DE102004014920A1

DE102004014920A1 - Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102004014920A1
Application number: DE102004014920A
Authority: DE
Inventors: Hajime Kariya Ito
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2024-03-27
Also published as: US20040187576A1; JP3812543B2; US7000471B2; JP2004294405A; DE102004014920B4

Abstract

Eine Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung enthält einen Schalter (S1) zum Auswählen eines ersten oder zweiten Ansteuerungssignals, die entgegengesetzte Phasen aufweisen und Ansteuerungselektroden (D1, D2) zugeführt werden, um einen Gewichtsteil in einer ersten Richtung in Schwingung zu versetzen. Eine Addierschaltung (29) stellt die Amplitude des ausgewählten Ansteuerungssignals ein und addiert sie zu einem Überwachungssignal, welches den Schwingungszustand des Gewichtsanteils wiedergibt. Eine in dem Ausgangssignal der Addierschaltung (29) erscheinende Rauschsignalkomponente wird auf ein Minimum eingestellt, und das Ausgangssignal wird als ein Rückführungssignal dem Eigenschwingkreis (27) zugeführt, um den Einfluß des Rauschsignals zu reduzieren.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung, welche Rauschsignale aus verzerrenden Sensormessungen wirksam reduziert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein elektrostatisch betriebener Winkelgeschwindigkeitssensor vom Typ einer Erfassung einer statischen Kapazität enthält herkömmlicherweise einen Gewichtsteil (oder einen Oszillator), der auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Der Gewichtsteil ist auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und ist in der Lage, in zueinander senkrechten ersten und zweiten Richtungen zu schwingen. Der Winkelgeschwindigkeitssensor enthält auch Ansteuerungselektroden zum Empfangen eines Ansteuerungssignals, um den Gewichtsteil periodisch in der ersten Richtung in Schwingung zu versetzen, Überwachungselektroden zum Überwachen von Änderungen einer statischen Kapazität auf der Grundlage der Schwingung des Gewichtsteils in der ersten Richtung, und Erfassungselektroden zum Erfassen von Änderungen einer statischen Kapazität, die sich aus einer Schwingung des Gewichtsteils in der zweiten Richtung ergeben. Die Änderungen der statischen Kapazität werden durch eine Coriolis-Kraft hervorgerufen, welche entsteht, wenn zusätzlich zu der Schwingung in der ersten Richtung ferner eine Winkelgeschwindigkeit um eine Achse senkrecht zu der ersten und der zweiten Richtung wirkt.

6 zeigt eine Draufsicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik, wie er in JP-A-2002-162228 (Patentdokument 1) und JP-A-2002-267450 (Patentdokument 2) offenbart ist. 7 zeigt eine Schnittansicht des Sensors entlang einer Linie VII-VII in 6. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 1 ist durch eine bekannte Halbleiterfertigungstechnologie unter Verwendung eines SOI-(Silicon on Insulator)-Substrats 5 einer durch Ausbilden eines Oxidfilms 3 auf der Oberfläche eines ersten Siliziumsubstrats 2 und Befestigen eines zweiten Siliziumsubstrats 4 auf diesem Oxidfilm 3 hergestellten Struktur hergestellt. Durch Schlitze 9, die in dem zweiten Siliziumsubstrat 4, welches eine Oberseite bildet, ausgebildet sind, sind verschiedene Teile ausgebildet. Oberhalb einer Öffnung 10, welche durch teilweises Entfernen des Oxidfilms 3 und des ersten Siliziumsubstrats 2, die das zweite Siliziumsubstrat 4 unterstützen, ausgebildet ist, ist ein Gewichtsteil 8 angeordnet.

Der Gewichtsteil 8 wird auf einem Grundteil 7, welcher den Gewichtsteil 8 umgibt, durch Ansteuerungsbalken 14a bis 14d, welche zu einer Federverformung in einer ersten Richtung (nachstehend die Richtung X genannt) fähig sind, und Erfassungsbalken 13a bis 13d, welche zu einer Federverformung in einer zweiten Richtung (nachstehend die Richtung Y genannt) in der Lage sind, unterstützt. Kammartige Elektrodenteile, die nachstehend diskutiert werden, sind dort ausgebildet, wo der Rand des Gewichtsteils 8 und der Grundteil 7 einander gegenüberstehen.

Das heißt, es sind Ansteuerungselektroden 15a, 15b zum Empfangen von Ansteuerungssignalen, Überwachungselektroden 20a bis 20d zum Überwachen einer angesteuerten Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung X und Überwachen dieser als Überwachungssignale, sowie Erfas sungselektroden 17a, 17b zum Erfassen einer Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung Y als Erfassungssignale, welche auftreten, wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω um eine zu den Richtungen X und Y senkrechte Achse Z wirkt, ausgebildet. Ebenso sind Anschlußflecken bzw. Lötaugen 23a, 23b, 19a, 19b und 22a bis 22d zum Drahtbonden jeweils auf den Elektroden 15a, 15b, 17a, 17b und 20a bis 20d ausgebildet.

Bei diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der in 6 gezeigt ist, schwingt der Gewichtsteil 8 dann, wenn die Ansteuerungselektroden 15a, 15b Ansteuerungssignale wie etwa beispielsweise sinusförmige Wellen empfangen, reaktiv in der Richtung X auf den Ansteuerungsbalken 14a bis 14d. Zu dieser Zeit ändern sich die statischen Kapazitäten zwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d und dem Gewichtsteil 8. Aus dieser Änderung werden die Amplitude und die Phase der Schwingung des Gewichtsteils 8 erfaßt. Die Ansteuerungssignale werden durch eine Steuerschaltung (nicht näher dargestellt) eingestellt.

Wenn zusätzlich zu der Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung X eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse Z wirkt, entsteht eine Coriolis-Kraft in dem Gewichtsteil 8 in der Richtung Y und schwingt der Gewichtsteil 8 in der Richtung Y auf den Erfassungsbalken 13a bis 13d. Als ein Ergebnis der Schwingung in der Richtung Y treten Änderungen in den statischen Kapazitäten zwischen den Erfassungselektroden 17a, 17b und dem Gewichtsteil 8 auf. Der Wert der aufgebrachten Winkelgeschwindigkeit ω wird durch Erfassen der Beträge dieser Änderungen erhalten.

Nun werden bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 der in 6 gezeigten Art die in dem zweiten Siliziumsubstrat 4 ausgebildeten Elektroden auf dem Oxidfilm 3 auf dem ersten Siliziumsubstrat 2 unterstützt, wie in 8 dargestellt. 8 ist eine schematische Schnittansicht, welche darstellt, wie die Elektroden unterstützt werden.

Demzufolge entsteht, wie es in 8 mit einer gestrichelten Linie gezeigt ist, eine Kopplung zwischen den Ansteuerungselektroden 15, 15b und den anderen Elektroden aufgrund einer parasitären Kapazität Cp10, die zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und dem ersten Siliziumsubstrat 2 ausgebildet ist, und einer parasitären Kapazität Cp20, die zwischen den Ansteuerungselektroden 20a bis 20d und dem ersten Siliziumsubstrat 2 sowie zwischen den Erfassungselektroden 17a, 17b und dem ersten Siliziumsubstrat 2 ausgebildet ist.

