WO2025002605A1 - Microelectromechanical coupling device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a microelectromechanical coupling device for coupling microelectromechanical components and a ring gyroscope with such a coupling device.
- micromechanical measuring devices such as yaw rate or acceleration sensors
- different micromechanical components such as vibration systems or masses, often have to be connected to each other in order to couple the respective movements.
- a coupling by means of a freely floating, non-supported ring would be desirable, as this reacts to a radial force with a deflection that has the same amplitude regardless of the point in the circumferential direction at which the radial force is applied. It can also be advantageous to use a freely floating ring as a rotation rate sensor, in which a detection oscillation is superimposed on an excitation oscillation during rotation due to the Coriolis force.
- spokes are very space-saving.
- the need to have several rings in order to obtain the appropriate bearings partially compensates for this space saving.
- the spokes do not have resonances in the range of a few kHz due to their stiffness. It is also difficult to achieve homogeneous behavior in the circumferential direction with this structure. Alternatively, extremely long and therefore space-consuming, but also very soft springs are used. Although low resonance frequencies can be achieved with these, the deviations from the ideal ring are very large here too, since homogeneous behavior in the circumferential direction cannot be achieved.
- the object of the present invention is therefore to provide a micromechanical coupling device or a ring gyroscope in which the excitation of translational modes can be suppressed and at the same time installation space can be saved compared to the known solutions.
- a microelectromechanical coupling device for coupling microelectromechanical components has a flexible ring structure which forms a circle at rest, which can be deformed substantially parallel to the plane of the circle and which is suitable for coupling the microelectromechanical components; and a plurality of spring elements which are suitable for connecting the ring structure to a substrate.
- Each spring element has at least one tangential spring which can be deflected substantially tangentially to the ring structure and at least one radial spring which can be deflected substantially in the radial direction of the ring structure.
- the tangential spring and the radial spring of each spring element are independent components and the ratio of spring stiffnesses of the tangential spring and the radial spring of each spring element is designed such that an oscillation that deforms the ring structure is energetically more favorable than an oscillation that displaces the ring structure translationally and/or rotationally relative to the substrate and/or that the natural frequency of the translational and/or rotational oscillation and the closest natural frequency of a deforming oscillation have a distance that is greater than 5% of the natural frequency of this deforming oscillation.
- the distance between the natural frequencies is preferably in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the natural frequency of the deforming oscillation.
- the coupling device therefore has a ring as a basic structure which is mounted above a substrate and has, for example, the shape of a self-contained web, the height of which perpendicular to the substrate is a multiple of its width parallel to the substrate. In the resting position, this ring forms a circle in the broadest sense, ie a closed curve that lies parallel to the substrate. A deformation of the ring is then essentially only possible parallel to the substrate, ie deflections perpendicular to the substrate are negligible for operation.
- the ring structure is connected to the substrate via spring elements that are composed of tangential springs and radial springs, i.e. springs that can be deflected essentially tangentially to the ring structure or perpendicularly to the ring structure.
- the spring stiffnesses of the tangential and radial springs can be adjusted independently of one another by appropriately dimensioning the springs during the design and manufacture of the coupling device. In this way, a ratio of the spring stiffnesses of the tangential and radial springs of each spring element can be adjusted in which the translational mode or other disturbing modes such as rotational modes are energetically disadvantaged compared to at least one "real" vibration mode, i.e. one that deforms the ring structure, hereinafter also referred to as bending mode. This ensures that the ring structure deforms as desired when excited and does not simply move sideways.
- the ratio of the spring stiffness of the tangential and radial springs it is possible to ensure that the natural frequency of the translational mode and/or the rotational mode differs sufficiently from the closest natural frequency of the bending mode. This ensures that a force impulse on the coupling device that excites the translational mode, for example, does not couple into the vibration mode that is actually intended and disturb it. In this way, disturbances to an operating vibration of the ring structure can be prevented.
- the ring vibrates in the form of an ellipse.
- two vibration nodes i.e. locations with maximum amplitude, are formed.
- the angle 0 describes the circumferential angle.
- the points on the ring therefore experience both a radial and a tangential deflection.
- the tangential deflection is a maximum of half the size of the radial deflection.
- the sum of the radial deflection of the points is greater than the sum of the tangential deflection. There is therefore more radial deflection than tangential deflection.
- the deflections in the radial and tangential directions can be controlled via the ratio of the spring stiffness of the tangential springs and the radial springs of each spring element.
- the tangential deflection no longer applies. is a maximum of half the radial deflection.
- a ring behaves analogously in a rotational mode.
- the ring rotates as a rigid body around the central axis and only the springs are deflected.
- the springs are deflected approximately exclusively in the tangential direction.
- the translational mode and the rotational modes of the ring structure can be suppressed or shifted to higher frequencies by using independent radial and tangential springs in each of the spring elements, because their separately adjustable spring stiffnesses can suppress a deflection of the ring structure in the tangential direction by more than half of the deflection in the radial direction.
- the n 2 eigenmode can therefore be energetically favored compared to the translational mode and/or rotational mode.
- the spring elements can be designed such that the ratio of the spring stiffness of the tangential spring to the spring stiffness of the radial spring is in a range from 1 to 3. This ensures that the translational mode and/or rotational mode is not the most energetically favorable mode or that its natural frequency is sufficiently far from the (or at least one) natural frequency of the bending eigenmodes.
- the ring structure can be suitable for being excited to oscillations with an amplitude, preferably in the range between 0.1 pm and 10 pm, in which the spring stiffnesses of the tangential springs and the radial springs remain constant.
- an amplitude preferably in the range between 0.1 pm and 10 pm
- both the tangential Both the radial springs and the ring structure remain in the linear range during vibrations that occur when the coupling device is in operation, in which the deflection is directly proportional to the deflecting force, ie in which the spring stiffness is constant.
- This can be achieved in particular by the separate design of the tangential and radial springs, which can cushion the movements in their respective preferred direction.
- the spring elements can have a radial extension of less than 25% of the radius of the ring structure in the resting state. This is also made possible by the separate design of tangential and radial springs.
- the radial springs can be narrow in the radial direction of the ring structure and, for example, only take up 10% or 5% of the radius of the ring structure. Since the tangential springs only have to/should allow a smaller deflection than the radial springs, they can also be designed to be compact. This enables a compact suspension of the ring structure and thus a compact design of the coupling device.
- the spring elements can be connected to the ring structure from the outside. This allows the installation space inside the ring structure to be kept free, e.g. for other components with additional functionality. Due to the small space requirement of the spring elements, not much space is required on the outside of the ring structure either.
- the coupling device can therefore be compact and yet still have increased functionality.
- Each spring element can be designed in such a way that less than half the space is available for deflections of the tangential spring in the tangential direction than for deflections of the radial spring in the radial direction.
- vibrations of the ring structure should be energetically preferred where the tangential movement component of the ring structure is only a maximum of half as large as the radial movement component. Accordingly, the installation space to be kept free for the tangential movements can be reduced and the space freed up can be used for other components. This makes the coupling device more compact and can still be equipped with a large number of components.
- Electrodes for exciting and/or reading vibrations of the ring structure can be arranged between the spring elements in the circumferential direction of the ring structure. This makes the ring structure particularly compact.
- Each of the electrodes can extend circumferentially over an angle of between 10° and 45° measured from the center of the ring structure, preferably over an angle of between 15° and 30° and more preferably over an angle of 18°. This places the electrodes in contact with large, continuous sections of the ring structure. This reduces the voltage on the electrodes required for a force to be applied/read. This makes the operation of the coupling device more efficient.
- the spring elements can be evenly distributed in the circumferential direction of the ring structure. This facilitates the manufacture of the coupling device.
- Each spring element can connect the ring structure to the substrate via exactly one anchor structure. This reduces the damping mechanism of the so-called “anchor losses”.
- Anchor losses occur when forces are introduced into the substrate via several points, which can then only be balanced at the level of the substrate.
- the “anchor losses” describe the energy that is introduced into the substrate by forces and moments on the anchors and dissipates into the environment via the substrate and is thus lost. This can be counteracted by balancing forces and moments and transferring these forces and moments to the substrate at as few and as central points as possible. Accordingly, the use of only one anchor structure reduces the occurrence of such anchor losses.
- the radial spring may comprise a double-folded cantilever spring extending in the tangential direction and connected in the radial direction to the substrate and the tangential spring
- the tangential spring may be a cantilever spring folded more than twice or comprise at least two double-folded cantilever springs extending in the radial direction and connected in the radial direction to the radial spring and the ring structure. This makes it easy to manufacture spring elements corresponding to the above.
- a ring gyroscope can have a micromechanical coupling device as described above.
- the ring structure can be suitable for carrying out an excitation oscillation, which, when the ring structure is rotated, generates a force generated by the Coriolis force. detection oscillation is superimposed.
- the spring elements represent the microelectromechanical components. In this way, a ring gyroscope can be realized in which the undesired translational mode or its natural frequency can be sufficiently separated from the desired operating modes or their frequencies.
- the so-called “angular gain” of the second natural oscillation of the ring structure which is formed from the ratio of Coriolis mass to twice the modal mass, can be in a range between 0.3 and 0.4, preferably in a range between 0.35 and 0.4 and more preferably in a range between 0.38 and 0.4, with the end points being part of the specified ranges.
- the modal mass describes the proportional mass of the associated natural oscillation, i.e. an effective mass of the corresponding natural oscillation. It results from the eigenvector of the corresponding mode and the mass distribution.
- the Coriolis mass is made up of all mass points that move in the direction of the exciting oscillation during an excited oscillation and in the direction of the detection oscillation during detection.
- the so-called “angular gain” can be determined from the ratio of Coriolis mass and modal mass.
- the theoretical maximum angular gain is 1 (Foucault pendulum).
- a large angular gain is advantageous and can be understood as the amplification factor of the angular rate signal.
- Fig. 1A and 1B show a schematic representation of a microelectromechanical coupling device
- Fig. 2 is a schematic representation of a spring element formed from a combination of a tangential spring and a radial spring
- Fig. 3A and 3B are schematic representations of the deflections of the radial spring and the tangential spring of Fig. 2;
- Fig. 4 is a schematic representation of another spring element
- Fig. 5 is a schematic representation of another spring element
- Fig. 6 is a schematic representation of another spring element
- Fig. 7 is a schematic representation of another spring element
- Fig. 8 is a schematic representation of another spring element
- Fig. 9 is a schematic representation of a ring gyroscope constructed from a microelectromechanical coupling device
- Fig. 10 is a schematic representation of another ring gyroscope.
- Fig. 11 is a schematic representation of the arrangement of electrodes and spring elements in a coupling device.
- Figs. 1A and 1B show a schematic representation of a microelectromechanical coupling device 100, which is suitable for coupling microelectromechanical components, such as those used in microelectromechanical measuring devices such as rotation rate and/or acceleration sensors.
- the microelectromechanical coupling device 100 can also form the basic structure of a ring-shaped rotation rate sensor.
- Fig. 1B is a section through Fig. 1A along the line l-l.
- the coupling device 100 has a flexible ring structure 110 and a plurality of spring elements 120.
- the ring structure forms a circle at rest and can be deformed essentially parallel to the plane of the circle.
- the ring structure 110 has a substantially rectangular shape perpendicular to the plane of the circle or perpendicular to a substrate 200 over which the ring structure 110 is mounted. Cross-section with long sides perpendicular to the substrate 200, which are many times longer than the short sides parallel to the substrate 200.
- the ring structure 110 can therefore be viewed, for example, as a self-contained bending beam spring that can deform parallel to the substrate 200, with deformations perpendicular to the substrate 200 being negligible (in a first approximation).
- the shape of the ring structure 110 shown is purely exemplary.
- the ring structure 110 can have any shape that essentially only promotes deformation parallel to the substrate plane.
- the ring structure 110 can also have a degenerate circular shape in the rest position and be designed, for example, as an ellipse or as a polygon with rounded corners. Such degenerate circular shapes should therefore also be covered by the reference to the circular ring structure 110.
- Coupling points 112 are indicated on the ring structure 110, at which the microelectromechanical components to be coupled engage or at which these components are connected to the ring structure 110.
- the coupling allows movements between the microelectromechanical components to be transmitted or coordinated.
