DE102015107251A1

DE102015107251A1 - Systeme und Verfahren zur Stoßfestigkeit eines MEMS-Gyroskops

Info

Publication number: DE102015107251A1
Application number: DE102015107251.3A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Rocchi; Eleonora Marchetti; Lorenzo BERTINI
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2015-11-19
Also published as: US9995583B2; US20150330783A1

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen erhöhte Stoßfestigkeit bei Gyroskopen. In bestimmten Ausführungsformen ist Unempfindlichkeit gegen unerwünschte Kräfte, die den Signalausgang verderben, durch eine Schachbrettmuster-Architektur von Prüfmassen geschaffen, die eine zweite Schicht differentieller Signale vorsieht, die bei bestehenden Entwicklungen nicht vorhanden sind. Die Massen sind parallel zueinander in einer Zwei-Mal-Zwei-Anordnung mit zwei rechtwinkligen Symmetrieachsen ausgerichtet. Die Massen sind derart zum Schwingen angesteuert, dass sich jede Masse antiparallel zu einer benachbarten Prüfmasse bewegt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung verbindet ein mechanisches Verbindungselementsystem die Prüfmassen miteinander, um Auslenkungen aufgrund mechanischer Störungen zu unterdrücken und gleichzeitig Auslenkungen aufgrund von Corioliskräften zuzulassen, um falsche Sensorsignale zu verhindern.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotationsgeschwindigkeitssensoren. Genauer betrifft die Erfindung Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Schaffen von Stoßfestigkeit für MEMS-Rotationsgeschwindigkeitssensoren, wie etwa Gyroskope.
Hintergrund der Erfindung
MEMS-Gyroskope sind Sensoren, die, wenn sie durch eine Ansteuerelektronik ständig angeregt sind, eine primäre Schwingung auszuführen, eine Rotationsgeschwindigkeit um eine oder mehrere Achsen durch Erfassen von Auslenkungen mechanischer Strukturen messen können, die sich aus durch den Coriolis-Effekt verursachten Kräften ergeben.
Ein allgemeines Problem von MEMS-Gyroskopen besteht darin, dass sie verschiedenen Arten externer mechanischer Störungen ausgesetzt sein können, wie etwa Stoß, Vibrationen und anderen unerwünschten mechanischen Störungen des Umfelds, die die Anregung des Sensors und die Rotationsgeschwindigkeitsmessung negativ beeinflussen können. Im Allgemeinen ist ein Stoß eine Kombination von Kräften und Drehmomenten mit beliebiger Ausrichtung in einem dreidimensionalen Koordinatensystem. Mit anderen Worten, mechanische Störungen können sechs Komponenten umfassen – drei Translations- und drei Rotationskomponenten.
Externe mechanische Störungen weisen zahlreiche Nebeneffekte auf, einschließlich der Erzeugung von falschen Ausgangssignalen, die das Messergebnis des Sensors verfälschen, wenn z. B. ein Stoßereignis eine Auslenkung bewirkt, die einer zu erfassenden Auslenkung ähnlich ist, die durch eine Corioliskraft erzeugt wird. Die beiden sich überlagernden Signale können die Rotationsgeschwindigkeitsmessung verderben. Zweitens verlieren Stoßereignisse, wenn sie groß genug sind, um die Prüfmassen im Gyroskop in Kontakt mit Anschlagstrukturen zu bringen, die am Substrat angebracht und ausgestaltet sind, die Beweglichkeit der Massen zu begrenzen, einiges an ihrer kinetischen Energie, und die primäre Schwingung des Sensors muss neu gestartet werden, während welcher Zeit die gesamte Vorrichtung außer Funktion bleibt.
Stoßfestigkeit von Gyroskopen, insbesondere in Automobil- und ähnlichen Anwendungen, ist eine hoch erwünschte Eigenschaft, die es ermöglichen würde, dass Gyroskope funktionsfähig bleiben und genaue elektrische Ausgangssignale sogar in Szenarien liefern, wenn die Vorrichtung bestimmten Niveaus an mechanischen Störungen ausgesetzt ist.
Was benötigt wird, sind Vorrichtungen, Systeme und Verfahren für Systementwickler, um die oben beschriebenen Beschränkungen zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die offenbarten Systeme und Verfahren erhöhen die Stoßfestigkeit sowohl bei einzelachsigen als auch bei mehrachsigen Rotationsgeschwindigkeitssensoren, wie etwa Gyroskopen. Insbesondere schaffen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung Sensorunempfindlichkeit gegen Störungen aus einwirkenden Translations- und Rotations-Stoßbedingungen, wie etwa Stoß, Vibrationen und anderen unerwünschten mechanischen Störungen des Umfelds, die dazu neigen, falsche elektrische differentielle Ausgangssignale zu erzeugen, die wiederum fälschlich als Rotationsgeschwindigkeit interpretiert werden und somit das Messergebnis des Sensors verfälschen würden.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist Stoßfestigkeit durch eine Schachbrettmuster-Architektur von Prüfmassen erleichtert, die eine zweite Schicht differentieller Signale vorsieht, die bei bestehenden Entwicklungen nicht vorhanden sind. Die Massen sind parallel zueinander in einer Zwei-Mal-Zwei-Anordnung mit zwei rechtwinkligen Symmetrieachsen ausgerichtet. Die Massen sind derart zum Schwingen angesteuert, dass sich jede Masse antiparallel zu einer benachbarten Prüfmasse bewegt.
In einigen Ausführungsformen sind unterhalb beweglich aufgehängter Prüfmassen befindliche Elektroden in einem Schachbrettmuster angeordnet und als im Gleichgewicht befindliche differentielle Paare verbunden, um die Effekte mechanischer Störungen, wie etwa Linear- und Winkelbeschleunigungen, elektrisch aufzuheben. Dies macht den Sensor unempfindlich gegen unerwünschte Kräfte, die sich sonst mit erwünschen Corioliskräften überlagern und die Genauigkeit des Ausgangssignals beeinträchtigen könnten.
