DE102009061797B3

DE102009061797B3 - MEMS-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y-, oder z-Achse

Info

Publication number: DE102009061797B3
Application number: DE102009061797.3A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Rocchi
Original assignee: Hanking Electronics Ltd
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2029-02-28

Abstract

Gyroskop, umfassend:ein Substrat;eine Sensormasse (3),mindestens zwei Antriebsmassen (2), die auf dem Substrat angeordnet sind und radial bezüglich eines Mittelpunkts oszillieren;ein erstes Antriebselement (7), gekoppelt mit einer ersten Antriebsmasse (2) aus den mindestens zwei Antriebsmassen (2), wobei das erste Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in einem ersten Fall der Drehung des Substrats um eine erste Achse (x) des Gyroskops zu erzeugen;ein zweites Antriebselement (7), gekoppelt mit einer zweiten Antriebsmasse (2) aus den mindestens zwei Antriebsmassen (2), wobei das zweite Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in einem zweiten Fall der Drehung des Substrats um eine zweite Achse (y) des Gyroskops zu erzeugen;Synchronisierungsfedern (8), die die erste und die zweite Antriebsmasse (2) verbinden und veranlassen, dass die radialen oszillierenden Schwingungen der ersten und der zweiten Antriebsmasse (2) synchron miteinander auftreten;ein erstes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in dem ersten Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst; undein zweites Sensorelement (10), das eine Auslenkung der zweiten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in dem zweiten Fall der Drehung des Substrats um die zweite Achse (y) erfasst unddas erste und das zweite Sensorelement (10) an der Sensormasse (3) angeordnet sind, um die Drehung um die erste Achse (x) oder die zweite Achse (y) zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein MEMS-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse, mit einem Substrat und mit mehreren Antriebsmassen, welche oszillierend schwingen um bei einer Drehung des Substrats um die x-, y- oder z-Achse Corioliskräfte auf die Antriebsmassen zu erzeugen.
Aus der TW I286201 B ist ein 3D mikro-elektro-mechanisches MEMS-Gyroskop bekannt. Hierbei werden Massen, welche an einem zentralen Anker angeordnet sind, in eine oszillierende Drehbewegung versetzt. Die Massen sind auf einem Substrat angeordnet und werden bei einem Drehmoment um die x-, oder y-Achse aufgrund einer hierbei auftretenden Corioliskraft um die y-bzw. x-Achse gekippt. Dies wird ermöglicht durch eine entsprechende Aufhängung dieser Antriebsmassen an dem Substrat. Bei einem Drehmoment um die z-Achse sind Teilmassen durch wiederum eine entsprechende Aufhängung dieser Teilmassen an den drehbar gelagerten Massen translatorisch auslenkbar. Sowohl die Kippbewegungen als auch die translatorische Bewegung kann mittels Sensoren erfasst werden und dient aufgrund ihrer Proportionalität zu der Drehbewegung des Substrats als Maß für die entsprechende Drehung um die x-, y- oder z-Achse. Die jeweiligen Auslenkungen sind jedoch nur sehr schwierig zu ermitteln.
Um ein dreidimensionales Gyroskop schaffen zu können, bei welchem Drehungen in allen drei Achsen festgestellt werden können, hat D. Wood et al. in dem Artikel „A monolithic silicon gyroscope capable of sensing about three axes simultaneously“ 1996 ein Gyroskop vorgeschlagen, welches ringförmig um einen zentralen Anker angeordnete oszillierende Massen aufweist. Diese Massen sind in der Lage sowohl Kipp- als auch Drehbewegungen aufgrund auftretender Corioliskräfte durchführen zu können. Nachteilig ist hierbei, dass die Fertigung eines solchen Sensors ebenso wie der Antrieb der bewegten Massen schwierig ist. Die Bewegungen der einzelnen Bestandteile des Sensors beeinflussen sich gegenseitig, so dass Messungen der Bewegung in x-, y- oder z-Richtung des Gyroskops keine ausreichende Genauigkeit liefern.