- the coupling device 100 can mediate a force- and torque-free push-pull oscillation between the components.
- the microelectromechanical components can be, for example, sensor masses or oscillation systems. In principle, however, the type, structure and size of the components 200 to be coupled are arbitrary. Likewise, the number of components 200 can be greater than two.
- the coupling can also be carried out via the spring elements 120.
- the coupling points 112 are missing.
- the spring elements 120 can represent the microelectromechanical components.
- the ring structure is suitable for executing an excitation oscillation, on which a detection oscillation generated by the Coriolis force is superimposed when the ring structure 110 rotates.
- the ring structure 110 is connected to the substrate 200 via a plurality of spring elements 120.
- the spring elements 120 engage at various points of the ring structure 110 and hold it above the substrate 200.
- the spring elements 120 can be connected to anchor structures 125 and the ring structure 110 can be directly to the substrate 200.
- the anchor structures 125 can have any
- each spring element 120 has at least one tangential spring 122, which can be deflected substantially tangentially to the ring structure 110, and at least one radial spring 124, which can be deflected substantially in the radial direction of the ring structure 110.
- the tangential spring 122 and the radial spring 124 are shown completely schematically in Fig. 1A by means of spiral spring symbols. These springs can have any shape, as long as the tangential spring 122 and the radial spring 124 of each spring element 120 are independent components and the ratio of spring stiffnesses of the tangential spring 122 and the radial spring 124 of each spring element 120 is designed such that an oscillation deforming the ring structure 110 is energetically more favorable than an oscillation that displaces the ring structure 110 translationally relative to the substrate 200 and/or that the natural frequency of the translational oscillation and the closest natural frequency of a deforming oscillation have a distance that is greater than 5% of the natural frequency of this deforming oscillation.
- the distance between the natural frequencies is in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the natural frequency of the deforming vibration.
- the spring elements 120 therefore consist of springs that can be deformed essentially independently of one another and that divide the overall movement/deformation of the spring elements 120 into a radial component and a tangential component, whereby the radial component is generated by the deformation of the radial spring 124 and the tangential component by a deformation of the tangential spring 122.
- the tangential spring 122 and the radial spring 124 are each separate assemblies, the dimensions and properties of which can be set separately during the manufacturing process of the coupling device 100.
- the masses and thicknesses of the tangential springs 122 and the radial springs 124 can be designed differently, e.g. in an etching process, in order to achieve different spring stiffnesses.
- the ratios of the spring stiffness of the tangential springs 122 to the radial springs 124 can be set such that a translational or rotational oscillation of the ring structure 110, ie an oscillation without deformation of the ring structure 110, is energetically less favorable than an oscillation that deforms the ring structure 110.
- the ratios of the spring stiffnesses in the individual spring elements 120 can also be designed differently.
- the ratio of the spring stiffnesses of the tangential spring 122 and the radial spring 124 can also be set such that the eigenfrequencies of the eigenmodes are sufficiently far apart.
- the eigenfrequency of the translational mode and/or rotational mode should be sufficiently far away from the initial eigenfrequency of a bending mode that deforms the ring structure 110 in order to ensure that force impulses exciting the translational mode do not couple into this bending mode and disturb it.
- the eigenfrequencies can, for example, have a distance of more than 5% of the eigenfrequency of the bending mode.
- the distance between the eigenfrequencies is preferably in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the eigenfrequency of the deforming vibration.
- the ring structure 110 should oscillate with such a small amplitude, preferably in the range between 0.1 pm and 10 pm, that the spring stiffness of the tangential springs 122 and the radial springs 124 remain constant.
- the spring elements 120 therefore behave like linear springs in the deflection range of the ring structure 110.
- the linearity of the spring elements 120 is also due to the separation of tangential springs 122 and radial springs 124. This separation allows the deflections taking place parallel to the substrate 200 in each direction to be split into a radial and a tangential part and absorbed by the corresponding spring. This prevents parts of the spring elements 120 from being deflected in their preferred directions, i.e. in directions in which they leave the linearity range even with small deflections. This makes the vibration of the ring structure 110 easier to control.
- the above-described design of the coupling device allows excitations of the translational mode to be effectively suppressed compared to excitations of bending modes.
- the separation of the spring elements 120 into tangential springs 122 and radial springs 124 also allows a compact design of the spring elements 120, so that the suppression of the translational mode can be achieved together with a compact design of the coupling device 100.
- the spring elements 120 can in particular have a radial extension of less than 25% of the radius of the ring structure 110 in the resting state, whereby the coupling device 100 becomes particularly compact. This makes it possible to place further components in or around the ring structure 110.
- the spring elements 120 can be connected to the ring structure 110 from the inside, as shown in Fig. 1A. Due to their compact design, a large part of the interior of the ring structure 110 remains free. However, they can also be connected to the ring structure 110 from the outside, since their small size does not lead to an excessive enlargement of the coupling device. This allows the interior of the ring structure 110 to be made completely free for the arrangement of further components, which is not possible, for example, in designs from the prior art in which the ring structure is held by long, centrally anchored springs or by large frame structures.
- the spring elements 120 can, as shown in Fig. 1A, in principle be distributed irregularly along the ring structure 110 if this is advantageous for the intended suppression of the translational mode. Preferably, however, the spring elements are evenly distributed in the circumferential direction of the ring structure 110, as this facilitates production. In addition, the ring structure 110 can be excited more easily in a homogeneous manner.
- each spring element 120 connects the ring structure 110 to the substrate 200 via exactly one anchor structure 125.
- the anchor losses describe the energy that is introduced into the substrate by forces and moments on the anchors and dissipates into the environment via the substrate and is thus lost. This can be counteracted by balancing forces and moments and by transferring these forces and moments to the substrate at as few and as central points as possible. Accordingly, the use of only one anchor structure reduces the occurrence of such anchor losses.
- the coupling device 110 can have a plurality of spring elements 120.
- the number of spring elements 120 can also be different. For example, 4, 8, 16, 24 or 32 spring elements 120 can be used.
- Figs. 2 to 8 different variants of spring elements 120 are shown. These variants have in common that in the spring elements 120, the radial spring 124 is a double-folded Bending beam spring that extends in the tangential direction and is connected in the radial direction to the substrate 200 and the tangential spring 122, and the tangential spring 122 is a bending beam spring that is folded more than twice or has at least two double-folded bending beam springs that extend in the radial direction and are connected in the radial direction to the radial spring 124 and the ring structure 110.
- the tangential spring 122 and the radial spring 124 can be represented separately. For example, it is possible to attach the radial spring 124 to the ring structure and the tangential spring 122 to the substrate 200.
- Fig. 2 shows a spring element 120 in which the radial spring 124 is designed as a double-folded bending beam spring that creates a connection between an anchor point 125 and the tangential spring 122.
- a bending beam that extends in a tangential direction is connected, preferably in its center, to the anchor structure 125.
- the bending beam is folded by 360°, i.e. it runs back in parallel and thus forms a second bending beam that runs parallel to the first bending beam.
- the two bending beams are connected at their ends.
- Such a structure can be produced in a manner known per se by an etching process.
- the tangential spring 122 consists of a bending beam spring that runs in a radial direction from a (preferably centrally located) connection point with the radial spring 124 to the ring structure 110. At the end of this bending beam spring there is a double-folded bending beam spring that is folded in such a way that it runs like a serpentine. The long sides of the serpentines run parallel to the centrally located bending beam spring, i.e. in a radial direction. In the example in Fig. 2 there are 3 serpentines, with the connection to the radial spring 124 and the ring structure 110 being made at a central point. However, other numbers of serpentines are also possible.
- Figs. 3A and 3B show the deflections of this spring element 120 in greatly exaggerated form in Figs. 3A and 3B.
- Fig. 3A shows the deflection in the radial direction r, in which essentially only the radial spring 124 is deformed.
- Fig. 3B shows the deflection in the tangential direction t, in which essentially only the tangential spring 122 is deformed.
- the spring element 120 shown in Fig. 4 corresponds to the design of Fig. 2, except for the use of two double-folded bending beam springs in the radial spring 124. This allows the parameters of the radial spring 124 to be adjusted even more flexibly.
- the spring element 120 shown in Fig. 5 uses pairs of bending beam springs arranged in a fork shape as the tangential spring 122, i.e. pairs of bending beam springs connected at one end and connected to one another at their other end. This design also allows the spring parameters of the tangential spring 122 and the radial spring 124 to be set independently of one another.
- Figures 6 and 7 show two variants of a “two-pronged bending beam fork” which is connected to the radial spring 124 or the ring structure 110 via a single bending beam. These designs are particularly compact in the tangential direction.
- Fig. 8 shows a variant in which the tangential spring 122 consists of two double-folded bending beam springs, which are connected by a frame to the radial spring 124 and a bending beam spring anchored to the ring structure 110.
- the radial spring 124 designed as a double-folded bending beam spring, is not continuous here, but merges into the frame.
- Fig. 9 shows a coupling device 100 in which the coupled microelectromechanical components are the spring elements 120.
- the coupling device 100 corresponds to a deformable ring that is spring-loaded above the substrate 200.
- This can be used as a ring gyroscope 300 because the ring structure 110 is suitable for executing an excitation oscillation, which is superimposed by a detection oscillation generated by the Coriolis force when the ring structure 110 rotates.
- a rotation of the ring structure 110 leads to a change in this oscillation, which can be read out, e.g. via detection electrodes, in order to determine the rotation rate of the rotation.
- the suppression of the translational mode, or the separation of the natural frequency of the translational mode from the operating frequency/excitation frequency of the ring gyroscope 300 is particularly advantageous because this can reduce interference with the measurement. This improves the measurement accuracy of the ring gyroscope 300.
- ring structure 110 of a ring gyroscope 300 can also be used as the ring structure 110 of a ring gyroscope 300, e.g. to increase the mass of the oscillating ring structure 110.
- the spring elements 120 are designed to be compact (smaller than 1/4 of the radius) compared to the dimensions of the ring structure 110 and therefore hardly increase the installation space for the ring gyroscope 300 compared to the ring structure 110 without spring elements 120.
- Electrodes 140 for exciting and/or reading out vibrations of the ring structure 110 can be arranged between the spring elements 120 both when used as a ring gyroscope 300 and generally in the circumferential direction of the ring structure 110. This is shown as an example in Fig. 11. In this way, vibrations of the ring structure 110 can be excited or measured in a compact manner. In addition, the electrodes 140 can almost completely surround the ring structure 110 in the circumferential direction, whereby a homogeneous response behavior of the ring structure 110 can be achieved. As shown in Fig. 11, the electrodes 140 can be moved relatively close to the tangential springs 122, since these are deflected only comparatively little due to the suppressed translation mode. This improves the interaction between the electrodes 140 and the ring structure 110 and thus the response behavior of the ring structure 110. In addition, the voltage at the electrodes required for a force to be applied/read out is reduced.
- Each of the electrodes 140 can extend in the circumferential direction over an angle of between 10° and 45° measured from the center of the ring structure 110, depending on the number of spring elements 120 used.
- An angle range of between 15° and 30° has proven to be preferred, when using 10 to 20 spring elements 120.
- 16 spring elements 120 evenly distributed in the circumferential direction along the ring structure 110 can be used and the electrodes 140 can each assume an angle of 18°.
- 80% of the circumferential direction of the ring structure 110 can be provided with electrodes 140.
- an arrangement of electrodes 140 in a range of 70% to 90% of the circumferential direction of the ring structure 110 can be considered advantageous for the response behavior of the ring structure 110.
- the modal mass describes the proportionate mass of the corresponding natural oscillation, i.e. an effective mass of the corresponding natural oscillation. It results from the eigenvector of the corresponding mode and the mass distribution.
- the Coriolis mass is made up of all mass points that move in the direction of the exciting oscillation during an excited oscillation and in the direction of the detection oscillation during detection.
- the so-called "angular gain” can be determined from the ratio of Coriolis mass and modal mass.
- the theoretical maximum angular gain is 1 (Foucault pendulum). A large angular gain is advantageous and can be used as a gain. factor of the angular rate signal.
- an angular can be achieved that comes extremely close to this theoretical value. This is due to the suppression of the translational mode.
