DE102007051879A1

DE102007051879A1 - Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel

Info

Publication number: DE102007051879A1
Application number: DE102007051879A
Authority: DE
Inventors: Fuxue Zhang; Wei Zhang
Original assignee: BEIJING WOLKAN WISSENSCHAFT UN; BEIJING WOLKAN WISSENSCHAFT und TECHNIK GmbH
Current assignee: BEIJING WOLKAN WISSENSCHAFT UN; BEIJING WOLKAN WISSENSCHAFT und TECHNIK GmbH
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: CN101055188A; US7805994B2; GB0801902D0; CN100439864C; GB2449955B; US20080295596A1; DE102007051879B4; GB2449955A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisel zur Lagemessung und Steuerung von Drehkörpern wie z.B. Luftfahrzeug, Autoreifen und Bohrplattform, welcher insbesondere aus einem sensiblen Element (1) und einer Signalverarbeitungsschaltung (2) besteht und direkt an einem zu messenden Drehkörper angebracht ist, und bei welchem auf die Antriebsstrukturen und Schaltungen von gattungsmäßigen mikromechanischen Kreiseln verzichtet wird. Das sensible Element (1) besteht aus einem Siliziumpendelrahmen, einem Siliziumpendel, einer oberen Elektrodenplatte und einer unteren Elektrodenplatte, wobei an den beiden Seiten des Siliziumpendels eine Signalverarbeitungsschaltung angeordnet ist. Die Signalverarbeitungsschaltung (2) umfasst eine Brückenschaltung zur Signalerfassung mit vier Kondensatoren als Brückenarme und einen Einchipprozessor zur Datenverarbeitung, wobei im Einchipprozessor Datenverarbeitungsmodule vorgesehen sind. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Dreh-, Roll- und Nickwinkelgeschwindigkeit von Drehkörpern gleichzeitig wahrnehmen zu können. Ansonsten wären drei gattungsmäßige Kreisel nötig, die jeweils nur gegenüber einer einzigen Winkelgeschwindigkeit empfindlich sind. Zudem zeichnet sich die vorliegende Erfindung aus durch: . Vereinfachung der Strukturen und Fertigungsprozesse . Verkleinerung der Baugröße . Kostenreduzierung . Energieeinsparung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisel zur Lagemessung und Steuerung von Drehkörpern wie z. B. Luftfahrzeugen, Autoreifen und Bohrplattformen, welcher insbesondere aus einem sensiblen Element und einer Signalverarbeitungsschaltung besteht.
Es ist allgemein bekannt, dass wegen der unüberwindlichen Nachteile der großen Baugröße und hohen Kosten von piezoelektrischen und Lichtfaserkreiseln sich die einzelnen Länder mit der Entwicklung von mikromechanischen Kreiseln beschäftigen. Mikromechanische Kreisel mittlerer und niedriger Präzision sind schon auf dem Markt erhältlich. Für mikromechanische Kreisel hoher Präzision sind noch weitergehende Forschungen nötig. Problematisch ist jedoch, dass bei all den heutigen mikromechanischen Kreiselprodukten auf dem internationalen Markt Antriebsstrukturen beibehalten werden, so dass die Nachteile wie etwa aufwändige Strukturen und Fertigungsprozesse, hohe Kosten sowie große Baugröße nicht zu vermeiden sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen antriebsstrukturfreien mikromechanischen Kreisel vorzuschlagen, mit dem nicht nur Fertigungsprozesse, Strukturen und Baugröße eines mikromechanischen Kreisels in höchstem Maße vereinfacht werden können, sondern auch eine Kostenreduzierung und Energieeinsparung zu erzielen ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die der Erfindung zugrunde liegende Idee, die durch die eigenen Antriebsstrukturen eines herkömmlichen mikromechanischen Kreisels hervorgerufene Antriebskraft durch die eigene Umdrehung eines zu messenden Drehkörpers zu ersetzen, so dass ein antriebsstrukturfreier mikromechanischer Kreisel zustande kommt.