Aus der DE 10 2008 002 748 A1 ist ein Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse bekannt. Auf einem Substrat ist zumindest ein Anker befestigt. Mehrere, insbesondere vier, radial zu dem Anker oszillierende Massen sind mittels Federn an dem Anker befestigt. Antriebselemente dienen zum oszillierenden Schwingen zumindest einzelner der Massen in x- oder y-Richtung, um bei einer Auslenkung des Substrats Corioliskräfte zu erzeugen. Mit Sensorelementen werden Auslenkungen der Massen aufgrund der erzeugten Corioliskräfte erfasst. Die oszillierenden Massen sind mit wenigstens einer weiteren, nicht oszillierenden, aber zusammen mit den oszillierenden Massen auf dem Substrat um den zumindest einen Anker drehbaren Masse verbunden. Dieser weiteren Masse ist ein weiteres Sensorelement zugeordnet, welches aber keine Kippbewegung um die x- oder y-Achse, sondern nur eine Drehbewegung um die z-Achse erfassen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein MEMS-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse mit hoher Erfassungsgenauigkeit zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Gyroskop mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Ein Gyroskop weist zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse ein Substrat auf sowie mehrere, mindestens zwei vorzugsweise vier radial zu einem Zentrum bewegbare Antriebsmassen. Antriebselemente versetzten die Antriebsmassen als Primärschwingung in eine oszillierende Schwingung um bei einer Drehung des Substrates um die x-, y- oder z-Achse Corioliskräfte auf die Antriebsmassen zu erzeugen. Die oszillierenden Antriebsmassen sind mit wenigstens einer weiteren, nicht oszillierenden, aber zusammen mit den oszillierenden Antriebsmassen auf dem Substrat um die x-, y- oder z-Achse drehbaren Sensormasse verbunden. Sensorelemente sind an dem MEMS-Gyroskop vorgesehen um Auslenkungen der Sensormasse und/oder der Antriebsmassen in Relation zum Substrat aufgrund der erzeugten Corioliskräfte als Sekundärschwingung zu erfassen. Die Sensormasse ist mit zumindest zwei, vorzugsweise vier Ankern zur drehbaren Befestigung mittels Federn auf dem Substrat angeordnet.
Oszillierende Antriebsmassen sind an der Sensormasse befestigt und können unabhängig von der Sensormasse oszillieren. Die Sensormasse selbst ist schließlich über mindestens zwei Anker an dem Substrat befestigen. Die Befestigung an den Ankern erfolgt über Federn, welche Bewegungen der Sensormasse zusammen mit den Antriebsmassen relativ zum Substrat erlauben. Die Bewegungen erfolgen dabei als Drehbewegung um die aus der Zeichenebene herausragende z-Achse sowie als Kippbewegung um die in der Zeichenebene liegenden x- und y-Achse. Hierdurch sind unabhängig voneinander Rotationsbewegungen des Substrates bzw. des Gyroskops um eine x-Achse, eine y-Achse oder eine z-Achse mittels der Sensorelemente, welche an entsprechender Stelle angeordnet sind, zu ermitteln. Insbesondere bei der Ausgestaltung mit vier Ankern, mittels welcher die Sensormasse auf dem Substrat angeordnet ist, wird eine ausgeglichene Lagerung der Massen auf dem Substrat bewirkt. Das Auslenken der Massen aufgrund der auftretenden Corioliskräfte bei einer Drehbewegung des Substrats erfolgt in allen Richtungen gleichmäßig, so dass die Auslenkbewegungen in allen Richtungen gleichartig sind. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die vier Anker sich auf der x- und der y-Achse befinden, wobei jeweils zwei der Anker auf einer dieser Achsen angeordnet sind. Hierdurch ist die Kippbewegung um die x-Achse gleichartig mit der Kippbewegung um die y-Achse.
Die Federn, mit welchen die Sensormasse an dem Anker befestigt sind, erlauben einerseits die beschriebene Kippbewegung um die x- bzw. y-Achse sowie eine Drehbewegung um die z-Achse. Gegenüber translatorischen Bewegungen in x- oder y-Richtung sind sie hingegen in ihrem Zusammenwirken steif. Hierdurch wird ein stabiles System geschaffen, welches steif gegenüber translatorischen Bewegungen, jedoch weich hinsichtlich rotatorischen Bewegungen der Sensormasse ist.
In einer vorzugsweisen Ausbildung der Erfindung umgibt die Sensormasse die Antriebsmassen in Form eines Rahmens. Dadurch können die Antriebsmassen gut in der Sensormasse aufgenommen werden und sorgen für einen störungsfreien Betrieb des Sensors. Durch den Rahmen wird auch gewährleistet, dass die Antriebsmassen gleichmäßig betrieben und gelagert werden können, so dass auch die daraus resultierenden Corioliskräfte und damit die entsprechenden Kippbewegungen gleichmäßig von den Antriebsmassen in die Sensormasse eingeleitet werden können.