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Abstract
Description
Mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung microelectromechanical coupling device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten sowie ein Ringgyroskop mit einer derartigen Kopplungsvorrichtung. The present invention relates to a microelectromechanical coupling device for coupling microelectromechanical components and a ring gyroscope with such a coupling device.
In mikromechanischen Messvorrichtungen wie etwa Drehraten- oder Beschleunigungssensoren müssen häufig verschiedene mikromechanische Komponenten, wie z.B. Schwingungssysteme oder Massen, miteinander verbunden werden, um die jeweiligen Bewegungen miteinander zu koppeln. In micromechanical measuring devices such as yaw rate or acceleration sensors, different micromechanical components, such as vibration systems or masses, often have to be connected to each other in order to couple the respective movements.
Oftmals wäre hierbei eine Kopplung durch einen frei schwebenden, nicht gelagerten Ring wünschenswert, da dieser auf eine radiale Krafteinwirkung mit einer Auslenkung reagiert, die, unabhängig von der Stelle in Umfangsrichtung, an der die radiale Krafteinwirkung erfolgt, die gleiche Amplitude hat. Ebenso kann es vorteilhaft sein, einen frei schwebenden Ring als Drehratensensor zu verwenden, in dem einer Anregungsschwingung bei Drehung aufgrund der Corioliskraft eine Detektionsschwingung überlagert wird. Often, a coupling by means of a freely floating, non-supported ring would be desirable, as this reacts to a radial force with a deflection that has the same amplitude regardless of the point in the circumferential direction at which the radial force is applied. It can also be advantageous to use a freely floating ring as a rotation rate sensor, in which a detection oscillation is superimposed on an excitation oscillation during rotation due to the Coriolis force.
Problematisch hierbei ist aber, dass ohne jegliche Verbindung zu einem Substrat der Messvorrichtung translatorische Moden, Rotationsmoden, bei denen der Ring als Ganzes rotiert, oder weitere parasitäre Moden die ersten Eigenmoden bilden. Diese sind aber nicht erwünscht. Zudem ist die Herstellung eines nicht gelagerten Rings zur Kopplung von mikroelektromechanischen Komponenten fertigungstechnisch mit großem Aufwand verbunden. The problem here is that without any connection to a substrate of the measuring device, translational modes, rotational modes in which the ring rotates as a whole, or other parasitic modes form the first eigenmodes. However, these are not desired. In addition, the production of an unsupported ring for coupling microelectromechanical components involves a great deal of effort in terms of production technology.
Bekannt ist hier z.B. die Verwendung von Systemen mit mehreren Ringen, die durch steife, kurze Anbindungen (sogenannte Spokes) miteinander verbunden sind. Die Spokes für sich sind zwar sehr platzsparend. Durch die Notwendigkeit mehrere Ringe vorzuhalten, um eine entsprechende Lagerung zu erhalten, wird diese Platzersparnis aber zum Teil wieder kompensiert. Zudem haben die Spokes aufgrund ihrer Steifheit keine Resonanzen im Bereich von wenigen kHz. Auch ist mit diesem Aufbau ein homogenes Verhalten in Umfangsrichtung nur schwer zu erreichen. Alternativ werden extrem lange und damit platzraubende, aber auch sehr weiche Federn eingesetzt. Damit können zwar niedrige Resonanzfrequenzen realisiert werden, allerdings sind auch hier die Abweichungen zum idealen Ring sehr groß, da kein homogenes Verhalten in Umfangsrichtung erreicht werden kann. One known example is the use of systems with several rings that are connected to one another by stiff, short connections (so-called spokes). The spokes themselves are very space-saving. However, the need to have several rings in order to obtain the appropriate bearings partially compensates for this space saving. In addition, the spokes do not have resonances in the range of a few kHz due to their stiffness. It is also difficult to achieve homogeneous behavior in the circumferential direction with this structure. Alternatively, extremely long and therefore space-consuming, but also very soft springs are used. Although low resonance frequencies can be achieved with these, the deviations from the ideal ring are very large here too, since homogeneous behavior in the circumferential direction cannot be achieved.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine mikromechanische Kopplungsvorrichtung bzw. ein Ringgyroskop anzugeben, bei der die Anregung von translatorischen Moden unterdrückt und gleichzeitig Bauraum gegenüber den bekannten Lösungen eingespart werden kann. The object of the present invention is therefore to provide a micromechanical coupling device or a ring gyroscope in which the excitation of translational modes can be suppressed and at the same time installation space can be saved compared to the known solutions.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. This object is solved by the subject matter of claim 1.
Eine mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten weist eine flexible Ringstruktur, die in Ruhe einen Kreis formt, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden kann und die zur Kopplung der mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist; und eine Mehrzahl von Federelementen auf, die geeignet sind, die Ringstruktur mit einem Substrat zu verbinden. Hierbei weist jedes Federelement zumindest eine Tangentialfeder, die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder auf, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur ausgelenkt werden kann. Die Tangentialfeder und die Radialfeder jedes Federelements sind eigenständige Bauelemente und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder und der Radialfeder jedes Federelements ist derart ausgestaltet, dass eine die Ringstruktur verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur translatorisch und/oder rotatorisch zum Substrat verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen und/oder rotatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung. A microelectromechanical coupling device for coupling microelectromechanical components has a flexible ring structure which forms a circle at rest, which can be deformed substantially parallel to the plane of the circle and which is suitable for coupling the microelectromechanical components; and a plurality of spring elements which are suitable for connecting the ring structure to a substrate. Each spring element has at least one tangential spring which can be deflected substantially tangentially to the ring structure and at least one radial spring which can be deflected substantially in the radial direction of the ring structure. The tangential spring and the radial spring of each spring element are independent components and the ratio of spring stiffnesses of the tangential spring and the radial spring of each spring element is designed such that an oscillation that deforms the ring structure is energetically more favorable than an oscillation that displaces the ring structure translationally and/or rotationally relative to the substrate and/or that the natural frequency of the translational and/or rotational oscillation and the closest natural frequency of a deforming oscillation have a distance that is greater than 5% of the natural frequency of this deforming oscillation. The distance between the natural frequencies is preferably in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the natural frequency of the deforming oscillation.
Die Kopplungsvorrichtung weist also als Grundstruktur einen Ring auf, der über einem Substrat gelagert ist und z.B. die Form eines in sich geschlossenen Stegs aufweist, dessen Höhe senkrecht zum Substrat ein Vielfaches seiner Breite parallel zum Substrat aufweist. In der Ruhelage bildet dieser Ring einen Kreis im weitesten Sinn, d.h. eine geschlossene Kurve, der parallel zum Substrat liegt. Eine Verformung des Rings ist dann im Wesentlichen nur parallel zum Substrat möglich, d.h. Auslenkungen senkrecht zum Substrat sind für den Betrieb vernachlässigbar. The coupling device therefore has a ring as a basic structure which is mounted above a substrate and has, for example, the shape of a self-contained web, the height of which perpendicular to the substrate is a multiple of its width parallel to the substrate. In the resting position, this ring forms a circle in the broadest sense, ie a closed curve that lies parallel to the substrate. A deformation of the ring is then essentially only possible parallel to the substrate, ie deflections perpendicular to the substrate are negligible for operation.
Um die translatorische und/oder rotatorische Mode bzw. Schwingung zu unterdrücken, ist die Ringstruktur über Federelemente mit dem Substrat verbunden, die aus Tangentialfedern und Radialfedern zusammengesetzt sind, d.h. aus Federn die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur bzw. senkrecht zur Ringstruktur ausgelenkt werden können. Die Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern können durch entsprechende Dimensionierung der Federn bei der Konzeption und Fertigung der Kopplungsvorrichtung unabhängig voneinander eingestellt werden. Auf diese Weise kann ein Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern jedes Federelementes eingestellt werden, bei dem die translatorische Mode oder anderen störenden Moden wie z. B. Rotationsmoden gegenüber zumindest einer „echten“, d.h. die Ringstruktur verformenden, Schwingungsmode, im Folgenden auch Biegemode genannt, energetisch benachteiligt ist. Damit wird sichergestellt, dass die Ringstruktur sich bei einer Anregung wie gewünscht verformt und nicht eine bloße Seitwärtsbewegung ausführt. In order to suppress the translational and/or rotational mode or vibration, the ring structure is connected to the substrate via spring elements that are composed of tangential springs and radial springs, i.e. springs that can be deflected essentially tangentially to the ring structure or perpendicularly to the ring structure. The spring stiffnesses of the tangential and radial springs can be adjusted independently of one another by appropriately dimensioning the springs during the design and manufacture of the coupling device. In this way, a ratio of the spring stiffnesses of the tangential and radial springs of each spring element can be adjusted in which the translational mode or other disturbing modes such as rotational modes are energetically disadvantaged compared to at least one "real" vibration mode, i.e. one that deforms the ring structure, hereinafter also referred to as bending mode. This ensures that the ring structure deforms as desired when excited and does not simply move sideways.
Zusätzlich oder alternativ kann durch die Einstellung des Verhältnisses der Federsteifigkeiten der Tangential- und Radialfedern erreicht werden, dass sich die Eigenfrequenz der translatorischen Mode und/oder der Rotationsmode ausreichend von der nächstgelegenen Eigenfrequenz der Biegemode unterscheidet. Damit wird sichergestellt, dass ein z. B. die translatorische Mode anregender Kraftstoß auf die Kopplungsvorrichtung nicht in die eigentlich angestrebte Schwingungsmode einkoppelt und diese stört. Auf diese Weise können also Störungen einer Betriebsschwingung der Ringstruktur unterbunden werden. Additionally or alternatively, by adjusting the ratio of the spring stiffness of the tangential and radial springs, it is possible to ensure that the natural frequency of the translational mode and/or the rotational mode differs sufficiently from the closest natural frequency of the bending mode. This ensures that a force impulse on the coupling device that excites the translational mode, for example, does not couple into the vibration mode that is actually intended and disturb it. In this way, disturbances to an operating vibration of the ring structure can be prevented.
Die Möglichkeit, die oben genannten Effekte durch das Vorsehen von unabhängig voneinander agierenden Tangential- und Radialfedern zu erreichen, kann wie folgt verstanden werden. The possibility of achieving the above-mentioned effects by providing independently acting tangential and radial springs can be understood as follows.
In der ersten nicht-translatorischen Schwingungsmode schwingt der Ring in Form einer Ellipse. Dabei bilden sich zu jedem Zeitpunkt zwei Schwingungsbäuche, d.h. Orte mit maximaler Amplitude aus. Diese Mode wird deshalb auch n = 2 Eigenmode genannt. Weitere Biege- Eigenmode mit mehreren Schwingungsbäuchen werden entsprechend als n = 3, 4, 5,... Eigenmoden bezeichnet. In the first non-translational vibration mode, the ring vibrates in the form of an ellipse. At any given time, two vibration nodes, i.e. locations with maximum amplitude, are formed. This mode is therefore also called n = 2 eigenmode. Further bending Eigenmodes with multiple antinodes are referred to as n = 3, 4, 5,... eigenmodes.
Aufgrund der elliptischen Form der n = 2 Eigenmode lässt sich die Abweichung des Rings von der Kreisform in Zylinderkoordinaten für jeden Punkt wie folgt parametrisieren: <t> r,i = cos(20) für die radiale Richtung und <t> e,i = - sin(26) für die tangentiale Richtung. Der Winkel 0 beschreibt dabei den umlaufenden Winkel. Due to the elliptical shape of the n = 2 eigenmodes, the deviation of the ring from the circular shape in cylindrical coordinates can be parameterized for each point as follows: <t> r ,i = cos(20) for the radial direction and <t> e,i = - sin(26) for the tangential direction. The angle 0 describes the circumferential angle.
Die Punkte auf dem Ring erfahren also neben einer radialen auch eine tangentiale Auslenkung. Die tangentiale Auslenkung ist dabei maximal halb so groß wie die radiale Auslenkung. Außerdem ist die Summe der radialen Auslenkung der Punkte größer als die Summe der tangentialen Auslenkung. Es findet also mehr radiale Auslenkung als tangentiale Auslenkung statt. The points on the ring therefore experience both a radial and a tangential deflection. The tangential deflection is a maximum of half the size of the radial deflection. In addition, the sum of the radial deflection of the points is greater than the sum of the tangential deflection. There is therefore more radial deflection than tangential deflection.