In einigen Ausführungsformen sind zu den Massen gehörige Elektroden in einem Zwei-Mal-Zwei-Schachbrettmuster angeordnet, und eine Masse aus einem Massenpaar ist elektrisch mit einem anderen Paar gekoppelt, um ein im Gleichgewicht befindliches differentielles elektrisches Paar zu bilden. Außerdem hemmt ein mit den Prüfmassen gekoppeltes mechanisches Verbindungselementsystem Auslenkungen von Massen, die durch unerwünschte mechanische Störungen, wie etwa Linearbeschleunigungen und Winkelbeschleunigungen, hervorgerufen sind, während es Auslenkungen aufgrund der erwünschten Corioliskräfte zulässt. Mit anderen Worten, mechanische Störungen werden gehindert, unerwünschte Bewegungen zu verursachen, die zu fehlerhaften Ausgangssignalen oder zu Sensorfehlfunktion führen können.
Bestimmte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden hier allgemein beschrieben; zusätzliche, hier vorgestellte Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen werden jedoch einem gewöhnlichen Fachmann angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche davon offensichtlich. Demgemäß sollte einzusehen sein, dass der Umfang der Erfindung durch die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbarten Ausführungsformen nicht eingeschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun ist Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren dargestellt sein können. Es ist beabsichtigt, dass diese Figuren nur veranschaulichend, nicht einschränkend sind. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass damit nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf diese besonderen Ausführungsformen zu beschränken.
1A zeigt primäre Bewegung für ein typisches MEMS-Gyroskop.
1B zeigt sekundäre Bewegung für ein typisches MEMS-Gyroskop.
2A zeigt den jeweiligen Effekt eines Translationsstoßes für eine gewöhnliche Ausführung eines MEMS-Gyroskops.
2B zeigt den jeweiligen Effekt eines Rotationsstoßes für eine gewöhnliche Ausführung eines MEMS-Gyroskops.
3A zeigt den Effekt eines Translationsstoßes für eine Ausführung eines MEMS-Gyroskops mit einem mechanischen Verbindungselement.
3B zeigt den Effekt eines Rotationsstoßes für eine Ausführung eines MEMS-Gyroskops mit einem mechanischen Verbindungselement.
4A ist eine allgemeine Darstellung primärer Bewegung in einer „Schachbrett”-Anordnung von Prüfmassen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
4B ist eine allgemeine Darstellung sekundärer Bewegung in einer „Schachbrett”-Anordnung von Prüfmassen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
5A stellt den Effekt eines Translationsstoßes für die Schachbrettanordnung in 4 dar.
5B stellt den Effekt eines Rotationsstoßes für die Schachbrettanordnung in 4 dar.
6 ist eine beispielhafte Anwendung eines mechanischen Verbindungselementsystems bei der Schachbrettanordnung in 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
7 stellt schematisch eine primäre Bewegung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
8A und 8B stellen Beispiele primärer Verbindungselementsysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
9 stellt sekundäre Bewegung in einer Ausführung eines „Giergeschwindigkeitssensors” gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
10 stellt sekundäre Bewegung in einer Ausführung eines „Nickgeschwindigkeitssensors” gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
11A und 11B stellen Beispiele sekundärer Verbindungselementsysteme in einem Giergeschwindigkeitssensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
11C stellt ein beispielhaftes Gyroskop außerhalb der Ebene dar, das primäre und sekundäre Verbindungselementsysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfasst.
11D stellt das primäre Verbindungselementsystem von 8B dar, ausgeführt in dem in 11C gezeigten Gyroskop außerhalb der Ebene.
11E stellt das sekundäre Verbindungselementsystem von 11B dar, ausgeführt in dem in 11C gezeigten Gyroskop außerhalb der Ebene.
11F stellt ein beispielhaftes Gyroskop in der Ebene dar, das primäre und sekundäre Verbindungselementsysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfasst.
11G stellt das primäre Verbindungselementsystem von 8A dar, ausgeführt in dem in 11F gezeigten Gyroskop in der Ebene.
11H stellt das sekundäre Verbindungselementsystem von 12B dar, ausgeführt in dem in 11F gezeigten Gyroskop in der Ebene.
12A und 12B stellen Beispiele sekundärer Verbindungselementsysteme in einem Nickgeschwindigkeitssensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
13 stellt eine beispielhafte Anordnung für die Messelektroden in einer Ausführung eines Nickgeschwindigkeitssensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
14 stellt eine beispielhafte Anordnung für die Messelektroden in einer Ausführung eines Giergeschwindigkeitssensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
15 ist ein Flussdiagramm eines erläuternden Ablaufs zum Ermöglichen von Stoßfestigkeit in Rotationsgeschwindigkeitssensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung besondere Einzelheiten dargelegt, um für ein Verständnis der Erfindung zu sorgen. Es wird jedoch einem Fachmann offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten ausgeführt sein kann. Ein Fachmann wird erkennen, dass unten beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Weisen und unter Verwendung einer Vielfalt von Mitteln ausgeführt werden können. Fachleute werden auch anerkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen in ihrem Umfang liegen, ebenso zusätzliche Gebiete, auf denen die Erfindung Nutzen bieten kann. Demgemäß sind die unten beschriebenen Ausführungsformen erläuternd für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu gedacht, Unklarheiten der Erfindung zu vermeiden.
Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes bestimmtes Merkmal, ein Aufbau, eine Eigenschaft oder Funktion in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Erscheinen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform” oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung muss sich nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Weiter sind Verbindungen zwischen Bauteilen oder zwischen Verfahrensschritten in den Figuren nicht auf Verbindungen beschränkt, die direkt betroffen sind. Stattdessen können in den Figuren dargestellte Verbindungen zwischen Bestandteilen oder zwischen Verfahrensschritten durch Einfügen von Zwischenbestandteilen oder -verfahrensschritten darin modifiziert oder anderweitig verändert werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In diesem Dokument beziehen sich die Begriffe „primäre(r)” Bewegung, Modus und Achse auf die Antriebsbewegung von Prüfmassen, und die Begriffe „sekundäre(r)” Bewegung, Modus und Achse beziehen sich im Allgemeinen auf Messvorgänge. Genaue Beschreibungen von Bestandteilen, wie etwa Ansteuerelektronik, Verbindungselementen und Verankerung an Rahmen, zum Beispiel zum Ansteuern der Verbindungselemente, sind zur Kürze und Deutlichkeit weggelassen. Weiter umfasst der Begriff „Stoß” jede Art von Translations- und Winkelbeschleunigung, Vibration und mechanischer Störung.
1A zeigt eine primäre Bewegung für ein typisches MEMS-Gyroskop, während 1B eine sekundäre Bewegung für ein typisches MEMS-Gyroskop zeigt. Die Massen 104, 106 in 1A sind aus ihren Ruhepositionen (durch gestrichelte Linien angegeben) angeregt, eine Schwingbewegung entlang der primären Achse parallel zur Elektrode 150, 152 auszuführen, bis die Massen 104, 106 ihre maximale Auslenkung erreichen. Die Elektrode 150, 152 ist mit einem elektrischen Schaltkreis (nicht gezeigt) verbunden, um den Abstand zwischen Massen 104, 106 und Elektrode 150, 152 über ein Bestimmen der Kapazität zu messen, wie Fachleute verstehen werden.
Wenn jedoch das System 100 einer Drehung um die empfindliche Achse (hier die Rotationsgeschwindigkeitsachse 103) ausgesetzt ist, erzeugt der Coriolis-Effekt Schwingungskräfte 114, 116 entlang der sekundären Achse 102, die durch die Elektrode 150, 152 als differentielles Signal erfasst werden. Die Schwingungskräfte 114, 116 treten zusätzlich zur Antriebsbewegung auf (in 1B nicht gezeigt). Genauer veranlasst die Corioliskraft 114 die Masse 104, sich um eine Strecke weg von der Elektrode 150 zu bewegen, wodurch die Kapazität verringert wird. Gleichzeitig veranlasst die Corioliskraft 116 die Masse 106, sich zur Elektrode 152 hin zu bewegen, was den Abstand zur Elektrode 150 verringert und demgemäß die Kapazität erhöht. Diese Positionsänderung wird als eine Kapazitätsänderung aufgrund der Corioliskräfte erfasst und kann als differentielles Signal an der Elektrode 150, 152 gemessen werden, das proportional zur zu bestimmenden Winkelgeschwindigkeit ist.
2A und 2B zeigen die jeweiligen Effekte von Translationsstoß und Rotationsstoß für eine gewöhnliche Ausführung eines MEMS-Gyroskops. Dieselben Bezugsnummern wie in 1 bezeichnen ähnliche Elemente. Wie aus 2A entnommen werden kann, ergibt eine externe lineare Beschleunigung der Massen 104, 106, herbeigeführt durch die Kraft 210 in einer Translationsrichtung, ein Gleichtaktsignal statt eines differentiellen Fehlersignals, da beide Massen 104, 106 von derselben Kapazitätsänderung betroffen sind und somit ein differentielles elektrisches Ausgangssignal Null erzeugt wird. Daher kann durch Verwendung zweier Prüfmassen 104, 106, verglichen mit dem Verwenden einer einzigen Masse, lineare Beschleunigung ignoriert oder isoliert und aus dem Ausgangssignal aufgehoben werden, um die Auswirkung dieser Art externen Stoßes zu beseitigen.
Dagegen ist die Winkelbeschleunigung 211 um die Rotationsgeschwindigkeitsachse, z. B. ein unerwünschter Drehimpuls des MEMS-Gyroskops um die Rotationsgeschwindigkeitsachse, problematischer. Ein solches Stoßereignis wirkt so, dass es eine ungleiche Auslenkung beider Massen 104, 106 entlang der sekundären Achse herbeiführt, d. h. in derselben Richtung wie die zu erfassende Corioliskraft, die per definitionem auch senkrecht zur Drehachse steht. Wie in 2B gezeigt, veranlassen die ungleichen Kräfte die Masse 106, sich näher zur Elektrode 152 zu bewegen, während sie die Masse 104 veranlassen, sich von der Elektrode 150 weg zu bewegen. Da die sich ergebenden parasitären Signale das Messsignal überlagern, von dem sie nicht leicht unterschieden werden können, können parasitäre Signalkomponenten nicht durch geeignete elektronische Schaltungen aufgehoben werden. Als Ergebnis enthält das Ausgangssignal aufgrund der Wirkung des Stoßes eine Fehlerkomponente und gibt fälschlich eine Winkelgeschwindigkeit an.
Im Allgemeinen sind Fehler, die Gleichtaktsignale erzeugen, relativ leicht zu behandeln, weil anders als in Einzelmassen-Architekturen, in denen eine unkorrigierte Überlagerung unerwünschter Bewegungsvektoren aufgrund von Störungen immer eine Verfälschung des Ausgangssignals ergeben, Gleichtaktsignale aufgrund einer Gleichtaktbewegung der Massen 104 und 106 zumindest teilweise aufgehoben werden können, um die Wirkung bestimmter unerwünschter Beschleunigungskomponenten zu verringern. Jedoch bleibt die Architektur 250 verletzlich gegen externe Störungen aufgrund bestimmter Stoßereignisse.