Sind die Antriebsmassen paarweise punktsymmetrisch zu dem Zentrum des Sensors angeordnet, so können Antriebsvibrationen einfach ausbalanciert werden, so dass der Sensor in Ruhelage eine im Wesentlichen unbewegte Sensormasse aufweist. Die Sensormasse wird hierdurch nicht von den bewegten Antriebsmassen negativ beeinflusst oder gar in Schwingung versetzt, ohne dass Corioliskräfte auftreten.
Vorzugsweise sind die Sensorelemente zum Erfassen der Auslenkung der Massen um die x- oder y-Achse unterhalb der Sensormasse und/oder unterhalb der Antriebsmassen als horizontale Plattenkapazitäten oder als vertikale Kapazitäten in der Sensormasse angeordnet. Bei jeder der genannten Anordnungen kann die Auslenkung der Massen um die x- oder y-Achse in ihrer sekundär Schwingung als Änderung der Kapazität bzw. elektrischen Spannung erfasst werden. Die entsprechende Amplitude wirkt dabei als Maß für die auf den Drehratensensor wirkende Drehrate.
Zum Erfassen der Auslenkung der Massen um die z-Achse sind Sensorelemente vorzugsweise innerhalb oder außerhalb der Sensormasse als vertikale Kapazitäten oder als Kammelektroden angeordnet. Auch hierbei kann durch eine Änderung der elektrischen Größe auf die Drehrate um die z-Achse rückgeschlossen werden.
Die Befestigung der Sensormasse and dem Substrat erfolgt vorzugsweise mit Biegefedern. Durch die Biegefedern wird gewährleistet, dass die Sensormasse stabil mittels der entsprechenden Anker auf dem Substrat angeordnet ist. Die einzelnen Biegefedern sollen dabei so zusammenwirken, dass idealerweise die Sensormasse und die Antriebsmassen keinen Kontakt zu dem Substrat erhalten, wenn sie auf Grund der auftretenden Schwingungen durch die Corioliskraft ausgelenkt werden.
Die Biegefedern sind vorzugsweise so ausgeführt, dass sie eine Rotation der Sensormasse um die x-, y- und z-Achse erlauben. Damit werden Drehbewegungen des Substrats als Sekundärbewegung aufgrund der auftretenden Corioliskräfte in eine oszillierende Rotation der Sensormasse um die x-, y- oder z-Achse ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Biegefedern so ausgebildet, dass sie eine Verschiebung der Sensormasse in x-, y- oder z-Richtung verhindern. Bezüglich einer translatorischen Verschiebung der Sensormasse auf dem Substrat sind die Biegefedern in ihrem Zusammenwirken steif ausgebildet, so dass eine Verschiebung der Sensormasse in linearer Richtung auf dem Substrat vermieden wird.
Insbesondere um ein gutes und empfindliches Auslenken der Sensormasse zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Anker im Bereich des Zentrums des Sensors angeordnet sind. Die Biegefedern können hierdurch entsprechend lang ausgebildet werden, in der gewünschten Richtung eine geringe Federkonstante aufweisen und somit relativ weich sein. Eine Biegung bei einer entsprechenden Krafteinwirkung ist hierdurch leicht möglich. Die daran aufgehängte Sensormasse kann damit leicht und wiederholgenau bereits bei geringen Corioliskräften gekippt werden.
Vorzugsweise sind die Anker zwischen den Antriebsmassen angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung von Ankerpunkten und bewegten Massen. Das Auslenken der Sensormasse kann hierdurch nach allen Richtungen gleichmäßig und zielgerichtet erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die Antriebsmassen an der Sensormasse mittels in Antriebsrichtung elastischen Biegefedern befestigt. Die Antriebsmassen können hierdurch in Antriebsrichtung oszillierend angetrieben werden, ohne dass sie relevanten Einfluss auf die Sensormasse nehmen. Die Antriebsbewegung der Antriebsmassen bewirkt somit keine unmittelbare Bewegung der Sensormasse, obwohl diese über die Biegefedern miteinander verbunden sind. Die Biegefeder sind dagegen in Richtungen, welche von der Antriebsrichtung abweichen relativ starr mit der Sensormasse verbunden, so dass die auf die Antriebsmassen einwirkenden Corioliskräfte in eine Kipp- oder Drehbewegung der Sensormasse zusammen mit den Antriebsmassen eingeleitet werden können.
