til de seismiske massene (9, 10) og detekteringsbebegelsen til de seismiske massene (9, 10) er motsatt fase bevegelser av de bevegbare elektrodene som beveger seg med de to seismiske massene.
4. Vinkelhastighetssensor ifølge et av de foregående krav 1-3,karakterisert vedat de stasjonære elektrodene er grodd på den indre overflaten til en skive, som hermetisk lukker sensorstrukturen.
5. Vinkelhastighetssensor ifølge krav 1, karakterisert vedat vinkelhastighetssensoren er en sensor som måler vinkelhastighet i forhold til to akser og innbefatter en seismikkmasse og en tilknyttet bevegbar elektrode (20), der seismikkmassen er tilknyttet legemet til sensorkomponenten i et festepunkt (21), bøyefjærer (22-25) for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktet (21) med en omgivende og stiv hjelpestruktur og begrenser massens (20) primærbevegelse i hovedsaken til en vinkeloscillasjon om en akse perpendikulær på planet til skiven, torsjonsfjærer (26, 27) for detekteringsbevegelsen i en første retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen (20) og samtidig gir massen (20) en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den første retningen, hvilken detekteringsbevegelse er en rotasjonsoscillasjon i hovedsaken om en første detekteringsakse perpendikulært på primærbevegelsens akse, og torsjonsfjærer (28, 29) for detekteringsbevegelsen i en andre retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassen (20) og samtidig gir massen (20) en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den andre retningen, hvilken detekteringsbevegelse er en rotasjonsoscillasjon i hovedsaken om en andre detekteringsakse perpendikulært på primærbevegelsens akse og den første detekteringsaksen.
6. Vinkelhastighetssensor ifølge krav 1, karakterisert vedat vinkelhastighetssensoren er en sensor som måler vinkelhastighet i forhold til to akser og innbefatter to seismikkmasser og tilknyttede bevegbare elektroder (30, 31) tilknyttet legemet til sensorkomponenten i to festepunkter (32, 33), bøyefjærer (34, 35) for primærbevegelsen, hvilke fjærer forbinder festepunktene (32, 33) med omgivende og stive hjelpestrukturer, torsjonsfjærer (36-39) for detekteringsbevegelsen i en første retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassene (30, 31) og samtidig gir massene (30, 31) en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i de første retningen, torsjonsfjærer (40-43) for detekteringsbevegelsen i en andre retning, hvilke fjærer overfører primærbevegelsen til seismikkmassene (30, 31) og samtidig gir massene (30, 31) en frihetsgrad for detekteringsbevegelsen i den andre retningen, og en bøy efj ær (44) som forbinder seismikkmassene (30, 31) med hverandre.
7. Vinkelhastighetssensor ifølge et av de foregående krav 2-6,karakterisert vedat festepunktene (2, 11, 12, 21, 32, 33) er forbundet på en anodisk måte med skiven, som hermetisk lukker sensorstrukturen.
8. Vinkelhastighetssensor ifølge et av de foregående krav 2-6,karakterisert vedat festepunktene (2, 11, 12, 21, 32, 33) er forbundet ved hjelp av en fusjonsforbindelse med skiven, som hermeetisk lukker sensorstrukturen.
NO20073687A 2004-12-31 2007-07-17 Oscillerende mikro-mekanisk vinkelhastighetssensor NO340780B1 (no)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20041709A FI116544B (fi) 2004-12-31 2004-12-31 Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
PCT/FI2005/000558 WO2006070060A1 (en) 2004-12-31 2005-12-30 Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20073687L NO20073687L (no) 2007-10-01
NO340780B1 true NO340780B1 (no) 2017-06-19

Family

ID=33548066

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20073687A NO340780B1 (no) 2004-12-31 2007-07-17 Oscillerende mikro-mekanisk vinkelhastighetssensor

Country Status (10)