Wenn diese Art einer Kopplung vorliegt, werden Rauschsignale, die durch die Ansteuerungssignale verursacht werden, den durch die Überwachungselektroden 20a bis 20d erzeugten Überwachungssignalen und den durch die Erfassungselektroden 17a, 17b erzeugten Erfassungssignalen aufgeprägt bzw. auferlegt. Da diese Rauschsignale im Vergleich mit den Überwachungssignalen und den Erfassungssignalen sehr groß sind, tritt das Problem auf, daß es nicht möglich ist, die Überwachungsssignale und Erfassungssignale, welche durch die tatsächliche Schwingung des Gewichtsteils 8 erzeugt werden, akkurat zu erfassen.

Als ein Verfahren zum Reduzieren des Einflusses eines solchen Rauschens der Ansteuerungssignale sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Als eines von diesen ist in Patentdokument 1 ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei welchem, wie in 6 gezeigt, Blindelektroden 34a–34d in dem zweiten Siliziumsubstrat 4 zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b ausgebildet sind und in welchen statische Kapazitäten ausgebildet sind, welche die gleichen wie die zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und den Überwachungselektroden 20a bis 20d und den Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildeten parasitären Kapazitäten sind. Rauschsignale aus den Ansteuerungssignalen, welche in die Überwachungsssignale und die Erfassungssignale eintreten, werden durch Signale aus diesen Blindelektroden 34a bis 34d ausgelöscht.

Ein anderes Verfahren ist in Patentdokument 2 vorgeschlagen worden, welches auch in 6 gezeigt ist, in welchem gegenphasige Signalelektroden 35a bis 35d zum Empfangen von Signalen, welche Phasen aufweisen, die denen der Ansteuerungssignale entgegengesetzt sind, zusätzlich in dem zweiten Siliziumsubstrat 4 in der Nähe der Ansteuerungselektroden 15a, 15b ausgebildet sind. Rauschsignale, welche in die Überwachungsssignale und die Erfassungssignale eintreten, werden durch Signale aus diesen gegenphasigen Signalelektroden 35a bis 35d ausgelöscht.

In JP-A-2002-188924 (Patentdokument 3) ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, wobei, um ein durch Induktion, welche von Verbindungen nahe den Elektroden herrührt, verursachtes Rauschen zu verhindern, elektrisch abschirmende Verbindungen zwischen den Verbindungen zu den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und den Verbindungen zu den Überwachungselektroden 20a bis 20d und den Erfassungselektroden 17a, 17b hinzugefügt sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Obwohl die vorstehend beschriebenen Verfahren eine gewisse Reduktion in der von den Rauschsignalen herrührenden Störung bereitstellen, stellen sie keine vollständige Lösung bereit. So ist es insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Erhöhung der Genauigkeit einer Erfassung einer Winkelgeschwindigkeit Rauschsignale, welche in die Überwachungselektroden eindringen bzw. eintreten, auszulöschen und dadurch sicher zu reduzieren. Der Grund für die Konzentration auf die in die Überwachungselektroden eintretenden Rauschsignale liegt darin, daß eine Sicherstellung der Genauigkeit der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit erfordert, daß der Gewichtsteil stabil mit einer konstanten Amplitude bei seiner Resonanzfrequenz schwingt. Selbst wenn die Rauschsignale, welche die Erfassungselektroden beeinträchtigen, reduziert werden, kann, falls die Schwingung des Gewichtsteils aufgrund der die Überwachungsssignale beeinträchtigenden Rauschsignale instabil ist, keine hohe Erfassungsgenauigkeit erzielt werden.

Ferner gibt es dann, wenn die Amplitude des Rauschsignals im Vergleich mit den wahren Überwachungssignalen, d.h. den durch die Schwingung des Gewichtsteil in der Richtung X erzeugten Signalen, groß ist, ein verheerendes Risiko, daß die Eigenresonanz nicht auftritt und die Vorrichtung daher nicht als ein Winkelgeschwindigkeitssensor funktioniert.

Eine Sensorvorrichtung gemäß einem ersten Gesichtspunkt enthält einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der auf einem Oxidfilm auf einer ersten Halbleiterschicht befestigt ist, eine zweite Halbleiterschicht, in welcher ein Gewichtsteil zum Schwingen in einer ersten Richtung (Richtung X) und einer zu dieser ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (Richtung Y) ausgebildet ist, ein Paar von Erfassungselektroden zum Anlegen von Ansteuerungsspannungen, um den Gewichtsteil in der ersten Richtung in Schwingung zu versetzen, ein Paar von Überwachungselektroden zum Überwachen der Schwingung des Ge wichtsteils in der ersten Richtung und Erfassungselektroden zum Erfassen einer Schwingung des Gewichtsteil in der zweiten Richtung, welche dann auftritt, wenn zusätzlich zu der Schwingung in der ersten Richtung eine Winkelgeschwindigkeit um eine zu der ersten und der zweiten Richtung senkrechten Achse (Achse Z) wirkt. Die Sensorvorrichtung enthält auch einen Eigenschwingkreis zum Erzeugen von ersten und zweiten Ansteuerungsspannungen, die zueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen, um an das Paar der Ansteuerungselektroden angelegt zu werden, ein Paar von C/V-Wandlerschaltungen, um Kondensatoren, die durch die Überwachungselektroden und den Gewichtsteil ausgebildet sind, eine vorbestimmte Gleichspannung aufzuerlegen, um Ströme, welche demzufolge fließen, zu erfassen und Spannungen proportional zu den statischen Kapazitäten der Kondensatoren zu erzeugen, und eine Differentialverstärkerschaltung zum Erhalten der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der C/V-Wandlerschaltungen und Anlegen dieser an den Eigenschwingkreis als eine Rückführungsspannung Vf.

Die Sensorvorrichtung enthält auch einen Schalter, um entweder das erste oder das zweite Ansteuerungssignal auszuwählen, und eine Addierschaltung, um die Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungsssignales einzustellen und sie der durch die Differentialverstärkerschaltung ausgegebenen Spannungsdifferenz hinzuzuaddieren. Ein Ausgangssignal der Addierschaltung wird dem Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal zugeführt.

Wenn die Kippauswahl des Schalters und die Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Aussteuerungssignals durch ein Einstellverfahren gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung, der nachstehend dargelegt ist, eingestellt werden, kann der Einfluß der Rauschsignale, die aus den Ansteuerungselektroden in die Überwachungselek troden eindringen, auf einem Minimum gehalten werden und kann bewirkt werden, daß der Gewichtsteil stabil in der ersten Richtung schwingt.

Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung stellt ein Einstellverfahren einer Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung zum Einstellen der Auswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals mit dem Schalter und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten und in die Addierschaltung eingegebenen Ansteuerungssignals in einer Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung bereit. Das Verfahren enthält ein Eingeben des Ausgangssignals der Addierschaltung als ein Meßsignal und eines des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals als ein Bezugssignal in einen Lock-in-Verstärker, ein Zuführen eines Wechselstromsignals einer Frequenz abseits der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils an die Ansteuerungselektroden mittels eines den Eigenschwingkreis vertretenden Signalgenerators, und in diesem Zustand ein Einstellen der Auswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals mit dem Schalter und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignals und Eingeben desselben in die Addierschaltung, so daß der Absolutwert der ausgegebenen Gleichspannung des Lock-in-Verstärkers minimiert wird, und danach ein Entfernen des Signalgenerators und des Lock-in-Verstärkers und Anlegen der Ausgangsspannung der Addierschaltung an den Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal, und ein Beginnen einer Messung der Winkelgeschwindigkeit.