Es gibt Punkte, die nur eine radiale oder tangentiale Auslenkung, und Punkte, die eine überlagerte Auslenkung in radialer und tangentialer Richtung erfahren. There are points that only experience a radial or tangential deflection, and points that experience a superimposed deflection in the radial and tangential directions.
Verwendet man Federelemente zur Aufhängung einer Ringstruktur, die unabhängig voneinander auslenkbare Radial- und Tangentialfedern aufweisen, lassen sich über das Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangentialfedern und der Radialfedern jedes Federelements die Auslenkungen in radialer und tangentialer Richtung kontrollieren. Je größer die Federsteifigkeit in tangentialer Richtung im Vergleich zur Federsteifigkeit in radialer Richtung ist, desto weniger weit wird die Tangentialfeder bei gleichem Kraftaufwand im Vergleich zur Radialfeder ausgelenkt. Entsprechend lässt sich auch die Ringstruktur in tangentialer Richtung weniger leicht verformen als in radialer Richtung, wenn die Federsteifigkeit der T angentialfedern im Vergleich zu der Federsteifigkeit der Radialfedern groß ist. If spring elements are used to suspend a ring structure that have independently deflectable radial and tangential springs, the deflections in the radial and tangential directions can be controlled via the ratio of the spring stiffness of the tangential springs and the radial springs of each spring element. The greater the spring stiffness in the tangential direction compared to the spring stiffness in the radial direction, the less the tangential spring will deflect compared to the radial spring with the same amount of force. Accordingly, the ring structure can also be deformed less easily in the tangential direction than in the radial direction if the spring stiffness of the tangential springs is high compared to the spring stiffness of the radial springs.
Im Gegensatz zur n=2 Eigenmode verformt sich ein Ring bei einer translatorischen Bewegung nicht, sondern verhält sich näherungsweise wie ein Starrköper mit einer Masse. Bewegt sich die mittels der Federelemente ans Substrat gekoppelte Ringstruktur also rein translatorisch über das Substrat, so werden nur die Federelemente verformt, aber nicht die Ringstruktur. Die AuslenkungA/erformung der Federelemente unterscheidet sich dabei von der Auslenkung der Federelemente in der n=2 Eigenmode. Hier gilt nicht mehr, dass die tangentiale Auslenkung maximal die Hälfte der radialen Auslenkung beträgt. Außerdem ist die Summe der tangentialen Auslenkung der Punkte größer als im Falle der n=2 Eigenmode. Die Summe der radialen Auslenkungen bleibt dabei näherungsweise unverändert. In contrast to the n=2 eigenmode, a ring does not deform during a translational movement, but behaves approximately like a rigid body with a mass. If the ring structure coupled to the substrate by means of the spring elements moves purely translationally over the substrate, only the spring elements are deformed, but not the ring structure. The deflection of the spring elements differs from the deflection of the spring elements in the n=2 eigenmode. Here, the tangential deflection no longer applies. is a maximum of half the radial deflection. In addition, the sum of the tangential deflection of the points is larger than in the case of the n=2 eigenmode. The sum of the radial deflections remains approximately unchanged.
Analog verhält sich ein Ring bei einer Rotationsmode. Hier rotiert der Ring als Starrkörper um die Mittenachse und es werden lediglich die Federn ausgelenkt. Hierbei werden die Federn näherungsweise ausschließlich in tangentialer Richtung ausgelenkt. A ring behaves analogously in a rotational mode. Here, the ring rotates as a rigid body around the central axis and only the springs are deflected. In this case, the springs are deflected approximately exclusively in the tangential direction.
Dementsprechend lässt sich die translatorische Mode und die Rotationsmoden der Ringstruktur durch eine Verwendung von unabhängigen Radial- und Tangentialfedern in jedem der Federelemente unterdrücken bzw. zu höheren Frequenzen verschieben, weil diese durch ihre separat einstellbaren Federsteifigkeiten eine Auslenkung der Ringstruktur in tangentialer Richtung um mehr als die Hälfte der Auslenkung in radialer Richtung unterdrücken können. Die n = 2 Eigenmode kann also gegenüber der translatorischen Mode und/oder Rotationsmode energetisch begünstigt werden. Accordingly, the translational mode and the rotational modes of the ring structure can be suppressed or shifted to higher frequencies by using independent radial and tangential springs in each of the spring elements, because their separately adjustable spring stiffnesses can suppress a deflection of the ring structure in the tangential direction by more than half of the deflection in the radial direction. The n = 2 eigenmode can therefore be energetically favored compared to the translational mode and/or rotational mode.
Dasselbe gilt auch für die höheren Biegeeigenmoden (n=3, 4, 5, ...). Auch diese Moden können durch ein entsprechendes Design der Radial- und Tangentialfedern der Federelemente gegenüber der Translations-/Rotationsmode energetisch begünstigt werden. Entsprechend lassen sich durch Einstellen der Federsteifigkeiten auch die Eigenfrequenzen der Schwin- gungs-/Biegeeigenmoden von der Eigenfrequenz der translatorischen Mode und/oder Rotationsmode separieren. The same applies to the higher bending eigenmodes (n=3, 4, 5, ...). These modes can also be given a higher energy advantage than the translational/rotational mode by appropriately designing the radial and tangential springs of the spring elements. Accordingly, by adjusting the spring stiffnesses, the natural frequencies of the vibration/bending eigenmodes can also be separated from the natural frequency of the translational mode and/or rotational mode.
Die Federelemente können derart ausgebildet sein, dass das Verhältnis der Federsteifigkeit der Tangentialfeder zu der Federsteifigkeit der Radialfeder in einem Bereich von 1 bis 3 liegt. Dies gewährleistet, dass die translatorische Mode und/oder Rotationsmode nicht die energetisch günstigste Mode ist bzw. dass ihre Eigenfrequenz ausreichend weit von den (oder zumindest einer) Eigenfrequenzen der Biegeeigenmoden liegt. The spring elements can be designed such that the ratio of the spring stiffness of the tangential spring to the spring stiffness of the radial spring is in a range from 1 to 3. This ensures that the translational mode and/or rotational mode is not the most energetically favorable mode or that its natural frequency is sufficiently far from the (or at least one) natural frequency of the bending eigenmodes.
Die Ringstruktur kann geeignet sein, zu Schwingungen mit einer Amplitude, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 pm und 10 pm, angeregt zu werden, bei denen die Federsteifigkeiten der Tangentialfedern und der Radialfedern konstant bleiben. Das heißt, sowohl die Tangential- als auch die Radialfedern bleiben bei den durch die Ringstruktur bei Betrieb der Kopplungsvorrichtung auftretenden Schwingungen im linearen Bereich, in dem die Auslenkung direkt proportional zur auslenkenden Kraft ist, d.h. in dem die Federsteifigkeit konstant ist. Dies lässt sich insbesondere durch die separate Ausgestaltung der Tangential- und Radialfedern erreichen, die die Bewegungen in ihre entsprechende Vorzugsrichtung abfedern können. The ring structure can be suitable for being excited to oscillations with an amplitude, preferably in the range between 0.1 pm and 10 pm, in which the spring stiffnesses of the tangential springs and the radial springs remain constant. This means that both the tangential Both the radial springs and the ring structure remain in the linear range during vibrations that occur when the coupling device is in operation, in which the deflection is directly proportional to the deflecting force, ie in which the spring stiffness is constant. This can be achieved in particular by the separate design of the tangential and radial springs, which can cushion the movements in their respective preferred direction.
Die Federelemente können eine radiale Ausdehnung von weniger als 25% des Radius der Ringstruktur im Ruhezustand haben. Dies wird ebenfalls durch die separate Auslegung von Tangential- und Radialfedern ermöglicht. Insbesondere können die Radialfedern in radialer Richtung der Ringstruktur schmal sein und z.B. nur 10% oder 5% des Radius der Ringstruktur einnehmen. Da die Tangentialfedern nur eine kleinere Auslenkung als die Radialfedern ermöglichen müssen/sollen, können auch diese kompakt ausgestaltet werden. Dadurch lässt sich eine kompakte Aufhängung der Ringstruktur und damit ein kompakter Aufbau der Kopplungsvorrichtung erreichen. The spring elements can have a radial extension of less than 25% of the radius of the ring structure in the resting state. This is also made possible by the separate design of tangential and radial springs. In particular, the radial springs can be narrow in the radial direction of the ring structure and, for example, only take up 10% or 5% of the radius of the ring structure. Since the tangential springs only have to/should allow a smaller deflection than the radial springs, they can also be designed to be compact. This enables a compact suspension of the ring structure and thus a compact design of the coupling device.
Die Federelemente können hierbei von außen mit der Ringstruktur verbunden sein. Dies erlaubt es, den Bauraum im Inneren der Ringstruktur freizuhalten, z.B. für weitere Bauteil mit zusätzlicher Funktionalität. Aufgrund des geringen Platzbedarfs der Federelemente wird hierbei auch im Außenbereich der Ringstruktur nicht viel Platz benötigt. Die Kopplungsvorrichtung kann dadurch kompakt und dennoch mit erhöhter Funktionalität ausgestattet sein. The spring elements can be connected to the ring structure from the outside. This allows the installation space inside the ring structure to be kept free, e.g. for other components with additional functionality. Due to the small space requirement of the spring elements, not much space is required on the outside of the ring structure either. The coupling device can therefore be compact and yet still have increased functionality.
Jedes Federelement kann derart ausgebildet sein, dass für Auslenkungen der Tangentialfeder in tangentiale Richtung weniger als die Hälfte an Raum zur Verfügung steht als für Auslenkungen der Radialfeder in radiale Richtung. Wie oben dargestellt sollen Schwingungen der Ringstruktur energetisch bevorzugt werden, bei denen der tangentiale Bewegungsanteil der Ringstruktur nur maximal halb so groß ist wie der radiale Bewegungsanteil. Entsprechend lässt sich der für die tangentialen Bewegungen freizuhaltenden Bauraum reduzieren und der freiwerdende Bauraum für andere Bauteile verwenden. Dadurch wird die Kopplungsvorrichtung kompakter und kann dennoch mit einer Vielzahl von Bauelementen ausgestattet sein. Each spring element can be designed in such a way that less than half the space is available for deflections of the tangential spring in the tangential direction than for deflections of the radial spring in the radial direction. As shown above, vibrations of the ring structure should be energetically preferred where the tangential movement component of the ring structure is only a maximum of half as large as the radial movement component. Accordingly, the installation space to be kept free for the tangential movements can be reduced and the space freed up can be used for other components. This makes the coupling device more compact and can still be equipped with a large number of components.
In Umfangsrichtung der Ringstruktur können zwischen den Federelementen Elektroden zum Anregen und/oder zum Auslesen von Schwingungen der Ringstruktur angeordnet sein. Die Ringstruktur ist dadurch besonders kompakt ausgestaltet. Jede der Elektroden kann sich in Umfangsrichtung über einen von der Mitte der Ringstruktur aus gemessenen Winkel zwischen 10° und 45° erstrecken, vorzugsweise über einen Winkel zwischen 15° und 30° und weiter vorzugsweise über einen Winkel von 18°. Dadurch stehen die Elektroden mit großen, zusammenhängenden Abschnitten der Ringstruktur in Kontakt. Dadurch reduziert sich die für eine aufzubringende/auszulesende Kraft notwendige Spannung an den Elektroden. Dies macht den Betrieb der Kopplungsvorrichtung effizienter. Electrodes for exciting and/or reading vibrations of the ring structure can be arranged between the spring elements in the circumferential direction of the ring structure. This makes the ring structure particularly compact. Each of the electrodes can extend circumferentially over an angle of between 10° and 45° measured from the center of the ring structure, preferably over an angle of between 15° and 30° and more preferably over an angle of 18°. This places the electrodes in contact with large, continuous sections of the ring structure. This reduces the voltage on the electrodes required for a force to be applied/read. This makes the operation of the coupling device more efficient.
Die Federelemente können in Umfangsrichtung der Ringstruktur gleichmäßig verteilt sein. Dies erleichtert die Fertigung der Kopplungsvorrichtung. The spring elements can be evenly distributed in the circumferential direction of the ring structure. This facilitates the manufacture of the coupling device.