Gemäß der Erfindung sind die Antriebsmassen mit Synchronisierfedern miteinander verbunden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise bewirkt, dass die Bewegungen der Antriebsmassen synchron zueinander verlaufen, so dass keine Reaktionskräfte aus ungleichen Bewegungen der Antriebsmassen auf die Sensormasse einwirken. Dies würde dazu führen, dass die Sensormasse Auslenkungen erfährt, welche nicht auf Grund der Corioliskräfte verursacht sind. Hierdurch würden Messfehler entstehen, welche unerwünscht sind. Die Synchronisierfedern hingegen verbinden die einzelnen Antriebsmassen miteinander, so dass die Antriebsbewegungen der einzelnen Antriebsmassen gleich sind und einander bezüglich der auftretenden Kräfte ausgleichen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Synchronisierfedern sehr zentrumsnah angeordnet sind. Insbesondere, wenn sie sich näher am Zentrum befinden als die Anker der Sensormasse, wird sichergestellt, dass sich die Synchronisierfedern und die Biegefedern der Sensormasse nicht gegenseitig behindern. Darüber hinaus können die Biegefedern ebenso wie die Synchronisierfedern lang genug ausgeführt werden, so dass sie in der jeweiligen Richtung ausreichend elastisch sind, und sowohl die Beweglichkeit der Sensormasse als auch die Synchronisierung und Beweglichkeit der Antriebsmassen gewährleistet ist.
Sind die Antriebsrichtungen der Antriebsmassen winklig zueinander, bei vier Antriebsmassen vorzugsweise in einem 90°-Winkel oder bei drei Antriebsmassen vorzugsweise in einem 120°-Winkel vorgesehen, so wird sichergestellt, dass die Antriebsmassen gleichmässig betrieben werden können, ohne dass Kräfte auf die Sensormasse einwirken, welche nicht durch die Corioliskräfte verursacht sind.
Ein besonders stabiles System entsteht dadurch, dass in einer vorzugsweisen Ausführung der Erfindung die Antriebsrichtungen der Antriebselemente in einem 45°-Winkel zu den x-/y-Achsen vorgesehen sind. Hierdurch reagiert das System sehr empfindlich auf Corioliskräfte und ist bereits bei geringen Drehraten um die entsprechende Achse in der Lage, Corioliskräfte anzeigen zu können.
Vorzugsweise sind die Antriebselemente der Antriebsmassen Elektroden, insbesondere Gabel- bzw. Kammelektroden. Dabei ist ein Teil der Elektroden auf dem Substrat befestigt und ein anderer Teil der Elektroden an den Antriebselementen angeordnet. Durch das Anlegen einer Wechselspannung werden die Elektroden angezogen und abgestoßen, wodurch eine oszillierende Bewegung der Antriebsmassen entsteht.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

1 ein erfindungsgemäßes MEMS-Gyroskop in einer Draufsicht,
2 ein weiteres MEMS-Gyroskop in Draufsicht und
3 ein weiteres MEMS-Gyroskop in Draufsicht.

In 1 ist die Draufsicht eines MEMS-Gyroskops 1 dargestellt. Zu sehen sind hierbei insbesondere die bewegten Teile des Gyroskops 1, nämlich vier Antriebsmassen 2 und eine Sensormasse 3. Die Sensormasse 3 umgibt die vier Antriebsmassen 2 rahmenartig. Die Antriebsmassen 2 befinden sich innerhalb der Sensormasse 3.
Die Sensormasse 3 ist über Biegefedern 4 und Anker 5 auf einem nicht dargestellten Substrat angeordnet. Die Biegefedern 4 sind biegeweich in Querrichtung zu ihrer Längserstreckung. In ihrer Längsstreckung sind sie jedoch steif. Hierdurch wird bewirkt, dass die Sensormasse 3 um eine in der Zeichenebene liegende x-Achse und y-Achse ebenso wie um eine aus der Zeichenebene herausragende z-Achse drehbar ist. Die Drehbewegungen sind mit entsprechenden Pfeilen dargestellt.
Umrahmt von der Sensormasse 3 sind die Antriebsmassen 2 angeordnet. Die Antriebsmassen 2 sind mittels Biegefedern 6 an der Sensormasse 3 befestigt. Jede der Antriebsmassen 2 weist vier dieser Biegefedern 6 auf. Die Antriebsmassen 2 werden mittels Antriebselementen 7 in Doppelpfeilrichtung oszillierend angetrieben. Die Antriebselemente 7 bestehen beispielsweise aus Kammelektroden, von denen einige am Substrat und andere an der Antriebsmasse 2 befestigt sind und somit durch eine angelegte Wechselspannung die Antriebsmasse 2 in eine oszillierende Schwingung versetzen.