Falls eine Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung durch dieses Einstellverfahren eingestellt wird, kann der Einfluß von Rauschsignalen, welche aus den Ansteuerungselektroden in die Überwachungselektroden eintreten, auf einem Minimum gehalten werden, und kann be wirkt werden, daß der Gewichtsteil stabil in der ersten Richtung schwingt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erstellt wurde, ersichtlicher werden. In den Zeichnungen:
ist 1 ein Schaltbild einer Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
ist 2 eine Draufsicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
ist 3 ein Schaltbild einer C/V-Wandlerschaltung;
ist 4 ein Schaltbild einer C/V-Wandlerschaltung einschließlich der Wirkungen von Rauschsignalen;
ist 5 ein Schaltbild der Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, in welcher eine Einstellung unter Verwendung eines Signalgenerators ausgeführt wird;
ist 6 eine Draufsicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik;
ist 7 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII von 2 und 6; und
ist 8 eine schematische Ansicht, welche unterhalb von Elektroden aufgebaute Kondensatoren darstellt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine elektrostatisch betriebene Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung vom Typ einer Erfassung einer statischen Kapazität gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf 1–5 und 7 beschrieben werden. Die Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung umfaßt einen elektrostatisch betriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor vom Typ einer Erfassung einer statischen Kapazität (Winkelgeschwindigkeitssensor) und Steuerschaltungen wie etwa eine Sensoransteuerungsschaltung und eine Signalverarbeitungsschaltung. 2 ist eine Draufsicht eines Beispiels dieses Winkelgeschwindigkeitssensors, und 7 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII in 2.
Mit Bezug auf 7 ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 1 unter Verwendung eines SOI-Substrats 5, welches aus einem Oxidfilm 3 auf der Oberfläche eines ersten Siliziumsubstrats 2 und einem an dem Oxidfilm 3 befestigten zweiten Siliziumsubstrat 4 besteht, ausgebildet. Das SOI-Substrat 5 ist mittels eines Klebstoffs oder dergleichen an einem Schaltungschip 6 befestigt, auf welchem Steuerschaltungen wie etwa eine Ansteuerungsschaltung und eine Signalverarbeitungsschaltung ausgebildet sind.
Das zweite Siliziumsubstrat 4 ist durch Schlitze 9, welche durch Ätzen ausgebildet sind, in einen randseitigen rahmenartigen Grundteil 7 und einen innerhalb des Grundteils 7 angeordneten Gewichtsteil 8 unterteilt. Die zwei Abschnitte sind jedoch nicht getrennt, sondern sind durch Balkenteile verbunden, wie nachstehend diskutiert. Hierbei sind der Oxidfilm 3 und das erste Siliziumsubstrat 2, welche unterhalb des inneren Gewichtsteils 8 gelegen sind, entfernt, um eine Öffnung 10 auszubilden.
Der äußere Grundteil 7 wird durch den Oxidfilm 3 auf dem ersten Siliziumsubstrat 2 an dem Kantenteil dieser Öffnung 10 unterstützt.
Der Gewichtsteil 8 ist in einen im wesentlichen rechteckigen ersten beweglichen Teil 11, der in der Mitte des zweiten Siliziumsubstrats 4 angeordnet ist, und säulenförmige zweite bewegliche Teile 12a, 12b, die auf beiden Seiten des ersten beweglichen Teils 11 in einer Richtung X (erste Richtung) vorgesehen sind, unterteilt. Mit Bezug auf 2 ist in dem Gewichtsteil 8 der erste bewegliche Teil 11 durch Erfassungsbalken 13a bis 13d mit den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b verbunden und sind die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b durch Ansteuerungsbalken 14a bis 14d, welche jeweils eine näherungsweise U-Form ausbilden, mit dem Grundteil 7 verbunden.
Hierbei sind die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d im wesentlichen nur in der Richtung X frei und kann auf diesen Ansteuerungsbalken 14a bis 14d der gesamte Grundteil in der Richtung X schwingen. Die Erfassungsbalken 13a bis 13d sind im wesentlichen nur in einer Richtung Y (zweite Richtung) frei, und auf diesen Erfassungsbalken 13a bis 13d kann der erste bewegliche Teil 11 des Gewichtsteils 8 in der Richtung Y schwingen.
Kammartige Ansteuerungselektroden 15a, 15b, welche auf dem Kantenteil der Öffnung 10 unterstützt sind, sind in dem zweiten Siliziumsubstrat 4 an den in Richtung X äußeren Seiten der zweiten beweglichen Teile 12a, 12b ausgebildet. Die kammartigen Ansteuerungselektroden 15a, 15b sind so angeordnet, daß sie Kammteilen (Ansteuerungs-Kammteilen) 16a und 16b, die von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aus hervorragen, so gegenüberstehen, daß die jeweiligen Kämme ineinandergreifen. Ansteuerungssi gnale zum Bewirken einer Schwingung des gesamten Gewichtsteils 8 in der Richtung X werden, wie nachstehend weiter diskutiert werden wird, den Ansteuerungselektroden 15a, 15b zugeführt. Auf den Ansteuerungselektroden 15a, 15b sind Anschlußflecken bzw. Lötaugen (Ansteuerungselektrodenanschlußflecken) 23a, 23b zur elektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichen mit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungen aufgebaut sind, aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet.
In dem zweiten Siliziumsubstrat 4 sind an den Enden in der Richtung Y des ersten beweglichen Teils 11 kammartige Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildet, welche auf dem Kantenteil der Öffnung 10 unterstützt werden. In Teilen des ersten beweglichen Teils 11 des Gewichtsteils 8, die den Erfassungselektroden 17a, 17b gegenüberstehen, sind hervorstehende Kammteile (Erfassungs-Kammteile) 18a bis 18d ausgebildet. Die Erfassungs-Kammteile 18a bis 18d sind so angeordnet, daß sie den Erfassungselektroden 17a, 17b gegenüberstehen und mit diesen ineinandergreifen.
Wenn die Erfassungselektroden 17a, 17b und der Gewichtsteil 8 angesteuert werden, um in der Richtung der Achse X zu schwingen, und eine Winkelgeschwindigkeit ω um eine zu der Achse X und der Achse Y orthogonale Achse Z an den Winkelgeschwindigkeitssensor 1 angelegt wird, wirkt eine Coriolis-Kraft auf den ersten beweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 in der Richtung der Achse Y und entsteht eine Schwingung in Richtung Y in dem Gewichtsteil 8. Die Erfassungselektroden 17a, 17b sind Elektroden zur Erfassung dieser Schwingung in Richtung Y als Abweichungen bzw. Änderungen in den statischen Kapazitäten von Kondensatoren, die durch die Erfassungselektroden 17a, 17b und den ersten beweglichen Teil 11 ausgebildet sind. Lötaugen (Erfassungselektrodenanschlußflecken) 19a und 19b zur elektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichen mit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungen aufgebaut sind, sind aus Aluminium oder dergleichen auf den Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildet.
In dem zweiten Siliziumsubstrat 4 sind an den in Richtung X äußeren Seiten der zweiten beweglichen Teile 12 kammartige Überwachungselektroden 20a bis 20d ausgebildet, welche auf dem Kantenteil der Öffnung 10 unterstützt werden. Die Überwachungselektroden 20a bis 20d sind so angeordnet, daß sie Kammteilen (Überwachungs-Kammteilen) 24a bis 24d, welche von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aus hervorragen, gegenüberliegen, um mit diesen ineinanderzugreifen.
Diese Überwachungselektroden 20a bis 20d sind Elektroden zur Erfassung einer Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung X als Änderungen in den statischen Kapazitäten von Kondensatoren, die durch die Überwachungselektroden 20a bis 20d und die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b ausgebildet sind. Auf den Überwachungselektroden 20a bis 20d sind Lötaugen (Überwachungselektrodenanschlußflecken) 22a bis 22d zur elektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichen mit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungen aufgebaut sind, aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet.