Einige bestehende Ansätze verwenden ein Koppel-Verbindungselementsystem 302 zwischen den Massen 104 und 106 (in 3A und 3B gezeigt), um durch Translationskraft 210 verursachte Fehler zu verringern. Jedoch ist der Nutzen eines solchen Entwurfs nur auf das Reduzieren von Translationsbewegung im System 302 beschränkt. Diese Entwürfe können nicht die Wirkungen aller Arten von Stößen reduzieren. Insbesondere kann das Koppel-Verbindungselementsystem 302 keine Bewegung, die durch Drehbeschleunigung 211 verursacht ist, zum Zweck des Vermeidens falscher Messungen durch die Elektrode 150, 152 verhindern.
Daher wäre es wünschenswert, Systeme und Verfahren zur Verfügung zu haben, die die Stoßfestigkeit sowohl von einzel- als auch von mehrachsigen Sensoren gegen alle Arten von Stoß erhöhen, um genaue Sensormessergebnisse sicherzustellen.
4A und 4B stellen allgemein primäre und sekundäre Bewegung in einer Schachbrettanordnung beweglicher Prüfmassen in einer Messvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Zur Deutlichkeit sind Bestandteile, wie etwa Federn, Anker, Rahmen und Aktoren weggelassen. In 4A und 4B sind vier im Wesentlichen gleiche Massen 402 bis 408 in einem Grundrahmen beweglich aufgehängt und oberhalb ihrer jeweiligen Elektroden 150 bis 156 angeordnet. Die Massen 402 bis 408 sind parallel zueinander als zwei im Gleichgewicht befindliche differentielle Paare in einer Zwei-Mal-Zwei-Anordnung mit zwei rechtwinkligen Symmetrieachsen ausgerichtet. Die primäre Bewegung, die sekundäre Bewegung und zugehörige Elektrodenverbindungen sind in einer „Schachbrett”-Anordnung arrangiert, die eine zweite Schicht differentieller Signale hinzufügt, die bei bestehenden Entwürfen nicht vorhanden sind.
Im Betrieb sind die Massen 402 bis 408 in 4A ständig angetrieben, eine Schwingbewegung entlang der primären Achse 101 auszuführen, die parallel zur Elektrode 150 bis 156 liegt. Die bewegliche Prüfmasse 402 ist in derselben Richtung angetrieben wie die Masse 408, während die Massen 404 und 406 in der entgegengesetzten Richtung entlang derselben primären Achse angetrieben sind. Die Elektroden 150 bis 156 sind ausgestaltet, Bewegungen der Massen 402 bis 408 entlang der sekundären Achse 102 zu erfassen. 4B stellt dar, wie sich die Massen 402 bis 408 entlang der sekundären Achse aufgrund von Corioliskräften bewegen, die durch eine Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsgeschwindigkeitsachse 103 erzeugt werden, die die durch das System 450 zu messende Rotationsgeschwindigkeit ist. Ein Fachmann wird einsehen, dass die Massen 402 bis 408 jede geeignete Form annehmen können.
Sowohl bei der primären als auch der sekundären Schwingung bewegen sich alle vier Massen 402 bis 408 entlang parallelen Wegen, und jede Masse 402 bis 408 bewegt sich gegenphasig zu zwei benachbarten Massen und gleichphasig zu diametral gegenüberliegenden Massen. Wenn beispielsweise die Corioliskraft 114, 120, die zu messende Kraft, die Masse 402, 408 entlang der sekundären Achse zur Elektrode 150 bzw. 156 hin bewegt, bewegt gleichzeitig die Corioliskraft 116, 118, die in der entgegengesetzten Richtung bezüglich der Corioliskraft 114, 120 wirkt, die Masse 404, 406 weg von der Elektrode 152, 154. In diesem Beispiel sind die Elektroden 150 und 156 miteinander gekoppelt, und das Ausgangssignal wird zu einer elektrischen Messschaltung (z. B. einem ASIC) gesendet, während die Elektroden 152 und 154 gekoppelt sind, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen. Aus beiden Ausgangssignalen wird ein elektrisches differentielles Signal erhalten, das repräsentativ für die gewünschte Corioliskraft ist. Ein gewöhnlicher Fachmann wird verstehen, dass, während in den Figuren nur ebene Elektroden gezeigt sind, die Elektroden 150 bis 156 auf jede andere in der Technik bekannte Weise geformt sein können, einschließlich als kapazitive Fingerelektroden, bekannt als Kammelektroden.
5A und 5B stellen den Effekt unerwünschter externer Translations- und Rotationsbeschleunigung auf Prüfmassen in der Schachbrettanordnung in 4 dar. Zur Deutlichkeit sind Bauteile ähnlich den in 4 gezeigten auf dieselbe Weise bezeichnet. Aus Gründen der Kürze ist eine Beschreibung ihrer Funktion hier nicht wiederholt. Die externe Translationskraft 510, verursacht beispielsweise durch eine lineare Beschleunigung, bewegt alle Massen 402 bis 408 parallel entlang der sekundären Achse. Die sich ergebende gleiche Änderung der Kapazität zwischen den Massen 402 bis 408 und den Elektroden 150 bis 156 erzeugt kein unerwünschtes elektrisches differentielles Ausgangssignal. Stattdessen wird ein Gleichtaktsignal erzeugt, und nur die gewünschte Winkelgeschwindigkeit wird gemessen.
Ähnlich verringert sich im Fall unerwünschter Winkelbeschleunigung 511, wenn beispielsweise die Massen 404 und 408 in größerem Ausmaß beschleunigt werden als die Massen 402 und 406, der Abstand zwischen der Masse 404, 408 und der Elektrode 152, 156, während sich der Abstand zwischen der Masse 402, 406 und der Elektrode 150, 154 erhöht, sodass die gesamte, durch die Elektroden 152 und 154 und die Elektroden 150 und 156 erfahrene Kapazitätsänderung im Wesentlichen gleich bleibt, wodurch wieder unerwünschte differentielle Signale unterdrückt werden, die zu fehlerhaften Ausgangssignalen führen können.