Jedes Federelement kann die Ringstruktur über genau eine Ankerstruktur mit dem Substrat verbinden. Hierdurch wird der Dämpfungsmechanismus der sogenannten „Ankerverluste“ reduziert. Ankerverluste entstehen, wenn Kräfte über mehrere Punkte ins Substrat eingeleitet werden, die sich dann erst auf Ebene des Substrates ausgleichen können. Die „Ankerverluste“ beschreiben die Energie, welche durch Kräfte und Momente an den Ankern ins Substrat eingeleitet wird und über das Substrat in die Umgebung dissipiert und somit verloren geht. Dem kann entgegengewirkt werden, indem sich Kräfte und Momente ausgleichen und diese Kräfte und Momente an möglichst wenig und möglichst zentralen Punkten an das Substrat abgegeben werden. Dementsprechend verringert die Verwendung von nur einer Ankerstruktur das Auftreten von derartigen Ankerverlusten. Each spring element can connect the ring structure to the substrate via exactly one anchor structure. This reduces the damping mechanism of the so-called "anchor losses". Anchor losses occur when forces are introduced into the substrate via several points, which can then only be balanced at the level of the substrate. The "anchor losses" describe the energy that is introduced into the substrate by forces and moments on the anchors and dissipates into the environment via the substrate and is thus lost. This can be counteracted by balancing forces and moments and transferring these forces and moments to the substrate at as few and as central points as possible. Accordingly, the use of only one anchor structure reduces the occurrence of such anchor losses.
In jedem Federelement kann die Radialfeder eine doppelt gefaltete Biegenbalkenfeder aufweisen, die sich in tangentialer Richtung erstreckt und die in radialer Richtung an das Substrat und die Tangentialfeder angebunden ist, und die Tangentialfeder kann eine mehr als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder sein oder mindestens zwei doppelt gefaltete Biegebalkenfedern aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und die in radialer Richtung an die Radialfeder und die Ringstruktur angebunden sind. Dadurch lassen sich Federelemente, die dem oben gesagten entsprechen, in einfacher Weise herstellen. In each spring element, the radial spring may comprise a double-folded cantilever spring extending in the tangential direction and connected in the radial direction to the substrate and the tangential spring, and the tangential spring may be a cantilever spring folded more than twice or comprise at least two double-folded cantilever springs extending in the radial direction and connected in the radial direction to the radial spring and the ring structure. This makes it easy to manufacture spring elements corresponding to the above.
Ein Ringgyroskop kann eine mikromechanische Kopplungsvorrichtung aufweisen, wie sie oben beschrieben wurde. Hierbei kann die Ringstruktur geeignet sein, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird. Die Federelemente stellen hierbei die mikroelektromechanischen Komponenten dar. Auf diese Weise kann ein Ringgyroskop realisiert werden, bei dem die unerwünschte translatorische Mode bzw. deren Eigenfrequenz ausreichend von den gewünschten Betriebsmoden bzw. deren Frequenzen getrennt werden können. A ring gyroscope can have a micromechanical coupling device as described above. The ring structure can be suitable for carrying out an excitation oscillation, which, when the ring structure is rotated, generates a force generated by the Coriolis force. detection oscillation is superimposed. The spring elements represent the microelectromechanical components. In this way, a ring gyroscope can be realized in which the undesired translational mode or its natural frequency can be sufficiently separated from the desired operating modes or their frequencies.
Hierbei kann der sogenannte „Angular gain“ der zweiten Eigenschwingung der Ringstruktur, welcher sich aus dem Verhältnis von Coriolismasse zur doppelten modalen Masse bildet, in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,4, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,4 und weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,4 liegen, wobei die Endpunkte Teil der angegebenen Bereiche sind. Die modale Masse beschreibt hierbei die anteilige Masse an der zugehörigen Eigenschwingung, d.h. einer effektiven Masse der entsprechenden Eigenschwingung. Sie ergibt sich aus dem Eigenvektor der entsprechenden Mode und der Massenverteilung. Die Coriolismasse setzt sich aus allen Massepunkten zusammen, die sich bei einer angeregten Schwingung in Richtung der anregenden Schwingung bewegen und während der Detektion in Richtung der Detektions-Schwingung. Aus dem Verhältnis von Coriolismasse und modaler Masse lässt sich der sog. „angular gain“ bestimmen. Der theoretisch maximale angular gain liegt bei 1 (Foucaultsches Pendel). Ein großer angular gain ist vorteilhaft und lässt sich als Verstärkungsfaktor des Drehratensignals verstehen. Theoretisch beträgt der angular gain eines Ringgyroskops in der n = 2 Eigenmode 0,4. Mit der oben beschriebenen, als Ringgyroskop betriebenen Kopplungsvorrichtung lässt sich ein angular gain erzielen, der diesem theoretischen Betrag äußerst nahekommt. The so-called “angular gain” of the second natural oscillation of the ring structure, which is formed from the ratio of Coriolis mass to twice the modal mass, can be in a range between 0.3 and 0.4, preferably in a range between 0.35 and 0.4 and more preferably in a range between 0.38 and 0.4, with the end points being part of the specified ranges. The modal mass describes the proportional mass of the associated natural oscillation, i.e. an effective mass of the corresponding natural oscillation. It results from the eigenvector of the corresponding mode and the mass distribution. The Coriolis mass is made up of all mass points that move in the direction of the exciting oscillation during an excited oscillation and in the direction of the detection oscillation during detection. The so-called “angular gain” can be determined from the ratio of Coriolis mass and modal mass. The theoretical maximum angular gain is 1 (Foucault pendulum). A large angular gain is advantageous and can be understood as the amplification factor of the angular rate signal. Theoretically, the angular gain of a ring gyroscope in the n = 2 eigenmode is 0.4. With the coupling device described above, operated as a ring gyroscope, an angular gain can be achieved that is extremely close to this theoretical value.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren weiter beschrieben. Die Figuren und ihre Beschreibung sind dabei rein beispielhaft. Die vorliegende Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt: The invention is further described below with reference to the figures. The figures and their description are purely exemplary. The present invention is defined solely by the subject matter of the claims. It shows:
Fig. 1A und 1 B eine schematische Darstellung einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung; Fig. 1A and 1B show a schematic representation of a microelectromechanical coupling device;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines aus einer Kombination einer Tangentialfeder und einer Radialfeder ausgebildeten Federelements; Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen der Auslenkungen der Radialfeder und der Tangentialfeder der Fig. 2; Fig. 2 is a schematic representation of a spring element formed from a combination of a tangential spring and a radial spring; Fig. 3A and 3B are schematic representations of the deflections of the radial spring and the tangential spring of Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements; Fig. 4 is a schematic representation of another spring element;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements; Fig. 5 is a schematic representation of another spring element;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements; Fig. 6 is a schematic representation of another spring element;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements; Fig. 7 is a schematic representation of another spring element;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Federelements; Fig. 8 is a schematic representation of another spring element;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines aus einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung aufgebauten Ringgyroskops; Fig. 9 is a schematic representation of a ring gyroscope constructed from a microelectromechanical coupling device;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines weiteren Ringgyroskops; und Fig. 10 is a schematic representation of another ring gyroscope; and
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Anordnung von Elektroden und Federelementen in einer Kopplungsvorrichtung. Fig. 11 is a schematic representation of the arrangement of electrodes and spring elements in a coupling device.
Die Fig. 1A und 1 B zeigen eine schematische Darstellung einer mikroelektromechanischen Kopplungsvorrichtung 100, die zum Koppeln von mikroelektromechanischen Komponenten geeignet ist, wie sie z.B. in mikroelektromechanischen Messvorrichtungen, wie Drehraten- und/oder Beschleunigungssensoren verwendet werden. Die mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung 100 kann auch die Grundstruktur eines ringförmigen Drehratensensors bilden. Die Fig. 1 B ist hierbei ein Schnitt durch die Fig. 1A entlang der Linie l-l. Figs. 1A and 1B show a schematic representation of a microelectromechanical coupling device 100, which is suitable for coupling microelectromechanical components, such as those used in microelectromechanical measuring devices such as rotation rate and/or acceleration sensors. The microelectromechanical coupling device 100 can also form the basic structure of a ring-shaped rotation rate sensor. Fig. 1B is a section through Fig. 1A along the line l-l.
Die Kopplungsvorrichtung 100 weist eine flexible Ringstruktur 110 sowie eine Mehrzahl von Federelementen 120 auf. Die Ringstruktur formt wie in der Fig. 1A gezeigt in Ruhe einen Kreis und kann im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Kreises verformt werden. Wie aus der Fig. 1 B ersichtlich hat die Ringstruktur 110 senkrecht zur Kreisebene bzw. senkrecht zu einem Substrat 200 über dem die Ringstruktur 110 gelagert ist, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit senkrecht zum Substrat 200 stehenden Längsseiten, die um ein Vielfaches länger sind als die parallel zum Substrat 200 stehenden kurzen Seiten. Die Ringstruktur 110 kann also z.B. als in sich geschlossene Biegebalkenfeder betrachtet werden, die sich parallel zum Substrat 200 verformen kann, wobei Verformungen senkrecht zum Substrat 200 (in erster Näherung) vernachlässigbar sind. Die gezeigte Form der Ringstruktur 110 ist hierbei rein beispielhaft. Die Ringstruktur 110 kann jede Form haben, die eine Verformung im Wesentlichen nur parallel zur Substratebene begünstigt. Auch kann die Ringstruktur 110 in der Ruhelage eine entartete Kreisform aufweisen und z.B. als Ellipse oder als Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildet sein. Derartige entartete Kreisformen sollen also durch den Bezug auf die kreisförmige Ringstruktur 110 mit abgedeckt sein. The coupling device 100 has a flexible ring structure 110 and a plurality of spring elements 120. As shown in Fig. 1A, the ring structure forms a circle at rest and can be deformed essentially parallel to the plane of the circle. As can be seen from Fig. 1B, the ring structure 110 has a substantially rectangular shape perpendicular to the plane of the circle or perpendicular to a substrate 200 over which the ring structure 110 is mounted. Cross-section with long sides perpendicular to the substrate 200, which are many times longer than the short sides parallel to the substrate 200. The ring structure 110 can therefore be viewed, for example, as a self-contained bending beam spring that can deform parallel to the substrate 200, with deformations perpendicular to the substrate 200 being negligible (in a first approximation). The shape of the ring structure 110 shown is purely exemplary. The ring structure 110 can have any shape that essentially only promotes deformation parallel to the substrate plane. The ring structure 110 can also have a degenerate circular shape in the rest position and be designed, for example, as an ellipse or as a polygon with rounded corners. Such degenerate circular shapes should therefore also be covered by the reference to the circular ring structure 110.
An der Ringstruktur 110 sind Kopplungsstellen 112 angedeutet, an denen die zu koppelnden mikroelektromechanischen Komponenten angreifen bzw. an denen diese Komponenten mit der Ringstruktur 110 verbunden sind. Durch die Kopplung können Bewegungen zwischen den mikroelektromechanischen Komponenten übertragen oder abgestimmt werden. Insbesondere kann die Kopplungsvorrichtung 100 eine kräfte- und momentenfreie Gegentaktschwingung zwischen den Komponenten vermitteln. Bei den mikroelektromechanischen Komponenten kann es sich z.B. um Sensormassen oder Schwingungssysteme handeln. Im Prinzip sind die Art, Struktur und Größe der zu koppelnden Komponenten 200 aber beliebig. Ebenso kann die Anzahl der zu Komponenten 200 größer als zwei sein. Coupling points 112 are indicated on the ring structure 110, at which the microelectromechanical components to be coupled engage or at which these components are connected to the ring structure 110. The coupling allows movements between the microelectromechanical components to be transmitted or coordinated. In particular, the coupling device 100 can mediate a force- and torque-free push-pull oscillation between the components. The microelectromechanical components can be, for example, sensor masses or oscillation systems. In principle, however, the type, structure and size of the components 200 to be coupled are arbitrary. Likewise, the number of components 200 can be greater than two.