Die Ansteuerungselektroden 15a, 15b, die Erfassungselektroden 17a, 17b, die Überwachungselektroden 20a bis 20d und der Gewichtsteil 8, die vorstehend beschrieben wurden, sind alle durch Schlitze 9 getrennt und sind elektrisch voneinander isoliert.
Bei diesem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 wird an den Ansteuerungselektroden 15a, 15b über die Ansteuerungselektrodenanschlußflecken 23a und 23b eine sich periodisch ändernde Ansteuerungsspannung (eine Wechselspannung einer Sinuswelle oder Rechteckwelle) erfaßt und werden zwischen den Ansteuerungs-Kammteilen 16a, 16b und den Ansteuerungselektroden 15a, 15b elektrostatische Kräfte reaktiv bzw. im Ansprechen hierauf erzeugt. Den Ansteuerungselektroden 15a, 15b werden Ansteuerungssignale zugeführt, deren Phasen einander entgegengesetzt sind. Wenn die elektrostatischen Kräfte entstehen, wirken die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d als Federn und schwingt der gesamte Gewichtsteil 8 in der Richtung X.
Wenn die Schwingung beginnt, ändern sich die statischen Kapazitäten zwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d und den Überwachungs-Kammteilen 24a–24d, und durch Erfassen dieser Änderung ist es möglich, die Schwingungsfrequenz, -amplitude und -phase des Gewichtsteils 8 zu überwachen. Ein durch diese Überwachung erhaltenes Signal wird als ein Rückführungssignal an einen nachstehend weiter diskutierten Eigenschwingkreis, welcher die Ansteuerungssignale erzeugt, eingegeben. Hierdurch wird die Schwingungsfrequenz des Eigenschwingkreises 27 automatisch auf die Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 reguliert und eine stabile Schwingung des Gewichtsteils 8 bewirkt.
Wenn dieser Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung X eine Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse Z hinzugefügt wird, wirkt auf den Gewichtsteil 8 eine Coriolis-Kraft in Richtung Y, welche der Schwingungsgeschwindigkeit in Richtung X proportional ist, und schwingt der erste bewegliche Teil 11 des Gewichtsteils 8 in der Richtung Y, wobei die Erfassungsbalken 13a bis 13d als Federn wirken. Wenn der erste bewegliche Teil 11 in der Richtung Y schwingt, ändern sich die statischen Kapazitäten zwischen den Erfassungselektroden 17a bis 17d und den Erfassungs-Kammteilen 18a bis 18d. Daher kann durch Erfassen dieser Änderungen in der statischen Kapazität mit der Erfassungsschaltung auf dem Schaltungschip 6 die Größe der hinzugefügten Winkelgeschwindigkeit ω erhalten werden.
Hierbei werden in dieser bevorzugten Ausführungsform eine neuartige Überwachungssignalverarbeitungsschaltung und ein Regelungsverfahren hiervon der nachstehend beschriebenen Art eingesetzt, und dieser Schaltungsaufbau und dieses Regelungsverfahren werden nachstehend mit Bezug auf 1 und 3–5 beschrieben. 1 zeigt die Ersatzschaltung der Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung, wenn der Gewichtsteil 8 von 1 in der Richtung X in Schwingung versetzt wird.
Die Bezugsziffer 25 in 1 bezeichnet eine elektrische Ersatzschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors 1. In dieser elektrischen Ersatzschaltung 25 sind nur Teile gezeigt, die sich auf die Schwingungsansteuerung des Gewichtsteils 8 in der Richtung X und die Überwachung dieser Schwingung beziehen, und sind Teile, die sich auf die Erfassung einer Schwingung in Richtung Y beziehen, weggelassen worden. Die anderen Schaltungsteile als die elektrische Ersatzschaltung 25 in 1 sind eine Steuerungsschaltungsanordnung des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und sind auf dem Schaltungschip 6 aufgebaut. Eine Erfassungsschaltung einer Schwingung in Richtung Y ist jedoch weggelassen worden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur eine Schwingungsüberwachungssignalverarbeitungsschaltung in Richtung X 26 und der Eigenschwingkreis 27 zum Erzeugen der Ansteuerungssignale, um den Gewichtsteil 8 in der Richtung X in Schwingung zu versetzen, gezeigt.
Zuerst wird nachstehend die elektrische Ersatzschaltung 25 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 erläutert. Ein Verbindungsknoten D1 (nachstehend: Ansteuerungselektrode D1) in der elektrischen Ersatzschaltung 25 ist der in 2 beschriebenen Ansteuerungselektrode 15a äquivalent, und ein Verbindungsknoten D2 (nachstehend: Ansteuerungselektrode D2) ist der Ansteuerungselektrode 15b äquivalent. Ein Verbindungsknoten M1 (nachstehend: Überwachungselektrode M1) ist den parallelgeschalteten Überwachungselektroden 20a, 20c äquivalent, und ein Verbindungsknoten M2 (nachstehend: Überwachungselektrode M2) ist den parallelgeschalteten Überwachungselektroden 20b, 20d äquivalent. Diese Parallelschaltungen sind auf dem Schaltungschip 6 hergestellt. Ein Verbindungsknoten N1 ist dem Gewichtsteil 8 äquivalent, und ein Verbindungsknoten N2 ist dem ersten Siliziumsubstrat 2 äquivalent.
Wie vorstehend erläutert, sind die Ansteuerungselektroden 15a, 15b und die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b, die durch die Erfassungsbalken 13a–13d mit dem ersten beweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 verbunden sind, durch die Schlitze 9 getrennt und elektrisch isoliert. Die kammartigen Ansteuerungselektroden 15a, 15b sind so angeordnet, daß sie den Kammteilen (Ansteuerungs-Kammteilen) 16a und 16b, die von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aus hervorragen, so gegenüberstehen, daß die jeweiligen Kämme ineinandergreifen. Demzufolge bilden die Ansteuerungselektroden 15a, 15b und die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b Kondensatoren aus, welche die Luft in den Schlitzen 9 als ihr Dielektrikum aufweisen.
Die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b sind durch die Erfassungsbalken 13a bis 13d mit dem ersten beweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 elektrisch verbunden. Sie sind auch durch die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d mit dem rahmenartigen Grundteil 7 elektrisch verbunden. Demgemäß liegen auch zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und dem Gewichtsteil 8 Kapazitäten vor. Die Bezugszeichen Cd1, Cd2 in der elektrischen Ersatzschaltung 25 bezeichnen diese Kapazitäten. Der Kondensator Cd1 repräsentiert die Kapazität zwischen der Ansteuerungselektrode 15a und dem Gewichtsteil 8, und der Kondensator Cd2 repräsentiert die Kapazität zwischen der Ansteuerungselektrode 15b und dem Gewichtsteil 8. Wie vorstehend erwähnt, repräsentiert der Verbindungsknoten N1 den Gewichtsteil 8.
Gleichermaßen liegen zwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d und dem Gewichtsteil 8 Kapazitäten vor. Das Bezugszeichen Cm1 in der elektrischen Ersatzschaltung 25 repräsentiert die Kapazität des Kondensators zwischen den Überwachungselektroden 20a, 20c und dem Gewichtsteil 8, die parallel geschaltet sind. Gleichermaßen repräsentiert Cm2 die Kapazität des Kondensators zwischen den Überwachungselektroden 20b, 20d und dem Gewichtsteil 8, die parallel geschaltet sind. Wenn der Gewichtsteil 8 in der Richtung X schwingt, ändern sich die Spalte in Richtung X der Schlitze 9, die die zwei Seiten trennen, und ändern sich die Werte der statischen Kapazitäten Cm1 und Cm2. Daher ist es durch Erfassen dieser Änderung möglich, den Schwingungszustand des Gewichtsteils 8 in der Richtung X festzustellen.
Des weiteren ist, wie vorstehend erwähnt, der Winkelgeschwindigkeitssensor 1 unter Verwendung eines SOI-Substrats 5 hergestellt, wobei ein Oxidfilm 3 zwischen dem ersten Siliziumsubstrat 2 und dem zweiten Siliziumsubstrat 4 angeordnet ist (siehe 7). Der Oxidfilm 3 ist ein Dielektrikum, und das erste und das zweite Siliziumsubstrat 2 und 4 sind Leiter. Daher bilden das erste Siliziumsubstrat 2 und die Elektroden, die durch Bearbei ten des zweiten Siliziumsubstrats 4 hergestellt sind, Parallelplattenkondensatoren aus, die den Oxidfilm 3 als ihr Dielektrikum aufweisen, wie in 8 gezeigt.