Die Architektur des Systems 400, 450 erzeugt zuverlässig ein Gleichtaktsignal an den Elektroden 150 bis 156, das elektrisch die Wirkung mechanischer Störungen aufhebt, damit sie die Genauigkeit des Ausgangssignals, d. h. den Messwert des Gyroskops, nicht beeinträchtigt. Daher ist das System 400, 450 viel unempfindlicher gegen mechanischen Stoß aufgrund sowohl von linearer Beschleunigung als auch von Drehmoment, unabhängig von der Ausrichtung.
Es ist vorgesehen, dass ein System pro Messachse angeordnet sein kann, um ein mehrachsiges Gyroskop zu schaffen. Es ist anzumerken, dass die gezeigte Symmetrie nur auf die vier Massen 402 bis 408 angewendet ist. Jedoch können andere Strukturen des Sensors in jeder geeigneten Weise bezüglich der beiden Symmetrieachsen der Schachbrettanordnung angeordnet sein.
6 ist eine beispielhafte Anwendung eines mechanischen Verbindungselementsystems bei der Schachbrettanordnung in 4, um Auslenkungen zu reduzieren, die durch Störungen des Umfelds verursacht sind, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Das System 600 weist zwei rechtwinklige Symmetrieachsen auf, wie leicht zu sehen. Das System 600 umfasst im Wesentlichen gleiche Massen 402 bis 408, die jeweils oberhalb der Elektroden 150 bis 156 aufgehängt und miteinander mit den Drehverbindungselementen 610 bis 616 gekoppelt sind. Auf ähnliche Weise wie in 4A und 4B sind die Massen 402 bis 408 beweglich in einem Grundrahmen angeordnet und oberhalb ihrer jeweiligen Elektroden 150 bis 156 als zwei im Gleichgewicht befindliche differentielle Paare in einer Zwei-Mal-Zwei-Anordnung mit zwei rechtwinkligen Symmetrieachsen angeordnet. Beispiele primärer und sekundärer Betriebsbewegung für die Massen 402 bis 408 sind ähnlich hierzu bezüglich 4A und 4B angegeben.
In einer Ausführungsform ist jedes Drehverbindungselement 610 bis 616 ausgebildet durch das Kombinieren eines steifen und eines flexiblen Hauptteils, wie etwa einer Feder, und eines Ankerpunkts, der am Grundrahmen (nicht gezeigt) befestigt sein kann, der die Massen 402 bis 408 festhält. Durch Verwenden der Drehverbindungselemente 610 bis 616 ist die Masse 402 gezwungen, sich in Tandem mit der Masse 408 zu bewegen, und die Masse 404 ist gezwungen, sich in Tandem mit der Masse 406 zu bewegen. Als Ergebnis ist jede Gleichtaktbewegung, wie etwa die bezüglich 5A oder 5B beschriebene, mechanisch unterdrückt, während reguläre sekundäre Bewegung weiter zugelassen ist. Genauer wird durch ein Verhindern unter Verwendung von Drehverbindungselementen 610 bis 616, dass sich Massen, die ausgelegt sind, sich in derselben Richtung zu bewegen (z. B. die Massen 402 und 408), mit verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten bewegen, verhindert, dass sich z. B. durch Winkelbeschleunigung um die Rotationsgeschwindigkeitsachse verursachte Kräfte und andere unerwünschte Störungen sowohl zu erwünschten Corioliskräften vektoriell addieren als auch somit das Ausgangssignal verderben. Weiter verhindert zusätzlich zu der oben mit Bezug auf 4A bis 5B beschriebenen elektrischen Unterdrückung diese mechanische Beschränkung, dass die Massen die Anschlagstrukturen berühren, und trägt dadurch dazu bei zu verhindern, dass die primäre Bewegung neu gestartet werden muss.
In einer Ausführungsform ist ein ähnlicher Satz Drehverbindungselemente verwendet, um wirksam unerwünschte Bewegungen zu hemmen, die sich aus der Bewegung in der primären Richtung ergeben. Die Richtung der primären Bewegung ist in 7 schematisch erfasst. In einer weiteren Ausführungsform sind Drehverbindungselemente verwendet, um unerwünschte Bewegungen sowohl in der primären als auch in der sekundären Richtung wirksam zu hemmen.
8A und 8B stellen Beispiele primärer Drehverbindungselementsysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Im beispielhaften System 800, 850 sind die Massen 402 bis 408 an feststehenden mechanischen Gelenken 814 über flexible mechanische Gelenke 820 angebracht. Jedes feststehende mechanische Gelenk 814 ist mit einem flexiblen mechanischen Gelenk 820 über einen starren Arm 830 gekoppelt. Es ist anzumerken, dass jede andere mögliche Anordnung von Massen und Drehverbindungselementsystem gemäß den Zielen der vorliegenden Erfindung verwendet sein kann. Es ist auch anzumerken, dass, obwohl die obige Beschreibung primär auf ein Verbessern der Stoßfestigkeit von „Nickgeschwindigkeits”-Sensoren mit einer Rotationsgeschwindigkeitsachse in der Ebene und einer sekundären Bewegung außerhalb der Ebene ausgerichtet ist, dies nicht als Einschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung beabsichtigt ist, da die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen beispielsweise auf „Giergeschwindigkeits”-Sensoren anwendbar sind, die eine Rotationsgeschwindigkeitsachse außerhalb der Ebene und eine sekundäre Bewegung in der Ebene aufweisen.
In einer Ausführungsform verläuft in einer Ausführung eines Giergeschwindigkeitssensors die sekundäre Bewegung derart, dass sich die Prüfmassen 402 bis 408 in derselben Richtung entlang der sekundären Achse 102 bewegen, die in der Ebene und rechtwinklig zur primären Achse 101 und zur Rotationsgeschwindigkeitsachse 103 liegt, wie in 9 gezeigt. In diesem Beispiel liegt die Bewegungsebene parallel zur Ebene des Substrats, auf das das MEMS-Gyroskop gesetzt ist. Das Gyroskop ist empfindlich für Drehung um die Achse, die aus der Zeichnungsebene ragt, d. h. bildet ein Z-Gyroskop.