Country Link
US (1) US7325451B2 (no)
EP (2) EP1831644B1 (no)
JP (2) JP4719751B2 (no)
KR (1) KR100936640B1 (no)
CN (1) CN101151507B (no)
CA (1) CA2586549C (no)
FI (1) FI116544B (no)
IL (1) IL183574A (no)
NO (1) NO340780B1 (no)
WO (1) WO2006070060A1 (no)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009530603A (ja) * 2006-03-13 2009-08-27 イシャイ センソールス エル ティー デー． 二軸振動ジャイロスコープ
FI119895B (fi) 2007-10-05 2009-04-30 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
DE202009007836U1 (de) * 2009-06-03 2009-08-20 Sensordynamics Ag MEMS-Sensor
EP2378246A1 (en) 2010-04-16 2011-10-19 SensoNor Technologies AS MEMS Structure for an Angular Rate Sensor
FI125695B (en) * 2013-09-11 2016-01-15 Murata Manufacturing Co Improved gyroscope construction and gyroscope
FI125696B (en) 2013-09-11 2016-01-15 Murata Manufacturing Co Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation
FI20146153A (fi) 2014-12-29 2016-06-30 Murata Manufacturing Co Mikromekaaninen gyroskooppirakenne
DE102015213450A1 (de) * 2015-07-17 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh MEMS Drehratensensor mit kombiniertem Antrieb und Detektion
FI127042B (en) 2015-09-09 2017-10-13 Murata Manufacturing Co Electrode of a microelectromechanical device
TWI668412B (zh) * 2017-05-08 2019-08-11 日商村田製作所股份有限公司 電容式微機電加速度計及相關方法
JP6696530B2 (ja) * 2017-05-24 2020-05-20 株式会社村田製作所 圧電ジャイロスコープにおける連結懸架
JP6610706B2 (ja) * 2017-05-24 2019-11-27 株式会社村田製作所 横駆動変換器を備える圧電ジャイロスコープ
CN113175923A (zh) * 2021-05-19 2021-07-27 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 一种mems波动陀螺仪
GB202210053D0 (en) 2022-07-08 2022-08-24 Autorient Tech As Micromechanical devices and methods of manufacturing thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0851212A1 (en) * 1996-07-10 1998-07-01 Wacoh Corporation Angular velocity sensor
US6062082A (en) * 1995-06-30 2000-05-16 Robert Bosch Gmbh Micromechanical acceleration or coriolis rotation-rate sensor
US6561028B1 (en) * 1999-08-10 2003-05-13 Siemens Aktiengesellschaft Mechanical resonator for a rotation sensor

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5481914A (en) 1994-03-28 1996-01-09 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electronics for coriolis force and other sensors
GB2301669B (en) 1995-05-30 1999-11-10 Allied Signal Inc Angular rate sensor misalignment correction
US5600065A (en) 1995-10-25 1997-02-04 Motorola, Inc. Angular velocity sensor
US5992233A (en) 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
US5945599A (en) 1996-12-13 1999-08-31 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Resonance type angular velocity sensor
US5831162A (en) 1997-01-21 1998-11-03 Delco Electronics Corporation Silicon micromachined motion sensor and method of making
US6105427A (en) 1998-07-31 2000-08-22 Litton Systems, Inc. Micro-mechanical semiconductor accelerometer
AU5241599A (en) 1998-07-31 2000-02-21 Litton Systems, Incorporated Micromachined rotation sensor with modular sensor elements
JP3796991B2 (ja) 1998-12-10 2006-07-12 株式会社デンソー 角速度センサ
WO2000068640A2 (en) 1999-04-21 2000-11-16 The Regents Of The University Of California Micro-machined angle-measuring gyroscope
JP2001183138A (ja) * 1999-12-22 2001-07-06 Ngk Spark Plug Co Ltd 角速度センサ
US6443008B1 (en) * 2000-02-19 2002-09-03 Robert Bosch Gmbh Decoupled multi-disk gyroscope
JP2001264069A (ja) * 2000-03-16 2001-09-26 Aisin Seiki Co Ltd 角速度センサ
US6370937B2 (en) 2000-03-17 2002-04-16 Microsensors, Inc. Method of canceling quadrature error in an angular rate sensor
JP2002148048A (ja) * 2000-11-08 2002-05-22 Murata Mfg Co Ltd 角速度検出素子
DE10108198A1 (de) 2001-02-21 2002-09-12 Bosch Gmbh Robert Drehratensensor
FI113704B (fi) 2001-03-21 2004-05-31 Vti Technologies Oy Menetelmä piianturin valmistamiseksi sekä piianturi
JP2002296038A (ja) * 2001-03-30 2002-10-09 Mitsubishi Electric Corp 角速度センサ
US6619121B1 (en) 2001-07-25 2003-09-16 Northrop Grumman Corporation Phase insensitive quadrature nulling method and apparatus for coriolis angular rate sensors
FR2834055B1 (fr) 2001-12-20 2004-02-13 Thales Sa Capteur inertiel micro-usine pour la mesure de mouvements de rotation
KR100431004B1 (ko) 2002-02-08 2004-05-12 삼성전자주식회사 회전형 비연성 멤스 자이로스코프
US6892575B2 (en) * 2003-10-20 2005-05-17 Invensense Inc. X-Y axis dual-mass tuning fork gyroscope with vertically integrated electronics and wafer-scale hermetic packaging