Die in der elektrischen Ersatzschaltung 25 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 von 1 gezeigten Kondensatoren Cp1 bis Cp4 repräsentieren diese Kondensatoren. Das heißt, Cp1 repräsentiert den durch die Ansteuerungselektrode D1 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator, Cp2 den durch die Ansteuerungselektrode D2 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator, Cp3 den durch die Überwachungselektrode M1 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator, und Cp4 den durch die Überwachungselektroden M2 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator. Der Verbindungsknoten N2 repräsentiert das erste Siliziumsubstrat 2, und das erste Siliziumsubstrat 2 ist von den anderen Teilen elektrisch isoliert.
Als nächstes wird die Ansteuerungsschaltung zum Ansteuern des Gewichtsteils 8 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 in der Richtung X beschrieben werden. Die Ansteuerungssignale sind Wechselspannungen einer Sinuswelle oder Rechteckwelle und werden in dem Eigenschwingkreis 27, der eine bekannte Schaltung ist, erzeugt. Zwei Ausgangsanschlüsse des Eigenschwingkreises 27 sind jeweils mit den Ansteuerungselektroden D1 und D2 verbunden. Hierbei werden die durch die Ansteuerungselektroden D1, D2 empfangenen Ansteuerungsspannungen als erste Ansteuerungsspannung Vd1 bzw. eine zweite Ansteuerungsspannung Vd2 bezeichnet werden. Das Potential des Verbindungsknotens N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht, wird als Vee bezeichnet werden. Um die Ansteuerungskräfte, die durch die Ansteuerungssignale erzeugt werden, zu verstärken, und zur C/V-Umwandlung, was nachstehend weiter diskutiert werden wird, wird der Wert von Vee auf einem bestimmten Gleichspannungspotential gehalten. Die Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2 sind Spannungen gleicher Amplitude mit dem Potential dieses Verbindungsknotens als dem Bezug, unterscheiden sich aber in der Phase um 180° Grad (d.h. ihre Phasen sind entgegengesetzt). Demgemäß werden an den Kondensatoren Cd1 und Cd2 Wechselspannungen entgegengesetzter Phase, aber gleicher Amplitude empfangen.
Wenn diese gegenphasigen Wechselspannungen über die Ansteuerungselektroden D1, D2 empfangen werden, entstehen zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und den Ansteuerungs-Kammteilen 16a, 16b elektrostatische Kräfte und schwingt der Gewichtsteil 8 in der Richtung X auf den Ansteuerungsbalken 14a bis 14d als Federn.
Wenn der Gewichtsteil 8 in der Richtung X schwingt, ändern sich auch die statischen Kapazitäten der Kondensatoren Cm1, Cm2 zwischen den Überwachungselektroden M1, M2 und dem Verbindungsknoten N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht. Diese Änderungen in den Kapazitäten Cm1, Cm2 weisen entgegengesetzte Phasen auf, d.h. sind zueinander um 180° versetzt.
Die Differenz in den statischen Kapazitäten der Kondensatoren Cm1 und Cm2 wird durch die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 in eine Spannung Vf umgewandelt, was nachstehend als nächstes beschrieben wird, und dem Eigenschwingkreis 27 zurückgeführt. Wenn der Eigenschwingkreis 27 diese Rückführungsspannung Vf empfängt, verschiebt er seine Phase um 90°, um die Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2 als Ausgänge zu erzeugen. Die erzeugten Spannungen werden an den Ansteuerungselektroden D1, D2 des Winkelgeschwindigkeitssensors empfangen. Die durch den Winkelgeschwindigkeitssensor, die Überwachungssignalerfassungsschaltung 26 und den Eigenschwingkreis 27 ausgebildete geschlossene Schleife verstärkt nur eine Resonanzfrequenzkomponente und schwingt selbsttätig bei der Resonanzfrequenz.
Der Grund dafür, daß der Gewichtsteil 8 durch Verwendung des Eigenschwingkreises 27 zur Erzeugung von an die Ansteuerungselektroden D1, D2 anzulegende Wechselspannungen bei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt wird, liegt darin, den Gewichtsteil 8 mit einer geringen Energie mit einer großen Amplitude in Schwingung zu versetzen. Um eine Winkelgeschwindigkeit durch Erfassen einer Schwingung in der Richtung Y zu erfassen, ist es erforderlich, daß die Amplitude dieser Schwingung in Richtung X konstant ist. Um dies sicherzustellen, wird die Amplitude der Rückführungsspannung Vf in dem Eigenschwingkreis 27 konstant gehalten, indem die Amplituden der Ansteuerungsspannungen in geeigneter Weise gesteuert werden.
Als nächstes wird die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 beschrieben werden. Die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 ist aus zwei C/V-(statische Kapazität/Spannung)-Wandlerschaltungen 31, 32, einer Differentialverstärkerschaltung Q1 und einer Rauschkorrekturschaltung 28 hergestellt.
Die C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 weisen Eingangsanschlüsse auf, die jeweils mit den Überwachungselektroden M1, M2 verbunden sind, und geben Spannungen aus, die den Werten der statischen Kapazitäten Cm1, Cm2 zwischen den Überwachungselektroden M1, M2 und dem Verbindungsknoten N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht, proportional sind. Deren Schaltungsaufbau kann beispielsweise so sein, wie es in 3 gezeigt ist. Diese Schaltung ist ein Schaltungsbeispiel, das als die C/V-Wandlerschaltung 31 der elektrischen Ersatzschaltung 25 verwendet wird.
Der nichtinvertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers Q3 ist mit der Überwachungselektrode M1 der elektrischen Ersatzschaltung 25 verbunden. Die Kapazität Cm1 ist zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (der Überwachungselektrode M1) und dem Verbindungsknoten N1 (dem Gewichtsteil 8) angeschlossen. Das Potential des Verbindungsknotens N1 ist das konstante Gleichspannungspotential Vee, das vorstehend erwähnt wurde.
Wenn die statische Kapazität des Kondensators Cm1 sich zeitlich ändert, ist die Ausgangsspannung Vcm1 wie folgt. Hierbei wird angenommen, daß der Wert des Widerstands R4 viel größer als die Impedanz des Kondensators Cf ist. Vcm1 = –(ΔCm1/Cf).Vee G1. (1)
Da sich die Werte von Cf und Vee zeitlich nicht ändern, ist die Ausgangsspannung Vcm1 proportional zu der Änderung ΔCm1 der Kapazität Cm1, und ihre Phase eilt ΔCm1 um 180° nach.
Wenn sich der Gewichtsteil 8 in der Richtung X in Resonanz befindet, eilt seine Verschiebung in Richtung X der Ansteuerungsspannung Vd1, die an der Ansteuerungselektrode D1 empfangen wird, um 90° in der Phase nach. Daher ändert sich der Wert der Kapazität Cd1 ebenfalls mit einer Phasenverzögerung um 90° hinter der Ansteuerungsspannung Vd1. Der Wert der Kapazität Cm1 ändert sich phasengleich mit der Kapaziät Cd1. Daher eilt aus der Beziehung von G1. (1) die Ausgangsspannung Vcm1 der C/V-Wandlerschaltung 31, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm1 ergibt, der Ansteuerungsspannung Vd1 um 270° nach. Das heißt, sie liegt in der Phase um 90° vor der Ansteuerungsspannung Vd1.
Gleichermaßen liegt die Ausgangsspannung Vcm2 der C/V-Wandlerschaltung 32, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm2 ergibt, in der Phase um 90° vor der Ansteuerungsspannung Vd2. Die Ansteuerungsspannung Vd2 liegt in der Phase um 180° hinter der Ansteuerungsspannung Vd1. Daher liegt die Ausgangsspannung Vcm2 der C/V-Wandlerschaltung 32, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm2 ergibt, in der Phase um 90° hinter der Ansteuerungsspannung Vd1 und ist der Ausgangsspannung Vcm1 der C/V-Wandlerschaltung 31 in der Phase entgegengesetzt.
Hierbei wird die Ausgangsspannung Vcm1 der C/V-Wandlerschaltung 31 in den nichtinvertierenden Eingangsanschluß der Differentialverstärkerschaltung Q1 eingegeben und wird die Ausgangsspannung Vcm2 der C/V-Wandlerschaltung 32 in den invertierenden Eingangsanschluß der Differentialverstärkerschaltung Q1 eingegeben. Daher sind an dem Ausgangsanschluß der Differentialverstärkerschaltung Q1 eine Änderung einer Ausgangsspannung Vm, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm1 ergibt, und eine Änderung in der Ausgangspannung Vm, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm2 ergibt, zueinander phasengleich und addieren sich. Die Ausgangsspannung Vm, die das Ergebnis dieser Addition bildet, eilt der Ansteuerungsspannung Vd1 in der Phase um 90° voraus.