Der gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel der Erfindung besteht, wie die Prinzipdarstellung in 1 zeigt, aus einer rechteckigen Siliziumscheibe und einem elastischen Torsionsbalken zum Aufhängen der Siliziumscheibe in einem Verkapselungsraum. Der relative Drehwinkel der Siliziumscheibe ermöglicht der Siliziumscheibe ein Freiheitsgrad in dem Verkapselungsraum.
Der Winkel α wird duch einen Differenzkondensator erfasst. Das eine Elektrodenplattenpaar des Differenzkondensators ist an der Siliziumscheibe angeordnet und das andere Elektrodenplattenpaar ist an der Elektrodenplatte des Verkapselungsraums angeordnet. Die Siliziumscheibe und der elastische Torsionsbalken des gattungsbildenden mikromechanischen Kreisels werden durch Ätzung von Siliziumscheiben hergestellt.
Der gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel ist an einem Drehkörper angebracht und dreht mit dem Drehkörper um die zu der Siliziumebene des Kreisels senkrechte Längsachse des Drehkörpers mit einer Winkelgeschwindigkeit φ ., um die Winkelgeschwindigkeit Ω um die Querachse des Luftfahrzeuges wahrzunehmen. Die Siliziumscheibe wird mit reifer Technik hergestellt und kann daher in Massen produziert werden.
Bei dem gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisel wird der Torsionssteifigkeitsfaktor des elastischen Balkens K_T berücksichtigt. Dazu kommt noch in Betracht, dass das Ausgangssignal nicht nur von der Nick- oder Rollwinkelgeschwindigkeit, sondern auch von dem Drehwinkel des Kreisels (bei einigen Umdrehungen des Drehkörpers) beeinflusst wird. In diesem Zusammenhang kann mittels einer Bewegungsgleichung des gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels die Bewegungsgleichung ausgewertet werden, so ergibt sich die folgende Bewegungsgleichung, wenn in dem mit dem Kreisel mitdrehenden Koordinatensystem XYZ eine Bewegungsgleichung erstellt und darin der elastische Torsionsfaktor verwendet wird, wobei bei der anfänglichen Auswertung die Winkelgeschwindigkeit aller Drehkörper außer der des zu messenden Drehkörpers vernachlässigt werden kann: Bα. . + Dα . + [(C – A)φ .2 + KT]α = (C + B – A)φ .Ωsinφ .t (1)
Dabei sind A, B und C Trägheitsmomente des sensiblen Elements des Kreisels (Siliziumpendel) gegenüber der X-, Y und Z-Achse, D ist ein gasdynamischer Dämpfungsfaktor. Die stationäre Lösung der Formel (1) lautet:
Bei der Messung der Winkelgeschwindigkeit lässt sich die Schwingungsamplitude α_m des sensiblen Elements des Kreisels (Siliziumpendel) wie folgt ausdrücken:
Dabei ist der elastische Torsionsfaktor K_T im Nenner des Ausdrucks enthalten. Daher ist auch im Resonanzmodus die Beeinflussung des Ausgangssignals durch einen sehr instabilen Parameter (die Drehwinkelgeschwindigkeit des Drehkörpers φ .) nicht auszuschließen. Dabei beträgt der dynamische Viskositätskoeffizient:
So müssen weitere Maßnahmen in Abhängigkeit der gegebenen Messpräzision getroffen werden, um für den gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisel Kreiselparameter auszuwählen. Zuerst sollen die physikalischen Eigenschaften und die gegenwärtige Bearbeitungstechnik von Silizium berücksichtigt werden. Bei der Gestaltung hängt das Trägheitsmoment mit dem elastischen Torsionsfaktor zusammen durch (C – A – B)φ .2 = KT (4).
Es sei zu beachten, dass bei der Auswahl der Parameter in der Formel (3) eine Annäherung der Parameter im Nenner an die folgende Beziehung vermieden werden soll: KT < Dφ . (5)
Denn der Dämpfungsfaktor D weist eine niedrigere Stabilität auf als der Elastizitätskoeffizient K_T. Außerdem ist ein derartiger Parameterzusammenhang auch schwer zu realisieren, weil zur Erhöhung des Dämpfungsfaktors D der Abstand zwischen dem Siliziumpendel und der Elektrodenplatte reduziert werden muss, so dass der maximale Auslenkwinkel des Siliziumpendels und der Tangens der entsprechenden Ausgangskurve abnehmen. Deshalb ist es bei der Parameterfestlegung nötig KT > Dφ . (6).