Die Kopplung kann hierbei auch über die Federelemente 120 erfolgen. Dann fehlen die Kopplungsstellen 112. Insbesondere wenn die Kopplungsvorrichtung 100 Teil eines ringförmigen mikroelektromechanischen Drehratensensors, etwa eines Ringgyroskops, ist, können die Federelemente 120 die mikroelektromechanischen Komponenten darstellen. Die Ringstruktur ist hierbei geeignet, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur 110 eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird. The coupling can also be carried out via the spring elements 120. In this case, the coupling points 112 are missing. In particular, if the coupling device 100 is part of a ring-shaped microelectromechanical rotation rate sensor, such as a ring gyroscope, the spring elements 120 can represent the microelectromechanical components. The ring structure is suitable for executing an excitation oscillation, on which a detection oscillation generated by the Coriolis force is superimposed when the ring structure 110 rotates.
Die Ringstruktur 110 ist über eine Mehrzahl von Federelementen 120 mit dem Substrat 200 verbunden. Die Federelemente 120 greifen hierbei an verschiedenen Stellen der Ringstruktur 110 an und halten diese über dem Substrat 200. Wie in den Fig. 1A und 1 B gezeigt, können die Federelemente 120 mit Ankerstrukturen 125 verbunden sein und die Ringstruktur 110 so direkt mit dem Substrat 200 verbinden. Die Ankerstrukturen 125 können hierbei eine beliebigeThe ring structure 110 is connected to the substrate 200 via a plurality of spring elements 120. The spring elements 120 engage at various points of the ring structure 110 and hold it above the substrate 200. As shown in Figs. 1A and 1B, the spring elements 120 can be connected to anchor structures 125 and the ring structure 110 can be directly to the substrate 200. The anchor structures 125 can have any
Form aufweisen, solange sie eine feststehende Verbindung zum Substrat 200 erlauben. shape as long as they allow a firm connection to the substrate 200.
Wie in der Vergrößerung der Fig. 1A schematisch dargestellt, weist jedes Federelement 120 zumindest eine Tangentialfeder 122, die im Wesentlichen tangential zur Ringstruktur 110 ausgelenkt werden kann, und zumindest eine Radialfeder 124 auf, die im Wesentlichen in radialer Richtung der Ringstruktur 110 ausgelenkt werden kann. As shown schematically in the enlargement of Fig. 1A, each spring element 120 has at least one tangential spring 122, which can be deflected substantially tangentially to the ring structure 110, and at least one radial spring 124, which can be deflected substantially in the radial direction of the ring structure 110.
Die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 sind in der Fig. 1A vollkommen schematisch durch Spiralfedersymbole dargestellt. Diese Federn können jede beliebige Form aufweisen, solange die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 jedes Federelements 120 eigenständige Bauelemente sind und das Verhältnis von Federsteifigkeiten der Tangentialfeder 122 und der Radialfeder 124 jedes Federelements 120 derart ausgestaltet ist, dass eine die Ringstruktur 110 verformende Schwingung energetisch günstiger ist als eine die Ringstruktur 110 translatorisch zum Substrat 200 verschiebende Schwingung und/oder dass die Eigenfrequenz der translatorischen Schwingung und die nächstliegende Eigenfrequenz einer verformenden Schwingung einen Abstand haben, der größer als 5 % der Eigenfrequenz dieser verformenden Schwingung ist. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung. The tangential spring 122 and the radial spring 124 are shown completely schematically in Fig. 1A by means of spiral spring symbols. These springs can have any shape, as long as the tangential spring 122 and the radial spring 124 of each spring element 120 are independent components and the ratio of spring stiffnesses of the tangential spring 122 and the radial spring 124 of each spring element 120 is designed such that an oscillation deforming the ring structure 110 is energetically more favorable than an oscillation that displaces the ring structure 110 translationally relative to the substrate 200 and/or that the natural frequency of the translational oscillation and the closest natural frequency of a deforming oscillation have a distance that is greater than 5% of the natural frequency of this deforming oscillation. Preferably, the distance between the natural frequencies is in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the natural frequency of the deforming vibration.
Die Federelemente 120 bestehen also aus im Wesentlichen unabhängig voneinander verformbaren Federn, die die GesamtbewegungAverformung der Federelemente 120 in eine radiale Komponente und eine tangentiale Komponente aufteilen, indem die radiale Komponente durch die Verformung der Radialfeder 124 generiert wird und die tangentiale Komponente durch eine Verformung der Tangentialfeder 122. Die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 sind dabei jeweils voneinander separierte Baugruppen, deren Abmessungen und Eigenschaften während des Herstellungsprozesses der Kopplungsvorrichtung 100 separat eingestellt werden können. Insbesondere können die Massen und die Dicken der Tangentialfedern 122 und der Radialfedern 124 unterschiedlich ausgebildet werden, z.B. in einem Ätzprozess, um hierdurch unterschiedliche Federsteifigkeiten zu erzielen. Auf diese Weise können die Verhältnisse der Federsteifigkeiten der Tangentialfedern 122 zu den Radialfedern 124 derart eingestellt werden, dass eine translatorische oder rotatorische Schwingung der Ringstruktur 110, d.h. eine Schwingung ohne Verformung der Ringstruktur 110, energetisch ungünstiger wird als eine Schwingung, die die Ringstruktur 110 verformt. Bevorzugt soll die zweite Eigenschwingung der frei schwebenden Ringstruktur 110, d.h. die n = 2 Eigenmode, bei der sich zwei Schwingungsbäuche formen, durch die Anbindung an die Federelemente 120 energetisch günstiger werden, als die Translation bzw. Translationsmode und/oder Rotationsmode. Das Verhältnis der Federsteifigkeiten in den einzelnen Federelementen 120 kann dabei auch derart eingestellt werden, dass die Eigenmoden der frei schwebenden Ringstruktur 110 umgeordnet werden, d.h. dass z.B. die n = 3 Eigenmode der frei schwebenden Ringstruktur 110 durch die Kopplung mit den Federelementen 120 energetisch günstiger wird als die n = 2 Eigenmode. Hierzu können die Verhältnisse der Federsteifigkeiten in den einzelnen Federelementen 120 auch unterschiedlich ausgestaltet sein. The spring elements 120 therefore consist of springs that can be deformed essentially independently of one another and that divide the overall movement/deformation of the spring elements 120 into a radial component and a tangential component, whereby the radial component is generated by the deformation of the radial spring 124 and the tangential component by a deformation of the tangential spring 122. The tangential spring 122 and the radial spring 124 are each separate assemblies, the dimensions and properties of which can be set separately during the manufacturing process of the coupling device 100. In particular, the masses and thicknesses of the tangential springs 122 and the radial springs 124 can be designed differently, e.g. in an etching process, in order to achieve different spring stiffnesses. In this way, the ratios of the spring stiffness of the tangential springs 122 to the radial springs 124 can be set such that a translational or rotational oscillation of the ring structure 110, ie an oscillation without deformation of the ring structure 110, is energetically less favorable than an oscillation that deforms the ring structure 110. Preferably, the second natural oscillation of the freely floating ring structure 110, ie the n = 2 natural mode, in which two oscillation antinodes form, should become energetically more favorable than the translation or translational mode and/or rotational mode due to the connection to the spring elements 120. The ratio of the spring stiffnesses in the individual spring elements 120 can also be set in such a way that the eigenmodes of the freely floating ring structure 110 are rearranged, ie that, for example, the n = 3 eigenmode of the freely floating ring structure 110 becomes energetically more favorable than the n = 2 eigenmode due to the coupling with the spring elements 120. For this purpose, the ratios of the spring stiffnesses in the individual spring elements 120 can also be designed differently.
Anstatt eine Umordnung der Anregungsenergien der einzelnen Eigenmoden der frei schwebenden Ringstruktur 110 zu erreichen (oder zusätzlich hierzu), kann das Verhältnis der Federsteifigkeiten von Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 auch derart eingestellt werden, dass die Eigenfrequenzen der Eigenmoden ausreichend weit auseinander liegen. Insbesondere soll die Eigenfrequenz der Translationsmode und/oder Rotationsmode ausreichend weit von der zunächst liegenden Eigenfrequenz einer die Ringstruktur 110 verformenden Biegemode liegen, um zu gewährleisten, dass die Translationsmode anregende Kraftstöße nicht in diese Biegemode einkoppeln und sie stören. Hierzu können die Eigenfrequenzen z.B. einen Abstand von mehr als 5 % der Eigenfrequenz der Biegemode haben. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Eigenfrequenzen in einem Bereich von 5 % bis 200 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 100 %, weiter vorzugsweise von 5 % bis 50 % der Eigenfrequenz der verformenden Schwingung. Instead of rearranging the excitation energies of the individual eigenmodes of the freely floating ring structure 110 (or in addition to this), the ratio of the spring stiffnesses of the tangential spring 122 and the radial spring 124 can also be set such that the eigenfrequencies of the eigenmodes are sufficiently far apart. In particular, the eigenfrequency of the translational mode and/or rotational mode should be sufficiently far away from the initial eigenfrequency of a bending mode that deforms the ring structure 110 in order to ensure that force impulses exciting the translational mode do not couple into this bending mode and disturb it. For this purpose, the eigenfrequencies can, for example, have a distance of more than 5% of the eigenfrequency of the bending mode. The distance between the eigenfrequencies is preferably in a range from 5% to 200%, more preferably from 5% to 100%, more preferably from 5% to 50% of the eigenfrequency of the deforming vibration.
Die Federelemente 120 können hierbei insbesondere derart ausgebildet sein, dass das Verhältnis der Federsteifigkeit der Tangentialfeder 122 zu der Federsteifigkeit der Radialfeder 124 in einem Bereich von 1 bis 3 liegt. Wählt man die Federsteifigkeit der Tangentialfeder 122 größer als die der Radialfeder 124 sind tangentiale Bewegungen unterdrückt. Dies bevorzugt Bewegungsmuster wie die der n = 2 Eigenmode, bei der die maximale tangential Auslenkung kleiner ist als die maximale radiale Auslenkung. Aus dem gleichen Grund kann jedes Federelement 120 auch derart ausgebildet sein, dass für Auslenkungen der Tangentialfeder 122 in tangentiale Richtung weniger als die Hälfte an Raum zur Verfügung steht als für Auslenkungen der Radialfeder 124 in radiale Richtung. Dies unterdrückt zum einen selbst die translatorische Mode. Zum anderen wird der Raum in tangentialer Richtung bei entsprechender Einstellung der Federelemente 120 nicht benötigt und kann für die Platzierung anderer Komponenten, wie etwa von Elektroden verwendet werden. The spring elements 120 can in particular be designed such that the ratio of the spring stiffness of the tangential spring 122 to the spring stiffness of the radial spring 124 is in a range from 1 to 3. If the spring stiffness of the tangential spring 122 is selected to be greater than that of the radial spring 124, tangential movements are suppressed. This favors movement patterns such as the n = 2 eigenmode, in which the maximum tangential deflection is smaller than the maximum radial deflection. For the same reason, each spring element 120 can also be designed in such a way that less than half the space is available for deflections of the tangential spring 122 in the tangential direction than for deflections of the radial spring 124 in the radial direction. On the one hand, this suppresses the translational mode itself. On the other hand, the space in the tangential direction is not required if the spring elements 120 are adjusted accordingly and can be used for the placement of other components, such as electrodes.
Insbesondere soll die Ringstruktur 110 mit einer derart geringen Amplitude schwingen, vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 pm und 10 pm, dass die Federsteifigkeiten der Tangentialfedern 122 und der Radialfedern 124 konstant bleiben. Die Federelemente 120 verhalten sich also im Auslenkungsbereich der Ringstruktur 110 wie Linearfedern. Die Linearität der Federelemente 120 ist hierbei auch auf die Trennung von Tangentialfedern 122 und Radialfedern 124 zurückzuführen. Durch diese Trennung kann die parallel zum Substrat 200 stattfindende Auslenkungen in jede Richtung in einen Radial- und einen Tangentialteil aufgespalten und durch die entsprechende Feder aufgenommen werden. Dadurch wird verhindert, dass Teile der Federelemente 120 nicht in ihren Vorzugsrichtungen ausgelenkt werden, d.h. in Richtungen, in denen sie bereits bei kleinen Auslenkungen den Linearitätsbereich verlassen. Dadurch wird die Schwingung der Ringstruktur 110 leichter kontrollierbar. In particular, the ring structure 110 should oscillate with such a small amplitude, preferably in the range between 0.1 pm and 10 pm, that the spring stiffness of the tangential springs 122 and the radial springs 124 remain constant. The spring elements 120 therefore behave like linear springs in the deflection range of the ring structure 110. The linearity of the spring elements 120 is also due to the separation of tangential springs 122 and radial springs 124. This separation allows the deflections taking place parallel to the substrate 200 in each direction to be split into a radial and a tangential part and absorbed by the corresponding spring. This prevents parts of the spring elements 120 from being deflected in their preferred directions, i.e. in directions in which they leave the linearity range even with small deflections. This makes the vibration of the ring structure 110 easier to control.