Aus Vorstehendem kann gesehen werden, daß, wenn das Vorliegen der Kapazitäten Cp1 bis Cp4 nicht berücksichtigt wird, die Amplitude und Frequenz und der Phasenzustand des Gewichtsteils 8 mittels der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 festgestellt werden.
Da die Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 proportional zu der Differenz zwischen den Änderungen der statischen Kapazitäten der Kondensatoren Cm1 und Cm2 ist, scheint es so, als ob es keine Schwierigkeit bei der Erzeugung der Ansteuerungssignale Vd1 und Vd2 durch direktes Eingeben dieser Spannung in den Eigenschwingkreis 27 und Verwenden derselben als die Rückführungsspannung Vf zur Selbstanregung gäbe. Da die Werte der Kapazitäten Cp1 bis Cp4 jedoch nicht Null sind, entsteht ein Problem, welches nachstehend diskutiert werden wird.
Wenn die Werte der Kapazitäten Cp1 bis Cp4 nicht Null sind, treten die Ansteuerunqsspannungen Vd1, Vd2, die an den Ansteuerungselektroden D1, D2 empfangen werden, durch diese Kapazitäten in die Überwachungselektroden M1, M2 ein und werden den Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 der C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 Rauschsignale auferlegt.
Wenn beispielsweise die C/V-Wandlerschaltung 31 von 3 erneut gezeichnet wird, um ein Rauschen in die Überwachungselektrode M1 zu berücksichtigen, erhält sie eine Form, wie sie in 4 gezeigt ist. Aus der Ansteuerungselektrode D1 tritt unter der auferlegten Ansteuerungsspannung Vd1 ein Rauschstrom durch einen Weg, der durch die Kapazitäten Cp1, Cp2 verläuft, in die Überwachungselektrode M1 ein. In diesem Fall liegt die Rauschsignalkomponente in der Ausgangsspannung Vc1, die von der an der Ansteuerungselektrode D1 empfangenen Ansteuerungsspannung Vd1 herrührt, in der Phase um 180° hinter Vd1 zurück.
Gleichermaßen tritt ein Rauschstrom unter der der Ansteuerungselektrode D2 auferlegten Ansteuerungsspannung Vd2 in die Überwachungselektrode M2 ein. Die Rauschsignalkomponente in der Ausgangsspannung Vcm2, die von der Ansteuerungsspannung Vd2 herrührt, liegt in der Phase um 180° hinter Vd2. Da die Ansteuerungsspannungen Vd1 und Vd2 in der Phase um 180° getrennt sind, sind die Phasen der Rauschsignalkomponenten, die in den Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 der C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 enthalten sind, um 180° getrennt.
Falls die Phasen der in den Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 enthaltenen Rauschsignalkomponenten um 180° getrennt sind, erscheinen diese zwei Rauschsignalkomponenten in zueinander addierter Form in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1, da die Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 in der Differentialverstärkerschaltung Q1 eine Subtraktion durchlaufen. Die Phase dieser Rauschsignalkomponente ist um 180° von der Phase der der Ansteuerungselektrode D1 auferlegten Ansteuerungsspannung Vd1 entfernt.
Aus solchen Gründen ist die Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 in einem echten Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine Spannung, die aus einem wahren Überwachungssignal, welches von Schwankungen der statischen Kapazitäten der wahren Überwachungskondensatoren Cm1 und Cm2 herrührt, plus einem Rauschsignal aufgrund von Rauschströmen besteht.
In diesem Fall erscheint die aufgrund von Schwankungen der statischen Kapazitäten der Kondensatoren Cm1 und Cm2 in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 erscheinende Spannungskomponente (die wahre Überwachungssignalkomponente) in der Phase um 90° vor der Ansteuerungsspannung Vd1. Andererseits erscheint die aufgrund der Rauschsignalkomponenten in der Ausgangsspannung Vm erscheinende Spannungskomponente (Rauschsignalkomponente) um 180° bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 phasenverschoben. Diese Ausgangsspan nung Vm, die aus einem der Ansteuerungsspannung Vd1 90° vorauseilenden Signal und einem um 180° phasenverschobenen Signal besteht, weist die gleiche Frequenz wie das Ansteuerungssignal Vd1 auf, ihre Phasendifferenz bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 beträgt jedoch nicht 90°.
Wenn eine Ausgangsspannung Vm, die eine Signalkomponente enthält, deren Phase nicht mit jener der von der Schwingung des Gewichtsteils 8, welches das angesteuerte Objekt ist, und den dadurch hervorgerufenen Änderungen in den Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührenden wahren Überwachungssignalkomponente zusammenfällt, d. h., bezüglich der wahren Überwachungskomponente um 90° phasenverschoben ist, als die Rückführungsspannung Vf in den Eigenschwingkreis 27 eingegeben wird, ist es für den Eigenschwingkreis 27 schwierig, den Gewichtsteil 8 mit seiner Resonanzfrequenz in Schwingung zu versetzen. Demzufolge wird, da die Schwingungsfrequenz von der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 abweicht, die Schwingungsamplitude des Gewichtsteils 8 gering und wird die Amplitude der wahren Überwachungssignalkomponente klein. Wenn dies geschieht, fällt die Schwingungsausgangsspannung des Eigenschwingkreises 27 und wird die Schwingung instabil, und in einem schlimmsten Fall endet die Schwingung.
Um diese Art eines Problems zu lösen, ist in der bevorzugten Ausführungsform mit der Aufgabe, diese Rauschsignalkomponente in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 auszulöschen und zu beseitigen, eine Rauschkorrekturschaltung 28 neu hinzugefügt.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Rauschkorrekturschaltung 28 eine Inversionsaddierschaltung 29 und einen Schalter S1. Die Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 wird an den invertierenden Eingangs anschluß eines Operationsverstärkers Q2 der Addierschaltung 29 über einen Widerstand R1 angelegt. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers Q2 wird auf Masse gelegt. Zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers Q2 ist ein Widerstand R3 angeschlossen, und zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und einem gemeinsamen Anschluß C des Schalters S1 sind ein Kondensator C1 und ein veränderlicher Widerstand R2 angeschlossen. Der Kondensator C1 ist eine Vorrichtung zum Blockieren einer Gleichspannungskomponente einer Ansteuerungsspannung, und sein Kapazitätswert ist so ausgewählt, daß bei der Resonanzfrequenz die Impedanz des Kondensators C1 reichlich kleiner als der Widerstandswert des veränderlichen Widerstands R2 ist. Der Schalter S1 ist ein Schalter zum Auswählen eines von zwei Signalen, und durch diese Kippwahl wird entweder die Ansteuerungsspannung Vd1 oder Vd2 an den veränderlichen Widerstand R2 über den gemeinsamen Anschluß C und den Kondensator C1 angelegt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Q2 wird als die Rückführungsspannung Vf an den Eigenschwingkreis 27 angelegt.
Wie vorstehend erwähnt, ist die in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 enthaltene Rauschsignalkomponente der Ansteuerungsspannung Vd1 in der Phase entgegengesetzt. Daher liegt dann, wenn die Ansteuerungsspannung Vd1 an dem gemeinsamen Anschluß C des Schalters S1 empfangen wird, eine Möglichkeit vor, daß die Rauschsignalkomponente in der Addierschaltung 29 ausgelöscht wird. In Abhängigkeit von der Polarität der Verbindungen der Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2, welche die Spannungen des Eigenschwingkreises 27 sind, zu den Ansteuerungselektroden D1, D2 und der Weise, in welcher die C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 mit der Differentialverstärkerschaltung Q1 verbunden sind, ist es jedoch auch möglich, daß die in der Ausgangsspannung Vm enthaltene Rauschsignalkomponente mit der Ansteuerungsspannung Vd1 phasengleich sein wird. Aus diesem Grund ist der Schalter S1 vorgesehen, um zu ermöglichen, auszuwählen, welche Spannung der Addierschaltung 29 auferlegt wird, um das Rauschsignal auszulöschen.