So wird der Wert des Nenners in der Formel (3) durch den stabilen Elastizitätskoeffizient des Siliziumpendels des Kreisels bestimmt.
In diesem Falle wird jedoch das Ausgangssignal des gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels direkt proportional zur Drehzahl des Drehkörpers sein, so dass das Ausgangssignal sehr instabil wird. Um diesen Nachteil in der praktischen Forschung zu beseitigen, wird beim Betrieb des Kreisels die Frequenz des Ausgangssignals durch die Messung der Differenzwinkelgeschwindigkeit erfasst, um die Konstante φ . zu berechnen. Die Berechnung kann mittels eines im Kreisel integrierten Mikroprezessors (oder eines Drehkörperrechners) durchgeführt werden. In dem gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisel kann also auf Resonanzmodi verzichtet werden. Es müssen jedoch frühzeitige Nichtresonanzmodi ausgewählt werden, um andere dynamische Abweichungen zu vermeiden.
2 zeigt die sensible Struktur einer einkristallinen Siliziummasse eines erfindungsgemäßen Kreisels. In der Zeichnung sind α₀, α₁, α₂, α₃ die Abmessungen in der X-Richtung, b₁, b₂, b₃ die Abmessungen in der Y Richtung, und h ist die Dicke der einkristallinen Siliziummasse. A, B, C sind jeweils
mit ρ als Dichte des einkristallinen Siliziums.
Da h << α₁, α₂, α₃, b₁, b₂, b₃ und der elastische Torsionsbalken zur Abstützung des einkristallinen Siliziums einen hohen Torsionssteifigkeitsfaktor aufweist, ergibt sich (C – A – B)φ .² << K_T.
Aus der oben beschriebenen Auswertung ist es ersichtlich, dass das Ausgangssignal durch Strukturgestaltung stabilisiert werden kann. Die Amplitude des Ausgangssignals α ist abhängig von der Drehwinkelgeschwindigkeit φ . des Drehkörpers, wobei die Drehwinkelgeschwindigkeit φ . des Drehkörpers durch eine Messung der Frequenz eines Winkelschwingungsignals der einkristallinen Siliziummasse erzielbar ist. Mittels φ . ergibt sich aus der Amplitude des Winkelschwingungsignals α die Nick- oder Rollwinkelgeschwindigkeit Ω des Drehkörpers. Alternativ dazu können auch die Amplitude von α und Ω in linearen Veränderungen bleiben, indem die Verstärkung der Verstärkungsschaltung durch φ . gesteuert wird, wobei sich die Nick- oder Rollwinkelgeschwindigkeit Ω des Drehkörpers direkt aus einer Messung der Amplitude von α ergibt.
Aus der oben stehenden theoretischen Begründung resultiert, dass der erfindungsgemäße gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel, bei dem die durch die eigenen Antriebsstrukturen eines herkömmlichen mikromechanischen Kreisels hervorgerufene Antriebskraft durch die eigene Umdrehung eines zu messenden Drehkörpers ersetzt wird, technisch realisierbar ist. Ein derartiger Kreisel ist in der Lage, die Dreh-, Nick- und Rollwinkelgeschwindigkeit eines Drehkörpers gleichzeitig wahrzunehmen.