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6062082A (en) * 1995-06-30 2000-05-16 Robert Bosch Gmbh Micromechanical acceleration or coriolis rotation-rate sensor
EP0851212A1 (en) * 1996-07-10 1998-07-01 Wacoh Corporation Angular velocity sensor
US6561028B1 (en) * 1999-08-10 2003-05-13 Siemens Aktiengesellschaft Mechanical resonator for a rotation sensor

Also Published As

Publication number Publication date
US20060156813A1 (en) 2006-07-20
EP2653832B1 (en) 2016-08-03
WO2006070060A1 (en) 2006-07-06
CN101151507B (zh) 2011-04-06
CA2586549A1 (en) 2006-07-06
JP2008527319A (ja) 2008-07-24
CN101151507A (zh) 2008-03-26
CA2586549C (en) 2012-03-20
FI116544B (fi) 2005-12-15
JP2011141281A (ja) 2011-07-21
NO20073687L (no) 2007-10-01
EP1831644A1 (en) 2007-09-12
EP2653832A1 (en) 2013-10-23
EP1831644A4 (en) 2011-08-10
KR100936640B1 (ko) 2010-01-14
US7325451B2 (en) 2008-02-05
KR20070092738A (ko) 2007-09-13
IL183574A (en) 2011-03-31
JP4719751B2 (ja) 2011-07-06
EP1831644B1 (en) 2013-10-16
IL183574A0 (en) 2007-09-20
FI20041709A0 (fi) 2004-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO340780B1 (no) Oscillerende mikro-mekanisk vinkelhastighetssensor
KR101885909B1 (ko) ｘ, ｙ 및/또는 ｚ축에 대한 회전 움직임을 검출하기 위한 ＭＥＭＳ 자이로스코프
TWI230781B (en) Microgyroscope tunable for translational acceleration
KR101823325B1 (ko) 개선된 자이로스코프 구조체 및 자이로스코프
KR101178692B1 (ko) 코리올리 자이로스코프
US10480942B2 (en) Micromechanical detection structure of a MEMS multi-axis gyroscope, with reduced drifts of corresponding electrical parameters
JP3770677B2 (ja) マイクロジャイロスコープ
JP6260706B2 (ja) 改良された直交位相補正を有するジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープ
NO339420B1 (no) Oscillerende mikromekanisk vinkelhastighetssensor
GB2384054A (en) Angular velocity sensor with four vibrating masses
EP3640591B1 (en) Microelectromechanical device for detection of rotational motion
WO2001079862A1 (en) Z-axis micro-gyro
US6338274B1 (en) Tuned flexure accelerometer
CN116753930A (zh) 一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪

Legal Events

Date Code Title Description
CHAD Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften)

Owner name: MURATA ELECTRONICS OY, FI

CHAD Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften)

Owner name: MURATA MANUFACTURING CO., JP

CREP Change of representative

Representative=s name: PLOUGMANN VINGTOFT, POSTBOKS 1003 SENTRUM, 0104