In einer Ausführungsform verläuft in einer Ausführung eines „Nickgeschwindigkeitssensors” die sekundäre Bewegung derart, dass sich die Prüfmassen 402 bis 408 in derselben Richtung entlang der sekundären Achse 103 bewegen, die senkrecht zur Ebene des Substrats liegt, wie in 10 gezeigt, d. h. das Gyroskop ist empfindlich für Drehung um die Rotationsgeschwindigkeitsachse 102, die eine Achse in der Ebene rechtwinklig zur primären Achse 101 ist. In beiden Fällen bewegt sich jede der Prüfmassen phasengleich mit der diametral gegenüberliegenden und gegenphasig bezüglich der übrigen beiden Massen. Mit anderen Worten, zu jedem gegebenen Zeitpunkt weist die Geschwindigkeit der Masse 402 dieselbe Geschwindigkeitsausrichtung auf wie die Masse 408, während die Geschwindigkeit der Masse 404 und der Masse 406 die entgegengesetzte Ausrichtung aufweist.
11A und 11B stellen Strukturen dar, die ein sekundäres Drehverbindungselementsystem umfassen, das eine sekundäre Bewegung von Prüfmassen in einem Giergeschwindigkeitssensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung einschränkt. Auf ähnliche Weise wie in 8 sind Verbindungselemente ausgebildet durch feststehende mechanische Gelenke 814, gekoppelt mit flexiblen Bauteilen, wie etwa flexiblen mechanischen Gelenken 820, einen festen Hauptteil (einen Arm 830) und einen an einem Grundrahmen, der in 11A bis 11B nicht gezeigt ist, befestigten Ankerpunkt. Im Betrieb lässt das System 1100, 1150 eine primäre Bewegung in der Antriebsrichtung sowie sekundäre Bewegung entlang der sekundären Achse zu, während es praktisch alle falschen Bewegungen entlang der sekundären Achse unterdrückt, sodass nur die Corioliskraft wirksam ist. Ein Fachmann wird verstehen, dass jede andere Anordnung von Massen, Verbindungselementen usw. sowie zusätzlichen Verankerungen, Rahmen, Entkopplungsstrukturen usw. möglich ist, um die Prinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung zu erreichen.
In einer Ausführungsform ist, um eine vollständige mechanische Unterdrückung zu erreichen, die Auslenkung der Massen 402 bis 408 entlang der Rotationsgeschwindigkeitsachse 103 durch eins aus primären Verbindungselementen, sekundären Verbindungselementen, einer Kombination von primären und sekundären Verbindungselementen oder durch zusätzliche mechanische Beschränkungen gehemmt. In einer Ausführungsform wirken mehrere mechanische Bauteile sowohl als primäres als auch als sekundäres Verbindungselement. Es versteht sich, dass das primäre und das sekundäre Verbindungselementsystem unabhängig voneinander sein können.
Beispiele von Drehverbindungselementen, die für eine Ausführung eines Giergeschwindigkeitssensors sowie eine Ausführung eines Nickgeschwindigkeitssensors die primäre und die sekundäre Bewegung einschränken, während sie die falschen Bewegungen hemmen, sind in 11C bis 11D gezeigt. 11E stellt einen beispielhaften Giergeschwindigkeitssensor dar, umfassend das primäre Verbindungselementsystem von 8B und das sekundäre Verbindungselementsystem von 11B. 11D stellt den Sensor von 11C während der primären Bewegung dar, während 11E denselben Sensor während der sekundären Bewegung darstellt. Ähnlich stellt 11F einen beispielhaften Nickgeschwindigkeitssensor dar, umfassend das primäre Verbindungselementsystem von 8A und das sekundäre Verbindungselementsystem von 12B. 11G stellt den Sensor von 11F während der primären Bewegung dar, während 11H denselben Sensor während der sekundären Bewegung darstellt.
12A und 12B stellen Strukturen dar, die ein sekundäres Drehverbindungselementsystem zum Beschränken einer sekundären Bewegung von Prüfmassen in einem Nickgeschwindigkeitssensor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfasst. Die Vorrichtungen 1200, 1250 umfassen die Prüfmassen 402 bis 408, die miteinander über ein Verbindungselementsystem verbunden sind, das Rahmen 1230, 1232, Torsionsfedern 1220, 1222 und Anker 1210 umfasst. Der Anker 1210 ist typischerweise am Substrat befestigt und mit dem Rahmen 1230, 1232 über eine Torsionsfeder 1220, 1222 verbunden. Die Torsionsfeder 1220, 1222 ermöglicht, dass sich der Rahmen 1230, 1232, der drehbar zwischen benachbarten Massen 402 bis 408 angeordnet ist, um die primäre bzw. die sekundäre Achse bewegt, indem er um den Anker 1210 schwenkt. Der Rahmen 1230, 1232 ist am Anker 1210 mit der Torsionsfeder 1220, 1222 aufgehängt und mit den Massen 402 bis 408 über ein jeweiliges Verbindungselement 1240 verbunden.