3 zeigt die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Signalerfassungstechnik. Im Falle einer Schwingung der einkristallinen Siliziummasse mit der Winkelfrequenz φ . verändern sich die einkristalline Siliziummasse und die vier durch die keramischen Elektrodenplatten gebildeten Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ mit dem Auslenkwinkel α. Durch Verstärkung des in ein Spannungsänderungssignal umgewandelten Kapazitätsänderungssignals ist ein Wechsel spannungssignal der Amplitude von α erhältlich, das von der Nick- oder Rollwinkelgeschwindigkeit Ω des Drehkörpers abhängt. Da der durch die eigene Umdrehung des Drehkörpers angetriebene gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel eine geringe Kapazitätsänderung aufweist und leicht von der verteilten Kapazität zu beeinflussen ist, werden bei der Signalverarbeitung Wechselstrombrücken als Schnittstellenwechselschaltungen verwendet, kapazitive sensible Elemente als Betriebsarme der Kapazitätsbrücke, HF-Rechtecksignale als Trägerwellen. Im Falle einer Änderung der Betriebskapazität steht am Ausgang der Brücke ein durch die Betriebskapazitätsänderungen moduliertes Amplitudenmodulationswellen-Ausgangssignal an. Durch Verstärkung und Demodulation des Amplitudenmodulationswellensignals kann eine Niederfrequenzsignalausgabe realisiert werden. Die Signalverarbeitungsschaltung besteht insbesondere aus einem Spannungsstabilisator, einer Bezugsspannungsquelle, einer Schaltung zur Erzeugung von Rechtecksignalen, einer Brücke, einem Brückensignaldifferenzverstärker, einem Bandpassfilter, einem Tiefpassfilter, einer Phasenkorrekturschaltung, einem Polaritätswahlschalter und einem Einchipprozessor.
Ohne Auslenkung des einkristallinen Siliziumpendels (α=0) ergibt sich C₁=C₂=C₃=C₄=C₀,
Bei einer Auslenkung des einkristallinen Siliziumpendels (α=0) ergibt sich
Als Ausgabe des Spannungssignals gilt:
Dabei gilt V_s als an die Brücke angelegte Wechselspannung, ω_e als Winkelfrequenz des Wechselstromes und R als Brückenwiderstand.
Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung umfasst, wie das Blockdiagramm in 4 zeigt, u. a. einen Spannungsstabilisator, eine Bezugsspannungsquelle, eine Schaltung zur Erzeugung von Rechtecksignalen, eine Kapazitätsbrücke, eine Differenzverstärkungsschaltung, einen Bandpassfilterkreis, einen Tiefpassfilterkreis, einen Programmable Gain Amplifier, eine Phasenkorrekturschaltung, einen Polaritätswahlschalter und einen Einchipprozessor.
Der erfindungsgemäße gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel ist direkt an einem zu messenden Drehkörper angebracht und bedient sich der Umdrehung des Drehkörpers als Antriebskraft.
Da bei der vorliegenden Erfindung die Antriebsstrukturen und Schaltungen eines gattungsmäßigen mikromechanischem Kreisels wegfallen, werden die Strukturen und Fertigungsprozesse erheblich vereinfacht. Zugleich werden auch die Baugröße reduziert, die Kosten reduziert und Energie eingespart. Darüber hinaus kann der gattungsbildende mikromechanische Siliziumkreisel der Erfindung die Dreh-, Roll- und Nickwinkelgeschwindigkeit eines Drehkörpers gleichzeitig wahrnehmen. Andernfalls wären drei gattungsmäßige Kreisel nötig, die jeweils nur gegenüber einer einzigen Winkelgeschwindigkeit empfindlich sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels mit Differenzkondensatoren C1, C2, C3, C4,
2 die sensible Struktur des erfindungsgemäßen Kreisels,
3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Signalerfassung,
4 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltung,
5 eine Frontansicht des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
6 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
7 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
8 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
9 eine Draufsicht eines sensiblen Elements des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
10 einen Schnitt durch das sensible Element des gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels gemäß 9 entlang der Linie A-A,
11 einen weiteren Schnitt durch das sensible Element des gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels gemäß 9 entlang der Linie A-A,
12 eine schematische Darstellung einer keramischen Elektrodenplatte mit (a) als obere keramische Elektrodenplatte und (b) als untere keramische Elektrodenplatte,
13 eine schematische Strukturdarstellung einer keramischen Elektrodenplatte mit (a) als Frontansicht der keramischen Elektrodenplatte und (b) als Draufsicht der keramischen Elektrodenplatte,
14 ein Strukturbild eines sensiblen Elements (Siliziumpendel) des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
15 eine Schnittdarstellung einer stossfesten Struktur des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels,
16 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen gattungsbildenden mikrome chanischen Siliziumkreisels,
17 eine schematische Darstellung einer Klebverbindung zwischen einem sensiblen Element und einer Grundplatte,
18 eine schematische Darstellung einer Klebverbindung zwischen der Grundplatte und einem Gehäuse, und
19 eine schematische Darstellung zum Abschluss des Gehäuses.