Die Biegefedern 6 sind derart ausgebildet, dass sie in der Antriebsrichtung der Antriebsmasse 2 biegeelastisch sind, in allen anderen Richtungen jedoch steif ausgebildet sind. Hierdurch wird bewirkt, dass die Antriebsmasse 2 in ihrer Antriebsrichtung weitgehend frei schwingen kann, während in den anderen Richtungen die Antriebsmasse 2 an die Bewegungen der Sensormasse 3 gekoppelt ist. Durch eine Corioliskraft, welche bei einer Drehbewegung des Substrats um eine der Achsen x, y oder z entsteht, wird somit die Sensormasse 3 zusammen mit den Antriebsmassen 2 in eine entsprechende Richtung als Sekundärbewegung gedreht.
Die vier Antriebsmassen 2 sind derart in der Sensormasse 3 angeordnet, dass sie paarweise gegeneinander schwingen und punktsymmetrisch zur z-Achse angeordnet sind. Hierdurch heben sich Kräfte und Drehmomente, welche durch die Bewegung der Antriebsmassen 2 entstehen könnten, gegenseitig auf und die Sensormasse 3 wird nur auf Grund der Antriebsbewegung der Antriebsmassen 2 nicht in eine Bewegung versetzt.
Um dieses Gleichgewicht und damit die Ruhe der Sensormasse 3 zu gewährleisten sind die Antriebsmassen 2 mittels Synchronisierfedern 8 miteinander verbunden. Die Synchronisierfedern 8 sind zwischen dem Anker 5 und dem Zentrum des Gyroskops 1 an der z-Achse angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass sie nicht mit der Bewegung der Biegefedern 4 bzw. dem Anker 5 in Konflikt geraten. Die Synchronisierfedern 8 sind u-förmig ausgebildet. Bei einer periodisch von einander weg und wieder zu einander hin erfolgenden Bewegung der durch die Synchronisierfedern 8 miteinander verbundenen beiden Antriebsmassen 2 ergibt sich ein sich verändernder Abstand der beiden Antriebsmassen 2. Die Synchronisierfedern 8 können sich dabei wegen ihrer Formgebung entsprechend spreizen. Die Synchronisierfedern 8 nutzen dabei Kräfte auf die Antriebsmassen 2 dahingehend aus, dass Geschwindigkeitsunterschiede ausgeglichen werden und damit die Antriebsbewegungen der vier Antriebsmassen 2 synchron erfolgen.
Unterhalb der Sensormasse 3 sind im Bereich der x- und der y-Achse Plattenkapazitäten 9 angeordnet. Durch diese Plattenkapazitäten 9 wird ein elektrisches Signal erzeugt, sobald es sich die Sensormasse 3 um die x- oder y-Achse dreht. Diese Signal ist proportional zur Corioliskraft, welche durch eine Drehbewegung des Substrats um die x- oder y-Achse entsteht. Zur Erfassung der Drehbewegung der Sensormasse 3 um die z-Achse sind beispielsweise Kammelektroden insbesondere am Umfang oder äußeren Bereich der Sensormasse 3 vorgesehen, welche eine Drehbewegung der Sensormasse 3 um die z-Achse ebenfalls in Form eines elektrischen Signals erfassen und Rückschlüsse auf eine entsprechende Drehbewegung des Substrats zulassen.
Durch die Befestigung der Sensormasse 3 an dem Anker 5 des Substrats über die Biegefedern 4 sowie durch die Befestigung der Antriebsmassen 2 über die Biegefedern 6 an der Sensormasse 3 entsteht ein System, bei welchem die Primärbewegung der Antriebsmassen 2 weitestgehend entkoppelt ist von der Sekundärbewegung, welche durch die Antriebsmassen 2 und die Kopplung mit der Sensormasse 3 erfolgt. Die Drehbewegung von Antriebsmassen 2 und Sensormasse 3 als Reaktion auf eine Drehbewegung des Gyroskops 1 bzw. des Substrats, auf welchem die Sensormasse 3 und die Antriebsmassen 2 befestigt sind, kann ohne, dass sie durch die Antriebsbewegung der Antriebsmassen 2 gestört wird, sensiert werden.