Demgemäß wird eine der Ansteuerungsspannungen Vd1 oder Vd2 durch den Schalter S1 ausgewählt und wird die ausgewählte Spannung an den veränderlichen Widerstand R2 angelegt. Dann ist es durch Einstellen des Widerstandswerts des veränderlichen Widerstands R2 möglich, die in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 enthaltene Rauschkomponente auszulöschen.
Die Kippauswahl des Schalter S1 und die Einstellung des veränderlichen Widerstands R2 werden beispielsweise wie folgt ausgeführt. Wie vorstehend erläutert, befindet sich die Spannungskomponente in der Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1, die von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührt, bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 um 90° phasenverschoben. Diese Ausgangsspannung Vm wird durch den Operationsverstärker Q1 invertiert und erscheint an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers Q2 als die Rückführungsspannung Vf. Das heißt, die von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührende Spannungskomponente in der Rückführungsspannung Vf ist bezüglich den Ansteuerungsspannungen Vd1 und Vd2 um 90° phasenverschoben.
Daher ist es durch beispielsweise Verfolgen der Wellenformen sowohl der Ansteuerungsspannung Vd1 als auch der Rückführungsspannung Vf, welche die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 bildet, auf einem Oszilloskop und Ausführen der Kippauswahl des Schalters S1 und der Einstellung des veränderlichen Widerstands R2 so, daß die Wellenform der Rückführungsspannung Vf bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 um 90° phasenverschoben ist und ihre Amplitude maximal ist, möglich, das Rauschsignal auszulöschen. Ebenso kann durch Verwenden eines zweiphasigen Lock-in-Verstärkers mit der Ansteuerungsspannung Vd1 als ein Referenzsignal anstelle eines Oszilloskops und Ausführen der Kippauswahl des Schalters S1 und der Einstellung des veränderlichen Widerstands R2 so, daß die Rückführungsspannung Vf bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 um 90° phasenverschoben ist und ihre Amplitude maximal ist, das Rauschsignal genauer ausgelöscht werden.
Durch Vorsehen einer Rauschkorrekturschaltung 28, welche durch eine Addierschaltung 29 und einen Schalter S1 der in 1 gezeigten Art aufgebaut ist, und Durchführen der vorstehend beschriebenen Art einer Einstellung wie diese ist es möglich, das Rauschsignal auszulöschen. Des weiteren kann durch Anlegen einer Rückführungsspannung Vf mit dem in dieser Weise ausgelöschen Rauschsignal an den Eigenschwingkreis 27 die Eigenschwingung stabilisiert werden und demzufolge bewirkt werden, daß der Gewichtsteil 8 stabil bei der an seine Resonanzfrequenz angepaßten Frequenz und mit einer konstanten Amplitude schwingt.
Als nächstes wird nachstehend ein anderes Verfahren zur Einstellung des Schalters S1 und des veränderlichen Widerstands R2 in der Rauschkorrekturschaltung 28, die vorstehend erläutert wurde, beschrieben. Wenn die Amplitude des Rauschsignals größer als das wahre Überwachungssignal, d. h., das zusammen mit einer Schwingung des Gewichtsteils in der Richtung X erscheinende Signal, ist, weil die Eigenschwingung nicht auftritt, ist es nicht möglich, die Einstellung durch das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Das nachstehend beschriebene Verfahren ist ein Einstellverfahren, mit welchem es mög lich ist, ein Rausschsignal auch dann akurat auszulöschen, wenn die Amplitude des Rauschsignals so groß ist, daß die Eigenschwingung nicht auftritt.
Dieses Einstellverfahren wird nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben. 5 zeigt eine Schaltungskonstruktion für den Fall, daß die Einstellung ausgeführt wird. Anstelle des Eigenschwingkreises 27 ist ein Signalgenerator 34 mit den Ansteuerungselektroden D1, D2 verbunden und ist auch ein Lock-in-Verstärker 33 vorbereitet und gibt die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 als ein Meßsignal ein. Als ein Referenzsignal des Lock-in-Verstärkers 33 wird die Ansteuerungsspannung Vd1 oder Vd2 eingegeben. In 5 wird die Ansteuerungsspannung Vd1 eingegeben. Dann werden aus dem Signalgenerator 34 Wechselspannungen Vd1 und Vd2 erzeugt, welche die gleiche Amplitude, aber entgegengesetzte Phasen aufweisen. Die Frequenz der Wechselspannungen wird als von der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 entfernt angenommen. Wenn beispielsweise die Resonanzfrequenz 5 kHz beträgt, wird sie auf 1 kHz festgelegt.
Wenn an den Ansteuerungselektroden D1, D2 auf diese Weise Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2 einer von der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 entfernten Frequenz empfangen werden, beträgt die Amplitude des Gewichtsteils 8 weniger als 1/100 seiner Amplitude, wenn er sich in Resonanz befindet. Daher werden die Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 klein, und der Pegel des wahren Überwachungssignals, der in dem Ausgang der Addierschaltung 29 erscheint und von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührt, wird sehr klein. Falls der Gleichspannung Vee auf das gleiche Potential wie die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärker der C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 (beispielsweise Q3 in 4) gebracht ist, wird der Pegel des wahren Überwachungssignals, der in dem Ausgang der Addierschaltung 29 erscheint und von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührt, auch nahezu Null. Nachdem die Werte der Kapazitäten Cp1 bis Cp4, welche die Ursache des Rauschens bilden, feststehen, erscheint andererseits ein Rauschen genauso, wie es das bei der Resonanzfrequenz tut, und in dem Ausgang der Addierschaltung 29 erscheint ein großes Rauschsignal, welches durch diese verursacht wird. Das heißt, die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 besteht nahezu vollständig allein aus der Rauschsignalkomponente.
Der Lock-in-Verstärker 33 schaltet das Meßsignal mit einem Signal in Synchronität mit dem Referenzsignal mit einer Art eines Synchrondetektors und glättet diesen Ausgang mit einem Tiefpaßfilter. Demgemäß konvergiert er Komponenten des Meßsignals in Phase oder mit entgegengesetzten Phasen bezüglich des Referenzsignals auf einen konstanten direkten gegenwärtigen Wert.
Wie vorstehend erläutert, befindet sich von der Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 die Rauschsignalkomponente entweder in Phase oder phasenverkehrt bezüglich der Ansteuerungsspannung Vd1 oder Vd2. Daher ist es durch Einstellen des Schalters S1 und des veränderlichen Widerstandes R2 so, daß der Absolutwert der Ausgangsgleichspannung des Lock-in-Verstärkers 33 minimiert wird, möglich, das in dem Ausgangssignal der Addierschaltung 29 enthaltene Rauschsignal auf ein Minimum einzustellen.
Nach Einstellen des Schalters S1 und des veränderlichen Widerstands R2 auf diese Weise wird die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 als die Rückführungsspannung Vf an den Eigenschwingkreis 27 angelegt: Falls dies getan wird, schwingt der Eigenschwingkreis 27 stabil bei der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8, weil die in der Rückführungsspannung Vf enthaltene Rauschsignalkomponente minimiert worden ist.
Da die Eigenschwingung zur Zeit der Einstellung nicht angetastet wird, selbst wenn die Amplitude des Rauschsignals so groß ist, daß eine Eigenschwingung nicht auftritt, ist es mit diesem Verfahren möglich, das Rauschsignal ohne Fehler auf ein Minimum einzustellen.
Die Beschreibung der Erfindung ist von ihrer Natur her lediglich beispielhaft, und daher sind Variationen, die nicht von dem Kerngehalt der Erfindung abweichen, als innerhalb des Umfangs der Erfindung befindlich beabsichtigt. Solche Variationen sollen nicht als eine Abweichung von der Idee und dem Umfang der Erfindung angesehen werden.