Im Betrieb schränkt die Vorrichtung 1200, 1250 zusätzlich zu Schwingbewegungen bei derselben Antriebsfrequenz die Auslenkung der Prüfmassen 402 bis 408 in der Messrichtung ein, d. h. senkrecht zur Ebene des Substrats (nicht gezeigt). Die Massen 402 und 408 sind darauf beschränkt, sich entlang dieser Achse zu bewegen, in einer entgegengesetzten Richtung bezüglich der Bewegung der Massen 404 und 406. Daher sind Messbewegungen aufgrund von durch eine Winkelgeschwindigkeit um die Rotationsgeschwindigkeitsachse erzeugten Corioliskräften ermöglicht, während verhindert ist, dass die durch unerwünschte mechanische Störungen verursachten Bewegungen auf die Massen 402 bis 408 wirken und die elektrischen Ausgangssignale stören. Ein Einschränken von Bewegungen auf diese Weise ermöglicht Unterdrückung falscher Bewegungen, die sich aus Stoßbedingungen ergeben. Wenn beispielsweise die Vorrichtung 1200 einer parasitären Belastung unterworfen ist, die die Massen 402, 406 mit derselben Ausrichtung zu ihren jeweiligen Elektroden (nicht gezeigt) hin bewegen würde, verhindert der Rahmen 1230 diese Art von Auslenkung als nicht verträglich mit der entsprechenden Torsionsfeder 1220.
13 stellt eine beispielhafte Anordnung für die Messelektroden in einer Ausführung eines Nickgeschwindigkeitssensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Anordnung der Messelektroden 1350 bis 1356 im System 1300 kann abhängig von der speziellen Ausführung variieren. In einer Ausführungsform sind die Messelektroden 1350 bis 1356, um elektrische Unterdrückung zu erreichen, so gestaltet, dass sie die Erfassung von Auslenkung der vier Hauptmassen (durch gestrichelte Linien angegeben) in der sekundären Richtung ermöglichen. Bezüglich mindestens einer der Symmetrieachsen der Hauptmassen ist das System 1300 in einer antisymmetrischen Anordnung so verbunden, dass die Elektroden 1350 und 1356 elektrisch miteinander gekoppelt sind und die Elektroden 1352 und 1354 elektrisch miteinander gekoppelt sind. In diesem Beispiel liegen die Elektroden 1350 bis 1356 auf einer anderen Ebene bezüglich der beweglichen Massen.
Im Beispiel in 14, der Ausführung eines „Giergeschwindigkeitssensors”, sind die Elektroden 1402 als statische Strukturen konstruiert, die in dieselbe Ebene gebaut sind wie die beweglichen Massen 402 bis 408. 14 zeigt eine beispielhafte Anordnung für Messelektroden für eine Ausführung eines Giergeschwindigkeitssensors. Es ist anzumerken, dass, wie bei den bezüglich 4A bis 5B beschriebenen Ausführungsformen, die in 6 bis 14 vorgestellten Konzepte nach Bedarf verdoppelt oder verdreifacht werden können, um mehrachsige Sensoren, wie etwa Gyroskope, zu schaffen, die für Bewegung um alle Achsen empfindlich sind. Außerdem ist angedacht, dass eine beliebige Anzahl und Kombination von Massen verwendet werden kann, um beispielsweise alle Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung von 402 bis 408 zu kompensieren.
15 ist ein Flussdiagramm eines erläuternden Ablaufs zum Ermöglichen von Stoßfestigkeit in Rotationsgeschwindigkeitssensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. In einer Ausführungsform ist in Schritt 1502 die Stoßfestigkeit ermöglicht durch ein Versetzen von Prüfmassen (z. B. benachbarten Prüfmassen) in eine gegenphasige Schwingbewegung in einer ersten Ebene, beispielsweise entlang einer Gyroskop-Antriebsachse.
In Schritt 1504 wird mindestens eine der Prüfmassen in einer gleichphasigen Schwingbewegung mit einer weiteren (z. B. diametral gegenüberliegenden) Prüfmasse betrieben, die sich in einer Ebene parallel zur Antriebsachse befindet, sodass sich die beiden Massen gleichphasig und mit derselben Rotationsgeschwindigkeit bewegen. Zusammen mit der gegenphasigen Bewegung der benachbarten Prüfmassen unterdrückt dies eine Gleichtaktbewegung zwischen Massen, die sich in rechtwinklig zur Antriebsachse stehenden Ebenen befinden.
In Schritt 1506 wird ein erfasstes Messsignal von einer Vielzahl von Messelektroden empfangen.
Schließlich wird in Schritt 1508 eine Winkelgeschwindigkeit in einer Messrichtung bestimmt, ohne Störung aus Auslenkung von Elementen, die durch auf das Gyroskop treffende Stoßbewegungen verursacht sind, was sonst fälschlich eine Drehbeschleunigung anzeigen würde.
Fachleute werden einsehen, dass weniger oder zusätzliche Schritte zu den hier dargestellten Schritten eingefügt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Keine besondere Reihenfolge ist hier durch die Anordnung von Blöcken im Flussdiagramm oder der Beschreibung unterstellt.
Es ist weiter einzusehen, dass die vorstehenden Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft sind und zu Zwecken der Deutlichkeit und des Verständnisses und nicht zum Einschränken des Umfangs der vorliegenden Erfindung dienen. Es ist beabsichtigt, dass alle Permutationen, Ergänzungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen daran, die Fachleuten beim Lesen der Beschreibung und Studium der Zeichnung erkennbar sind, im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Ansprüche alle solche Abwandlungen, Permutationen und Äquivalente umfassen, die in den wahren Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Stoßfester Drehgeschwindigkeitssensor, umfassend: eine erste und eine zweite Masse, symmetrisch bezüglich einer ersten Symmetrieachse angeordnet; und eine dritte und eine vierte Masse, symmetrisch bezüglich der ersten Symmetrieachse angeordnet, wobei die erste bis vierte Masse so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit derselben Amplitude in einer primären Bewegung schwingen, wobei die erste Masse gleichphasig mit der vierten Masse und gegenphasig sowohl zur zweiten Masse als auch zur dritten Masse schwingt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste und die dritte Masse symmetrisch bezüglich einer zweiten Symmetrieachse angeordnet sind, die rechtwinklig zur ersten Symmetrieachse steht, sodass die erste und die vierte Masse einander diametral gegenüberstehen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Masse gegenphasig zu mindestens zwei benachbarten Massen schwingt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Symmetrieachse eine von zumindest einer Antriebsachse und einer Messachse ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein mehrachsiges Gyroskop ist, ausgestaltet, eine Drehgeschwindigkeit um mindestens zwei Messachsen zu messen.
Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Verbindungselementsystem, gekoppelt mit der ersten bis vierten Masse, wobei das Verbindungselementsystem Bewegungen der ersten bis vierten Masse auf die primäre Bewegung und eine sekundäre Bewegung einschränkt, wobei die sekundäre Bewegung rechtwinklig zur primären Bewegung steht.
Sensor nach Anspruch 6, wobei das Verbindungselementsystem eine Vielzahl mechanischer Verbindungselemente umfasst, die die erste bis vierte Masse miteinander verbinden.
Sensor nach Anspruch 6, wobei das Verbindungselementsystem symmetrisch bezüglich der ersten und der zweiten Symmetrieachse ist.
Sensor nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Rahmen, der mit einer Torsionsfeder aufgehängt ist und drehbar zwischen benachbarten Massen angeordnet ist, wobei der Rahmen ausgestaltet ist, um eine Achse der Torsionsfeder zu schwenken, um zuzulassen, dass sich die benachbarten Massen in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
Sensor nach Anspruch 6, weiter umfassend ein Drehverbindungselement, angeordnet in einer mit der ersten bis vierten Masse gemeinsamen Ebene, wobei das Drehverbindungselement mit Biegebalkenfedern aufgehängt ist, die ausgestaltet sind, sich um einen feststehenden Mittelpunkt zu drehen, der sich in der Ebene befindet.
Sensor nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen ersten und einen zweiten Satz von Elektroden, wobei die Elektroden des ersten Satzes ausgestaltet sind, Auslenkungen der ersten und der vierten Masse in einer Richtung sekundärer Bewegung zu erfassen, und die Elektroden des zweiten Satzes ausgestaltet sind, Auslenkungen der zweiten und der dritten Masse in der Richtung sekundärer Bewegung zu erfassen, und wobei die Elektroden des ersten Satzes miteinander gekoppelt sind, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, und die Elektroden des zweiten Satzes miteinander gekoppelt sind, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, sodass ein differentielles elektrisches Signal, das repräsentativ für eine Corioliskraft ist, durch Verarbeiten des ersten und des zweiten elektrischen Ausgangssignals zu erhalten ist.
Sensor nach Anspruch 11, wobei sich der erste und der zweite Satz von Elektroden auf anderen Ebenen als die erste bis vierte Masse befinden.
Stoßfester Drehgeschwindigkeitssensor, umfassend: eine erste und eine zweite Masse, symmetrisch bezüglich einer ersten Symmetrieachse angeordnet; eine dritte und eine vierte Masse, symmetrisch bezüglich der ersten Symmetrieachse angeordnet, wobei die erste bis vierte Masse so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen mit derselben Amplitude in einer primären Bewegung schwingen, wobei die erste Masse gleichphasig mit der vierten Masse und gegenphasig zur zweiten Masse und zur dritten Masse schwingt; und einen ersten und einen zweiten Satz von Elektroden, wobei die Elektroden des ersten Satzes ausgestaltet sind, Auslenkungen der ersten und der vierten Masse in einer Richtung sekundärer Bewegung zu erfassen, und die Elektroden des zweiten Satzes ausgestaltet sind, Auslenkungen der zweiten und der dritten Masse in der Richtung sekundärer Bewegung zu erfassen, und wobei die Elektroden des ersten Satzes miteinander gekoppelt sind, um ein erstes Ausgangssignal zu erzeugen, und die Elektroden des zweiten Satzes miteinander gekoppelt sind, um ein zweites Ausgangssignal zu erzeugen, sodass ein differentielles elektrisches Signal, das repräsentativ für eine Corioliskraft ist, durch Verarbeiten des ersten und des zweiten elektrischen Ausgangssignals zu erhalten ist.
Verfahren zum Ermöglichen von Stoßfestigkeit in Drehgeschwindigkeitssensoren, wobei das Verfahren umfasst: Versetzen einer ersten und einer zweiten Masse in eine Schwingbewegung in einer ersten Richtung; Versetzen einer dritten und einer vierten Masse in eine Schwingbewegung in der ersten Richtung; Schwingen der ersten Masse gleichphasig mit der vierten Masse; und Schwingen der ersten Masse gegenphasig zur zweiten Masse und zur dritten Masse.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die erste bis vierte Masse im Wesentlichen mit derselben Amplitude schwingen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Geschwindigkeit der ersten Masse dieselbe Ausrichtung aufweist wie die der vierten Masse und die entgegengesetzte Ausrichtung zur Geschwindigkeit der zweiten und der dritten Masse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend: Empfangen eines ersten Messsignals von einem ersten Paar von Messelektroden, das mit Auslenkungen der ersten und der vierten Masse verknüpft ist, Erzeugen eines ersten Ausgangssignals aus dem ersten Messsignal; Empfangen eines zweiten Messsignals von einem zweiten Paar von Messelektroden, das mit Auslenkungen der zweiten und der dritten Masse verknüpft ist, Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals aus dem zweiten Messsignal; und Erzeugen eines elektrischen Signals als Reaktion auf das erste und das zweite Ausgangssignal, wobei das elektrische Signal repräsentativ für eine Corioliskraft ist.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend das Anbringen eines Verbindungselementsystems an der ersten bis vierten Masse, um andere Bewegungen als eine primäre und eine sekundäre Bewegung im Wesentlichen zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Verbindungselementsystem eine Vielzahl mechanischer Verbindungselemente umfasst, ausgestaltet, die erste bis vierte Masse miteinander zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 14, weiter umfassend das Bestimmen einer Winkelgeschwindigkeit in einer Messrichtung.