Nachdem die Sekundärbewegung durch die Antriebsmassen 2 und die Sensormasse 3 gekoppelt erfolgt, ist es alternativ zu diesem Ausführungsbeispiel auch möglich, dass die Sensorelemente, hier die Plattenkapazitäten 9, nicht nur unterhalb der Sensormasse 3, sondern auch unter den Antriebsmassen 2 angeordnet sind. Gleiches gilt selbstverständlich für die Sensorelemente, welche die Drehbewegung um die z-Achse erfassen. Auch hier erfolgt die Bewegung durch die Antriebsmassen 2 und die Sensormasse 3 gemeinsam, so dass diese Bewegung auch im Bereich der Antriebsmassen und/oder der Sensormasse 3 erfolgen kann.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel zu dem MEMS-Gyroskop der 1 dargestellt. Vergleichbare Bauelemente sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Ebenso wie in 1 weist das MEMS-Gyroskop 1 vier Antriebsmassen 2 auf, welche mittels jeweils vier Biegefedern 6 mit der Sensormasse 3 verbunden sind. Die Sensormasse 3 umgibt die vier Antriebsmassen 2 rahmenartig. Die Antriebsmassen 2 bewegen sich im 45°-Winkel zur x- und y-Achse in einer Richtung, welche durch das Zentrum des Gyroskops 1 im Bereich der z-Achse verläuft, hin und wieder von diesem weg. Gegenüberliegende Antriebsmassen 2 bewegen sich gegenläufig oszillierend um so Vibrationen auf die Sensormasse 3 zu vermeiden.
Die Sensormasse 3 ist mittels jeweils einer Biegefeder 4 an jeweils einem, insgesamt an vier Ankern 5 dreh- und kippbar um die x-, y- und z-Achse verankert. Zwischen den Ankern 5 und dem Zentrum des Gyroskops 1 erstrecken sich die Synchronisierfedern 8, welche dafür sorgen, dass die Antriebsmassen 2 synchron zueinander schwingen. Die Biegefedern 6, mit welchen die Antriebsmassen 2 mit der Sensormasse 3 verbunden sind, erlauben in Antriebsrichtung die oszillierenden Bewegungen der Antriebsmassen 2, sind jedoch in allen anderen Richtungen starr, so dass auftretende Corioliskräfte von den Antriebsmassen 2 auf die Sensormasse 3 übertragen werden können.
In 3 ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen MEMS-Gyroskops 1 schematisch dargestellt. Die Verbindung der Antriebsmassen 2 mit der Sensormasse 3 sowie die Verbindung der Sensormasse 3 über die Biegefedern 4 und die Anker 5 auf dem Substrat erfolgen in ähnlicher Weise wie bei den Ausführungsbeispielen in 1 und 2. Die Synchronisierfedern 8 sind bei dieser Ausführung pfeilartig ausgebildet, aber ebenfalls in Richtung auf das Zentrum des Gyroskops 1 hin orientiert. Die Erfassung der Drehbewegung der Sensormasse 3 und der Antriebsmassen 2 um die x-, y- oder z-Achse erfolgt bei dieser Ausführung der Erfindung mittels Sensorelementen 10, welche im Rahmen der Sensormasse 3 angeordnet sind. Diese Sensorelemente 10 sind beispielsweise vertikale Kapazitäten, welche bei einer Drehbewegung der Sensormasse 3 um die z-Achse veränderliche elektrische Signale erzeugen. Bei einer entsprechenden Ausbildung kann mit diesen Sensorelementen 10 oder mit ähnlichen Sensorelementen oder aber auch mit Plattenkapazitäten, wie in der Ausführung der 1 dargestellt, die Drehbewegung um die x- oder y-Achse der Sensormasse 3 erfasst werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann insbesondere die Anzahl der Antriebsmassen unterschiedlich von der hier dargestellten Anzahl sei. Auch die Art und Weise der Erfassung der Drehbewegung der Sensormasse 3 kann anders als hier dargestellt erfolgen. Die Gestaltung der Antriebsmassen 2 und der Sensormasse 3 muss darüber hinaus nicht eckig sein, sondern kann in einer anderen Ausführung der Erfindung auch abgerundet oder rund sein. Im Übrigen betrifft die Erfindung alle Ausführungen, welche entsprechend der geltenden Patentansprüche ausgebildet sind.