Claims

Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung, welche aufweist: einen Winkelgeschwindigkeitssensor (1), welcher einen an einer ersten Halbleiterschicht (2) befestigten Oxidfilm (3) und eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht (2) angeordnete zweite Halbleiterschicht (4) enthält, wobei der Winkelgeschwindigkeitssensor (1) ferner einen innerhalb der zweiten Halbleiterschicht (4) ausgebildeten Gewichtsteil (8), welcher in einer ersten Richtung (Richtung X) und einer zu dieser ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (Richtung Y) schwingt, ein Paar von Ansteuerungselektroden (D1, D2) zum Anlegen von Ansteuerungsspannungen, um den Gewichtsteil in der ersten Richtung in Schwingung zu versetzten, ein Paar von Überwachungselektroden (M1, M2) zum Überwachen der Schwingung des Gewichtsteils in der ersten Richtung und Erfassungselektroden (17a, 17b) zum Erfassen einer Schwingung des Gewichtsteils in der zweiten Richtung, welche dann auftritt, wenn zusätzlich zu der Schwingung in der ersten Richtung eine Winkelgeschwindigkeit um eine zu der ersten und der zweiten Richtung senkrechten Achse (Achse Z) wirkt, enthält; einen Eigenschwingkreis (27) zum Erzeugen von an das Paar der Ansteuerungselektroden anzulegenden ersten und zweiten Ansteuerungsspannungen (Vd1, Vd2), welche entgegengesetzte Phasen aufweisen; ein Paar von C/V-Wandlerschaltungen (31, 32) zum Aufprägen einer vorbestimmten Gleichspannung auf Kondensatoren (Cm1, Cm2), die durch die Überwa chungselektroden und den Gewichtsteil ausgebildet sind, und Erfassen von Strömen, die demzufolge fließen, und Erzeugen von Spannungen, die statischen Kapazitäten der Kondensatoren proportional sind; eine Differentialverstärkerschaltung (Q1) zum Erhalten einer Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der C/V-Wandlerschaltungen und Anlegen der Spannungsdifferenz an den Eigenschwingkreis als eine Rückführungsspannung (Vf); einen Schalter (S1) zum Auswählen des ersten oder des zweiten Ansteuerungssignals; und eine Addierschaltung (29) zum Einstellen der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignals und Addieren des ausgewählten Ansteuerungssignals zu der durch die Differentialverstärkerschaltung (Q1) ausgegebenen Spannungsdifferenz, wobei ein Ausgangssignal der Addierschaltung dem Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal zugeführt wird.
Einstellverfahren zum Einstellen einer Auswahl der ersten und zweiten Ansteuerungssignale mit dem Schalter (S1) und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten und in die Addierschaltung eingegebenen Ansteuerungssignals für die Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Einstellverfahren aufweist: Eingeben des Ausgangssignals der Addierschaltung (29) als ein Meßsignal und entweder des ersten oder des zweiten Ansteuerungssignals als ein Referenzsignal in einem Lock-in-Verstärker (33); Zuführen eines Wechselspannungssignals einer von einer Resonanzfrequenz des Gewichtsteils entfernt liegenden Frequenz an die Ansteuerungselektroden (D1, D2) durch einen Signalgenerator, welcher den Eigenschwingkreis ersetzt; Einstellen der Auswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals mit dem Schalter und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignals und Eingeben des Ansteuerungssignals in die Addierschaltung so, daß der Absolutwert einer Ausgangsgleichspannung des Lock-in-Verstärkers minimiert wird; und Entfernen des Signalgenerators und des Lock-in-Verstärkers und Anlegen der Ausgangsspannung der Addierschaltung an den Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal und Beginnen einer Messung einer Winkelgeschwindigkeit.