Die oben beschriebene Ausgestaltung der Kopplungsvorrichtung erlaubt es, Anregungen der translatorischen Mode gegenüber Anregungen von Biegemoden effektiv zu unterdrücken. Die Trennung der Federelemente 120 in Tangentialfedern 122 und Radialfedern 124 erlaubt zudem eine kompakte Gestaltung der Federelemente 120, sodass die Unterdrückung der translatorischen Mode zusammen mit einer kompakten Gestaltung der Kopplungsvorrichtung 100 erreicht werden kann. The above-described design of the coupling device allows excitations of the translational mode to be effectively suppressed compared to excitations of bending modes. The separation of the spring elements 120 into tangential springs 122 and radial springs 124 also allows a compact design of the spring elements 120, so that the suppression of the translational mode can be achieved together with a compact design of the coupling device 100.
Die Federelemente 120 können insbesondere eine radiale Ausdehnung von weniger als 25% des Radius der Ringstruktur 110 im Ruhezustand haben, wodurch die Kopplungsvorrichtung 100 besonders kompakt wird. Dies ermöglicht es, in oder um die Ringstruktur 110 herum weitere Komponenten zu platzieren. Die Federelemente 120 können wie in der Fig. 1A gezeigt von innen mit der Ringstruktur 110 verbunden sein. Durch ihren kompakten Aufbau bleibt hierbei ein Großteil des Inneren der Ringstruktur 110 frei. Sie können aber auch von außen mit der Ringstruktur 110 verbunden sein, da ihre geringe Größe hierdurch dennoch nicht zu einer übermäßigen Vergrößerung der Kopplungsvorrichtung führt. Hierdurch kann das Innere der Ringstruktur 110 vollständig frei für die Anordnung weiterer Komponenten gemacht werden, was z.B. bei Ausführungen aus dem Stand der Technik nicht möglich ist, in denen die Ringstruktur durch lange, zentral geankerte Federn oder durch große Rahmenstrukturen gehalten wird. The spring elements 120 can in particular have a radial extension of less than 25% of the radius of the ring structure 110 in the resting state, whereby the coupling device 100 becomes particularly compact. This makes it possible to place further components in or around the ring structure 110. The spring elements 120 can be connected to the ring structure 110 from the inside, as shown in Fig. 1A. Due to their compact design, a large part of the interior of the ring structure 110 remains free. However, they can also be connected to the ring structure 110 from the outside, since their small size does not lead to an excessive enlargement of the coupling device. This allows the interior of the ring structure 110 to be made completely free for the arrangement of further components, which is not possible, for example, in designs from the prior art in which the ring structure is held by long, centrally anchored springs or by large frame structures.
Die Federelemente 120 können, wie in der Fig. 1A gezeigt, im Prinzip unregelmäßig entlang der Ringstruktur 110 verteilt sein, wenn dies für die beabsichtigte Unterdrückung der translatorischen Mode von Vorteil ist. Bevorzugt sind die Federelemente in Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 aber gleichmäßig verteilt, da dies die Fertigung erleichtert. Zudem lässt sich die Ringstruktur 110 hierdurch leichter homogen anregen. The spring elements 120 can, as shown in Fig. 1A, in principle be distributed irregularly along the ring structure 110 if this is advantageous for the intended suppression of the translational mode. Preferably, however, the spring elements are evenly distributed in the circumferential direction of the ring structure 110, as this facilitates production. In addition, the ring structure 110 can be excited more easily in a homogeneous manner.
Wie in den Fig. 1A und 1 B gezeigt verbindet jedes Federelement 120 die Ringstruktur 110 über genau eine Ankerstruktur 125 mit dem Substrat 200. Hierdurch werden Ankerverluste vermieden. Diese entstehen, wenn Kräfte über mehrere Punkte ins Substrat eingeleitet werden, die sich dann erst auf Ebene des Substrates ausgleichen können. Die Ankerverluste beschreiben die Energie, welche durch Kräfte und Momente an den Ankern ins Substrat eingeleitet wird und über das Substrat in die Umgebung dissipiert und somit verloren geht. Dem kann entgegengewirkt werden, indem sich Kräfte und Momente ausgleichen und diese Kräfte und Momente an möglichst wenig und möglichst zentralen Punkten an das Substrat abgegeben werden. Dementsprechend verringert die Verwendung von nur einer Ankerstruktur das Auftreten von derartigen Ankerverlusten. As shown in Figs. 1A and 1B, each spring element 120 connects the ring structure 110 to the substrate 200 via exactly one anchor structure 125. This avoids anchor losses. These arise when forces are introduced into the substrate via several points, which can then only be balanced at the level of the substrate. The anchor losses describe the energy that is introduced into the substrate by forces and moments on the anchors and dissipates into the environment via the substrate and is thus lost. This can be counteracted by balancing forces and moments and by transferring these forces and moments to the substrate at as few and as central points as possible. Accordingly, the use of only one anchor structure reduces the occurrence of such anchor losses.
Wie in der Fig. 1A gezeigt, kann die Kopplungsvorrichtung 110 eine Vielzahl von Federelementen 120 aufweisen. Die Anzahl der Federelemente 120 kann aber auch anders sein. Zum Beispiel können 4, 8, 16, 24 oder 32 Federelemente 120 verwendet werden. As shown in Fig. 1A, the coupling device 110 can have a plurality of spring elements 120. However, the number of spring elements 120 can also be different. For example, 4, 8, 16, 24 or 32 spring elements 120 can be used.
In den Fig. 2 bis 8 sind verschiedene Varianten von Federelementen 120 gezeigt. Diesen Varianten ist gemein, dass in den Federelementen 120 die Radialfeder 124 eine doppelt gefaltete Biegenbalkenfeder aufweist, die sich in tangentialer Richtung erstreckt und die in radialer Richtung an das Substrat 200 und die Tangentialfeder 122 angebunden ist, und die Tangentialfeder 122 eine mehr als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ist oder mindestens zwei doppelt gefaltete Biegebalkenfedern aufweist, die sich in radialer Richtung erstrecken und die in radialer Richtung an die Radialfeder 124 und die Ringstruktur 110 angebunden sind. Prinzipiell sind natürlich auch andere Ausgestaltungen möglich, solange sich Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 getrennt darstellen lassen. Zum Beispiel ist es möglich, die Radialfeder 124 an der Ringstruktur zu befestigen und die Tangentialfeder 122 am Substrat 200. In Figs. 2 to 8, different variants of spring elements 120 are shown. These variants have in common that in the spring elements 120, the radial spring 124 is a double-folded Bending beam spring that extends in the tangential direction and is connected in the radial direction to the substrate 200 and the tangential spring 122, and the tangential spring 122 is a bending beam spring that is folded more than twice or has at least two double-folded bending beam springs that extend in the radial direction and are connected in the radial direction to the radial spring 124 and the ring structure 110. In principle, other configurations are of course also possible, as long as the tangential spring 122 and the radial spring 124 can be represented separately. For example, it is possible to attach the radial spring 124 to the ring structure and the tangential spring 122 to the substrate 200.
Die Fig. 2 zeigt ein Federelement 120, bei dem die Radialfeder 124 als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ausgebildet ist, die eine Verbindung zwischen einem Ankerpunkt 125 und der Tangentialfeder 122 herstellt. Das heißt, ein Biegebalken, der sich in tangentialer Richtung erstreckt, ist, vorzugsweise in seiner Mitte, mit der Ankerstruktur 125 verbunden. An jedem Ende ist der Biegebalken um 360° gefaltet, d.h. er läuft parallel wieder zurück und bildet so einen zweiten Biegebalken, der parallel zum ersten Biegebalken läuft. Die beiden Biegebalken sind an ihren Enden verbunden. Eine derartige Struktur kann in an sich bekannter Weise durch ein Ätzverfahren hergestellt werden. Fig. 2 shows a spring element 120 in which the radial spring 124 is designed as a double-folded bending beam spring that creates a connection between an anchor point 125 and the tangential spring 122. This means that a bending beam that extends in a tangential direction is connected, preferably in its center, to the anchor structure 125. At each end, the bending beam is folded by 360°, i.e. it runs back in parallel and thus forms a second bending beam that runs parallel to the first bending beam. The two bending beams are connected at their ends. Such a structure can be produced in a manner known per se by an etching process.
Die Tangentialfeder 122 besteht aus einer Biegebalkenfeder, die in radialer Richtung von einer (bevorzugt mittig gelegenen) Verbindungsstelle mit der Radialfeder 124 zur Ringstruktur 110 läuft. Am Ende dieser Biegebalkenfeder schließen sich eine doppelt gefaltete Biegebalkenfeder an, die derart in sich gefaltet ist, dass sie serpentinenartig verläuft. Die Langseiten der Serpentinen laufen hierbei parallel zur zentral liegenden Biegebalkenfeder, d.h. in radialer Richtung. Im Beispiel der Fig. 2 sind 3 Serpentinen vorhanden, wobei die Anbindung an die Radialfeder 124 und die Ringstruktur 110 an zentraler Stelle erfolgt. Es sind aber auch andere Anzahlen von Serpentinen möglich The tangential spring 122 consists of a bending beam spring that runs in a radial direction from a (preferably centrally located) connection point with the radial spring 124 to the ring structure 110. At the end of this bending beam spring there is a double-folded bending beam spring that is folded in such a way that it runs like a serpentine. The long sides of the serpentines run parallel to the centrally located bending beam spring, i.e. in a radial direction. In the example in Fig. 2 there are 3 serpentines, with the connection to the radial spring 124 and the ring structure 110 being made at a central point. However, other numbers of serpentines are also possible.
Die Auslenkungen dieses Federelements 120 sind in stark übertriebener Form in den Fig. 3A und 3B gezeigt. Die Fig. 3A zeigt die Auslenkung in radialer Richtung r, bei der im Wesentlichen nur die Radialfeder 124 verformt wird. Die Fig. 3B zeigt die Auslenkung in tangentialer Richtung t, bei der im Wesentlichen nur die Tangentialfeder 122 verformt wird. Durch die geeignete Wahl der Abmessungen der Biegebalkenfedern, die die Tangentialfeder 122 und die Radialfeder 124 formen, z.B. durch die Wahl der Ätzparameter während der Herstellung, kann die Federsteifigkeit der Federn unabhängig voneinander eingestellt werden. Das in der Fig. 2 gezeigte Federelement 120 ist zudem äußerst kompakt. Seine Verwendung in einer Kopplungsvorrichtung 100, wie sie oben beschrieben wurde, erlaubt also, die translatorische Mode zu unterdrücken ohne übermäßig Bauraum zu verbrauchen. The deflections of this spring element 120 are shown in greatly exaggerated form in Figs. 3A and 3B. Fig. 3A shows the deflection in the radial direction r, in which essentially only the radial spring 124 is deformed. Fig. 3B shows the deflection in the tangential direction t, in which essentially only the tangential spring 122 is deformed. By appropriately selecting the dimensions of the cantilever springs that form the tangential spring 122 and the radial spring 124, e.g. by selecting the etching parameters during manufacture, the spring stiffness of the springs can be adjusted independently of one another. The spring element 120 shown in Fig. 2 is also extremely compact. Its use in a coupling device 100 as described above therefore allows the translational mode to be suppressed without consuming excessive installation space.
Das in der Fig. 4 gezeigte Federelement 120 entspricht der Ausgestaltung der Fig. 2, bis auf die Verwendung von zwei doppelt gefalteten Biegebalkenfedern in der Radialfeder 124. Dadurch lassen sich die Parameter der Radialfeder 124 noch flexibler einstellen. The spring element 120 shown in Fig. 4 corresponds to the design of Fig. 2, except for the use of two double-folded bending beam springs in the radial spring 124. This allows the parameters of the radial spring 124 to be adjusted even more flexibly.