Claims

Gyroskop, umfassend: ein Substrat; eine Sensormasse (3), mindestens zwei Antriebsmassen (2), die auf dem Substrat angeordnet sind und radial bezüglich eines Mittelpunkts oszillieren; ein erstes Antriebselement (7), gekoppelt mit einer ersten Antriebsmasse (2) aus den mindestens zwei Antriebsmassen (2), wobei das erste Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in einem ersten Fall der Drehung des Substrats um eine erste Achse (x) des Gyroskops zu erzeugen; ein zweites Antriebselement (7), gekoppelt mit einer zweiten Antriebsmasse (2) aus den mindestens zwei Antriebsmassen (2), wobei das zweite Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in einem zweiten Fall der Drehung des Substrats um eine zweite Achse (y) des Gyroskops zu erzeugen; Synchronisierungsfedern (8), die die erste und die zweite Antriebsmasse (2) verbinden und veranlassen, dass die radialen oszillierenden Schwingungen der ersten und der zweiten Antriebsmasse (2) synchron miteinander auftreten; ein erstes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in dem ersten Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst; und ein zweites Sensorelement (10), das eine Auslenkung der zweiten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in dem zweiten Fall der Drehung des Substrats um die zweite Achse (y) erfasst und das erste und das zweite Sensorelement (10) an der Sensormasse (3) angeordnet sind, um die Drehung um die erste Achse (x) oder die zweite Achse (y) zu erfassen.
Gyroskop nach Anspruch 1, wobei die Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2) eine erste Kapazitätsänderung verursacht, die sich auf eine erste Drehgeschwindigkeit um die erste Achse (x) bezieht.
Gyroskop nach Anspruch 1, wobei die Auslenkung der zweiten Antriebsmasse (2) eine zweite Kapazitätsänderung verursacht, die sich auf eine zweite Drehgeschwindigkeit um die zweite Achse (y) bezieht.
Gyroskop nach Anspruch 1, wobei die radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) entlang einem ersten Weg geschieht und die radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) entlang einem zweiten Weg geschieht, wobei der erste und der zweite Weg um neunzig Grad getrennt sind.
Gyroskop nach Anspruch 4, wobei der erste Weg entlang einer x-Achse des Gyroskops liegt und der zweite Weg entlang einer y-Achse des Gyroskops liegt.
Gyroskop nach Anspruch 1, weiter umfassend eine erste Aufhängungsfeder, gekoppelt mit der ersten Antriebsmasse (2) und dem Substrat, wobei die erste Aufhängungsfeder die radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) ermöglicht.
Gyroskop nach Anspruch 6, weiter umfassend eine zweite Aufhängungsfeder, gekoppelt mit der zweiten Antriebsmasse (2) und dem Substrat, wobei die zweite Aufhängungsfeder die radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) ermöglicht.
Gyroskop nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine erste Schnittstelle, auf der ein Signal übermittelt wird, das sich auf eine erste Drehgeschwindigkeit um die erste Achse (x) bezieht; und eine zweite Schnittstelle, auf der ein Signal übermittelt wird, das sich auf eine zweite Drehgeschwindigkeit um die zweite Achse (y) bezieht.
Gyroskop, umfassend: ein Substrat; eine Sensormasse (3), ein erstes Paar Antriebsmassen (2), die auf dem Substrat angeordnet sind und in synchronisierter Opposition zueinander bezüglich eines Mittelpunkts radial oszillieren; ein erstes Antriebselement (7), gekoppelt mit einer ersten Antriebsmasse (2) aus dem ersten Paar Antriebsmassen (2), wobei das erste Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in einem Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) zu erzeugen; ein zweites Antriebselement (7), gekoppelt mit einer zweiten Antriebsmasse (2) aus dem ersten Paar Antriebsmassen (2), wobei das zweite Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in dem Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) zu erzeugen; wobei das erste und das zweite Antriebselement (7) angepasst sind, die erste und die zweite Antriebsmasse (2) in synchronisierter Opposition zueinander in Schwingung zu versetzen; Synchronisierungsfedern (8), die die erste und die zweite Antriebsmasse (2) so verbinden, dass die radialen oszillierenden Schwingungen der ersten und der zweiten Antriebsmasse (2) synchron miteinander auftreten; ein erstes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in dem Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst; und ein zweites Sensorelement (10), das eine Auslenkung der zweiten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in dem Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst und das erste und das zweite Sensorelement (10) an der Sensormasse (3) angeordnet sind, um die Drehung um die erste Achse (x) zu erfassen.
Gyroskop nach Anspruch 9, weiter umfassend: eine erste Schnittstelle, auf der von dem ersten Sensorelement (10) ein erstes Signal übermittelt wird, das sich auf eine erste erfasste Drehgeschwindigkeit um die erste Achse (x) bezieht; und eine zweite Schnittstelle, auf der von dem zweiten Sensorelement (10) ein zweites Signal übermittelt wird, das sich auf eine zweite erfasste Drehgeschwindigkeit um die erste Achse (x) bezieht.
Gyroskop nach Anspruch 10, wobei ein differentieller Wert bezüglich einer Drehgeschwindigkeit um die erste Achse (x) aus dem ersten und dem zweiten Signal abgeleitet wird.
Gyroskop nach Anspruch 11, weiter umfassend einen Zentralanker (5), gekoppelt mit dem Substrat, wobei der Zentralanker (5) mindestens eine erste Feder, gekoppelt mit der ersten Antriebsmasse (2), und mindestens eine zweite Feder aufweist, gekoppelt mit der zweiten Antriebsmasse (2).
Gyroskop nach Anspruch 11, wobei die erste Achse (x) eine x-Achse des Gyroskops ist.
Gyroskop nach Anspruch 12, weiter umfassend: eine erste Biegefeder (6), gekoppelt mit der ersten Antriebsmasse (2) und dem Substrat, wobei die erste Biegefeder (6) die radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) bezüglich des Zentralankers (5) ermöglicht; und eine zweite Biegefeder (6), gekoppelt mit der zweiten Antriebsmasse (2) und dem Substrat, wobei die zweite Biegefeder (6) die radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) bezüglich des Zentralankers (5) ermöglicht.
Gyroskop nach Anspruch 10, wobei das erste Signal durch eine Kapazitätsänderung erzeugt wird, verursacht durch die vom ersten Sensorelement (10) erfasste Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2).
Gyroskop nach Anspruch 10, weiter umfassend ein drittes Sensorelement (10), das sich oberhalb der ersten Antriebsmasse (2) befindet, wobei das dritte Sensorelement (10) eine Vielzahl von kapazitiven Platten (9) umfasst, die eine Drehung des Substrats um eine zweite Achse (y) des Gyroskops erfassen.
Gyroskop nach Anspruch 16, wobei die zweite Achse (y) eine y-Achse des Gyroskops ist.
Gyroskop, umfassend: ein Substrat; eine Sensormasse (3), eine erste Antriebsmasse (2), die auf dem Substrat angeordnet ist und radial bezüglich eines Zentralankers (5) entlang einer ersten Achse (x) des Gyroskops oszilliert; eine zweite Antriebsmasse (2), die auf dem Substrat angeordnet ist und radial bezüglich des Zentralankers (5) entlang einer zweiten Achse (y) des Gyroskops oszilliert, die um neunzig Grad zur ersten Achse (x) steht; eine dritte Antriebsmasse (2), die auf dem Substrat angeordnet ist und radial bezüglich des Zentralankers (5) entlang der ersten Achse (x) oszilliert; eine vierte Antriebsmasse (2), die auf dem Substrat angeordnet ist und radial bezüglich des Zentralankers (5) entlang der zweiten Achse (y) oszilliert; ein erstes Antriebselement (7), gekoppelt mit der ersten Antriebsmasse (2), wobei das erste Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der ersten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in einem ersten Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) zu erzeugen; ein zweites Antriebselement (7), gekoppelt mit der zweiten Antriebsmasse (2), wobei das zweite Antriebselement (7) eine radiale oszillierende Schwingung der zweiten Antriebsmasse (2) verursacht, um Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in einem zweiten Fall der Drehung des Substrats um die zweite Achse (y) zu erzeugen; Synchronisierungsfedern (8), die die erste, die zweite, die dritte und die vierte Antriebsmasse (2) so verbinden, dass radiale oszillierende Schwingungen der dritten und der vierten Antriebsmasse (2) synchron mit den radialen oszillierenden Schwingungen der ersten und der zweiten Antriebsmasse (2) auftreten; wobei die radialen oszillierenden Schwingungen der ersten und der dritten Antriebsmasse (2) in synchronisierter Opposition zueinander auftreten und die radialen oszillierenden Schwingungen der zweiten und der vierten Antriebsmasse (2) in synchronisierter Opposition zueinander auftreten; ein erstes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der ersten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die erste Antriebsmasse (2) in dem ersten Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst; ein zweites Sensorelement (10), das eine Auslenkung der zweiten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die zweite Antriebsmasse (2) in dem zweiten Fall der Drehung des Substrats um die zweite Achse (y) erfasst; ein drittes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der dritten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die dritte Antriebsmasse (2) in dem ersten Fall der Drehung des Substrats um die erste Achse (x) erfasst; und ein viertes Sensorelement (10), das eine Auslenkung der vierten Antriebsmasse (2) als Reaktion auf die Corioliskräfte auf die vierte Antriebsmasse (2) in dem zweiten Fall der Drehung des Substrats um die zweite Achse (y) erfasst und die vier Sensorelemente (10) an der Sensormasse (3) angeordnet sind, um die Drehung der Sensormasse (3) um die erste Achse (x) oder die zweite Achse (y) zu erfassen.