Das in der Fig. 5 gezeigte Federelement 120 verwendet als Tangentialfeder 122 gabelförmig angeordnete Paare von Biegebalkenfedern, d.h. an einem Ende verbundene Paare von Biegebalkenfedern, die an ihrem anderen Ende untereinander verbunden sind. Auch diese Ausgestaltung erlaubt es, die Federparameter von Tangentialfeder 122 und Radialfeder 124 unabhängig voneinander einzustellen. The spring element 120 shown in Fig. 5 uses pairs of bending beam springs arranged in a fork shape as the tangential spring 122, i.e. pairs of bending beam springs connected at one end and connected to one another at their other end. This design also allows the spring parameters of the tangential spring 122 and the radial spring 124 to be set independently of one another.
Die Fig. 6 und 7 zeigen zwei Varianten einer „zweizackigen Biegebalkengabel“, die über einen einzelnen Biegebalken mit der Radialfeder 124 bzw. der Ringstruktur 110 verbunden ist. Diese Ausgestaltungen sind in Tangentialrichtung besonders kompakt. Figures 6 and 7 show two variants of a “two-pronged bending beam fork” which is connected to the radial spring 124 or the ring structure 110 via a single bending beam. These designs are particularly compact in the tangential direction.
Die Fig. 8 zeigt eine Variante, bei der die Tangentialfeder 122 aus zwei doppelt gefalteten Biegebalkenfedern besteht, die durch einen Rahmen mit der Radialfeder 124 und einer an der Ringstruktur 110 geankerten Biegebalkenfeder verbunden sind. Zudem ist die als doppelt gefaltete Biegebalkenfeder ausgestaltete Radialfeder 124 hier nicht durchgängig, sondern geht in den Rahmen über. Fig. 8 shows a variant in which the tangential spring 122 consists of two double-folded bending beam springs, which are connected by a frame to the radial spring 124 and a bending beam spring anchored to the ring structure 110. In addition, the radial spring 124, designed as a double-folded bending beam spring, is not continuous here, but merges into the frame.
Die Beispiele der Fig. 2 bis 8 sollten verdeutlichen, dass es eine Vielzahl von verschiedenen Ausgestaltungen für die Federelemente 120 gibt, die erlauben, das Verhältnis der Federsteifigkeiten der Tangentialfeder 122 und der Radialfeder 124 im Rahmen der Fertigungsbedingungen frei einzustellen, um damit die translatorische Mode zu unterdrücken. Die Fig. 9 zeigt eine Kopplungsvorrichtung 100, bei der die gekoppelten mikroelektromechanischen Komponenten die Federelemente 120 sind. Das heißt, die Kopplungsvorrichtung 100 entspricht einem gefedert über dem Substrat 200 gelagerten, verformbaren Ring. Dieser kann als Ringgyroskop 300 verwendet werden, da die Ringstruktur 110 geeignet ist, eine Anregungsschwingung auszuführen, der bei einer Drehung der Ringstruktur 110 eine durch die Corioliskraft erzeugte Detektionsschwingung überlagert wird. Wird die Ringstruktur 110 also, z.B. durch die Verwendung von Anregeelektroden in eine Schwingung versetzt, führt eine Drehung der Ringstruktur 110 zu einer Veränderung dieser Schwingung, die, z.B. über Detektionselektroden, ausgelesen werden kann, um daraus die Drehrate der Drehung zu bestimmen. The examples in Figs. 2 to 8 should make it clear that there are a multitude of different designs for the spring elements 120, which allow the ratio of the spring stiffnesses of the tangential spring 122 and the radial spring 124 to be freely adjusted within the framework of the manufacturing conditions in order to suppress the translational mode. Fig. 9 shows a coupling device 100 in which the coupled microelectromechanical components are the spring elements 120. This means that the coupling device 100 corresponds to a deformable ring that is spring-loaded above the substrate 200. This can be used as a ring gyroscope 300 because the ring structure 110 is suitable for executing an excitation oscillation, which is superimposed by a detection oscillation generated by the Coriolis force when the ring structure 110 rotates. If the ring structure 110 is set into oscillation, e.g. by using excitation electrodes, a rotation of the ring structure 110 leads to a change in this oscillation, which can be read out, e.g. via detection electrodes, in order to determine the rotation rate of the rotation.
Hier ist die Unterdrückung der translatorischen Mode, bzw. die Absonderung der Eigenfrequenz der translatorischen Mode von der Betriebsfrequenz/Anregungsfrequenz des Ringgyroskops 300 besonders vorteilhaft, da dadurch Störungen der Messung reduziert werden können. Hierdurch verbessert sich die Messgenauigkeit des Ringgyroskops 300. Here, the suppression of the translational mode, or the separation of the natural frequency of the translational mode from the operating frequency/excitation frequency of the ring gyroscope 300, is particularly advantageous because this can reduce interference with the measurement. This improves the measurement accuracy of the ring gyroscope 300.
Wie in der Fig. 10 gezeigt, können auch mehrere konzentrische Ringe, die untereinander mit kurzen Federn, z.B. mit kurzen radialen Biegebalken oder Stegen, verbunden sind, als Ringstruktur 110 eines Ringgyroskops 300 verwendet werden, z.B. um die Masse der schwingenden Ringstruktur 110 zu vergrößern. As shown in Fig. 10, several concentric rings which are connected to each other with short springs, e.g. with short radial bending beams or webs, can also be used as the ring structure 110 of a ring gyroscope 300, e.g. to increase the mass of the oscillating ring structure 110.
Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, sind die Federelemente 120 im Vergleich zu den Abmessungen der Ringstruktur 110 kompakt ausgestaltet (kleiner als 1/4 des Radius) und vergrößern daher den Bauraum für das Ringgyroskop 300 im Vergleich zur Ringstruktur 110 ohne Federelemente 120 kaum. As can be seen from Figs. 9 and 10, the spring elements 120 are designed to be compact (smaller than 1/4 of the radius) compared to the dimensions of the ring structure 110 and therefore hardly increase the installation space for the ring gyroscope 300 compared to the ring structure 110 without spring elements 120.
Elektroden 140 zum Anregen und/oder zum Auslesen von Schwingungen der Ringstruktur 110 können sowohl bei der Verwendung als Ringgyroskop 300 als auch allgemein in Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 zwischen den Federelementen 120 angeordnet sein. Dies ist beispielhaft in der Fig. 11 gezeigt. Auf diese Weise können Schwingungen der Ringstruktur 110 in kompakter Weise angeregt bzw. gemessen werden. Zudem können die Elektroden 140 die Ringstruktur 110 in Umfangsrichtung nahezu vollständig umgeben, wodurch ein homogenes Ansprechverhalten der Ringstruktur 110 erreicht werden kann. Wie in der Fig. 11 gezeigt, können die Elektroden 140 relativ nahe an die Tangentialfedern 122 herangerückt werden, da diese aufgrund der unterdrückten Translationsmode nur vergleichsweise wenig ausgelenkt werden. Dies verbessert die Wechselwirkung zwischen Elektroden 140 und Ringstruktur 110 und damit das Ansprechverhalten der Ringstruktur 110. Zudem reduziert sich die für eine aufzubringende/auszulesende Kraft notwendige Spannung an den Elektroden. Electrodes 140 for exciting and/or reading out vibrations of the ring structure 110 can be arranged between the spring elements 120 both when used as a ring gyroscope 300 and generally in the circumferential direction of the ring structure 110. This is shown as an example in Fig. 11. In this way, vibrations of the ring structure 110 can be excited or measured in a compact manner. In addition, the electrodes 140 can almost completely surround the ring structure 110 in the circumferential direction, whereby a homogeneous response behavior of the ring structure 110 can be achieved. As shown in Fig. 11, the electrodes 140 can be moved relatively close to the tangential springs 122, since these are deflected only comparatively little due to the suppressed translation mode. This improves the interaction between the electrodes 140 and the ring structure 110 and thus the response behavior of the ring structure 110. In addition, the voltage at the electrodes required for a force to be applied/read out is reduced.
Jede der Elektroden 140 kann sich in Umfangsrichtung über einen von der Mitte der Ringstruktur 110 aus gemessenen Winkel zwischen 10° und 45° erstrecken, je nach der Anzahl der verwendeten Federelemente 120. Als bevorzugt hat sich hierbei ein Winkelbereich zwischen 15° und 30° erwiesen, bei einer Verwendung von 10 bis 20 Federelementen 120. Zum Beispiel können 16 in Umfangsrichtung gleichmäßig entlang der Ringstruktur 110 verteilte Federelemente 120 verwendet werden und die Elektroden 140 können einen Winkel von jeweils 18° einnehmen. Auf diese Weise können 80% der Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 mit Elektroden 140 versehen werden. Allgemein kann eine Anordnung von Elektroden 140 in einem Bereich on 70% bis 90% der Umfangsrichtung der Ringstruktur 110 als vorteilhaft für das Ansprechverhalten der Ringstruktur 110 angesehen werden. Each of the electrodes 140 can extend in the circumferential direction over an angle of between 10° and 45° measured from the center of the ring structure 110, depending on the number of spring elements 120 used. An angle range of between 15° and 30° has proven to be preferred, when using 10 to 20 spring elements 120. For example, 16 spring elements 120 evenly distributed in the circumferential direction along the ring structure 110 can be used and the electrodes 140 can each assume an angle of 18°. In this way, 80% of the circumferential direction of the ring structure 110 can be provided with electrodes 140. In general, an arrangement of electrodes 140 in a range of 70% to 90% of the circumferential direction of the ring structure 110 can be considered advantageous for the response behavior of the ring structure 110.
In dem Ringgyroskop 300 kann der Angular gain (das Verhältnis von Coriolismasse zu zweimal modaler Masse) der zweiten Eigenschwingung, d.h. der n = 2 Eigenmode, der Ringstruktur 110 in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,4, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,35 und 0,4 und weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,38 und 0,4 liegen (Endpunkte eingeschlossen. In the ring gyroscope 300, the angular gain (the ratio of Coriolis mass to twice the modal mass) of the second eigenmode, i.e. the n = 2 eigenmode, of the ring structure 110 can be in a range between 0.3 and 0.4, preferably in a range between 0.35 and 0.4, and more preferably in a range between 0.38 and 0.4 (endpoints included).
Die modale Masse beschreibt hierbei die anteilige Masse an der zugehörigen Eigenschwingung, d.h. eine effektive Masse der entsprechenden Eigenschwingung. Sie ergibt sich aus dem Eigenvektor der entsprechenden Mode und der Massenverteilung. Die Coriolismasse setzt sich aus allen Massepunkten zusammen, die sich bei einer angeregten Schwingung in Richtung der anregenden Schwingung bewegen und während der Detektion in Richtung der Detektions-Schwingung. Aus dem Verhältnis von Coriolismasse und modaler Masse lässt sich der sog. „angular gain“ bestimmen. Der theoretisch maximale angular gain liegt bei 1 (Foucaultsches Pendel). Ein großer angular gain ist vorteilhaft und lässt sich als Verstärkungs- faktor des Drehratensignals verstehen. Theoretisch beträgt der angular gain eines Ringgyroskops in der n = 2 Eigenmode 0,4. Mit der oben beschriebenen, als Ringgyroskop 300 betriebenen Kopplungsvorrichtung 100 lässt sich ein angular erzielen, der diesem theoretischen Betrag äußert nahekommt. Dies ist auf die Unterdrückung der translatorischen Mode zurückzu- führen. The modal mass describes the proportionate mass of the corresponding natural oscillation, i.e. an effective mass of the corresponding natural oscillation. It results from the eigenvector of the corresponding mode and the mass distribution. The Coriolis mass is made up of all mass points that move in the direction of the exciting oscillation during an excited oscillation and in the direction of the detection oscillation during detection. The so-called "angular gain" can be determined from the ratio of Coriolis mass and modal mass. The theoretical maximum angular gain is 1 (Foucault pendulum). A large angular gain is advantageous and can be used as a gain. factor of the angular rate signal. Theoretically, the angular gain of a ring gyroscope in the n = 2 eigenmode is 0.4. With the coupling device 100 described above, operated as a ring gyroscope 300, an angular can be achieved that comes extremely close to this theoretical value. This is due to the suppression of the translational mode.
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