Ein erfindungsgemäßer gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel umfasst, wie in 5 bis 8 gezeigt, ein sensibles Element 1 zur Wahrnehmung der Dreh-, Roll- und Nickwinkelgeschwindigkeit eines Drehkörpers, eine Signalverarbeitungsschaltung 2, ein Kreiselgehäuse 3, eine Grundplatte 4, eine Montageplatte 5 für den Kreisel und eine Isolator-Anschlussklemme 6. Die Signalverarbeitungsschaltung 2 ist oberhalb der Grundplatte 4 angeordnet und das sensible Element 1 unterhalb der Grundplatte 4. Die Grundplatte 4 sitzt auf dem Gehäuse 3. Das sensible Element 1 liegt innerhalb des durch die Grundplatte 4 und das Gehäuse 3 abgedichteten Raumes. Zwischen der Schaltplatte der Signalverarbeitungsschaltung 2 und der Grundplatte 4 sowie zwischen der Grundplatte 4 und dem sensiblen Element 1 ist jeweils eine keramische Rundscheibe 7 bzw. 8 vorgesehen. Über die Isolator-Anschlussklemme 6 und einen Anschlusspunkt 9 wird die Verbindung zwischen dem sensiblen Element 1 und der Signalverarbeitungsschaltung 2, die Stromzuführung sowie die Ausgabe von Verarbeitungssignalen realisiert.
Das oben genannte sensible Element 1 besteht aus einem Silizumpendelrahmen 10, einem Siliziumpendel 11, einer oberen Elektrodenplatte 12, einer unteren Elektrodenplatte 13, zwei Schwingungsbalken 14a und 14b, zwei Elektrodenschichten 21a und 21b sowie zwei weiteren Elektrodenschichten 22a und 22b (siehe 9, 10 und 14). Der Silizumpendelrahmen 10 ist als plat tenförmiger Rechteckrahmen ausgebildet und das Siliziumpendel 11 stellt eine rechteckige, plattenförmige Schwingungsmasse dar. Das Siliziumpendel 11 weist eine Fläche auf, die kleiner ist als die innere Fläche des Silizumpendelrahmens 10. Außerdem besitzt das Siliziumpendel 11 eine geringere Dicke als der Silizumpendelrahmen 10. In der Mitte des Siliziumpendels 11 ist eine quadratische Durchgangsöffnung 15c vorgesehen, an deren beiden Seiten jeweils drei bis sechs Langlöcher 16 liegen. Der Silizumpendelrahmen 10 und das Siliziumpendel 11 sind über die Schwingungsbalken 14a und 14b miteinander verbunden. Das eine Ende der beiden Schwingungsbalken 14a und 14b befindet sich jeweils an beiden Seiten des Siliziumpendels 11 und das andere Ende der beiden Schwingungsbalken 14a und 14b ist jeweils am Silizumpendelrahmen 10 aufgehängt. Die Schwingungsbalken 14a und 14b sind entlang der Längsrichtung des Siliziumpendels 11 angeordnet. Die weiteren Elektrodenschichten 22a und 22b sind separat an der unteren Elektrodenplatte 13 angeordnet. Die Elektrodenschichten 21a und 21b sowie die weiteren Elektrodenschichten 22a und 22b sind symmetrisch zum Siliziumpendel 11 angeordnet und bilden gemeinsam mit dem Siliziumpendel 11 Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ aus.
Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung (2) umfasst eine Brückenschaltung zur Signalerfassung und einen Einchipprozessor zur Datenverarbeitung, in dem mehrere Datenverarbeitungsmodule vorgesehen sind. Die Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ dienen als Brückenarme der Signalerfassungsbrücke zur Erfassung eines Ausgangssignals der Brücke, das über einen Vorverstärker dem Einchipprozessor der Signalverarbeitungsschaltung zur Datenverarbeitung zugeführt wird. Nach der Signalverarbeitung werden Prüfergebnisse gegeben, wobei die Kapazitätswerte der durch die Elektrodenschichten 21a und 21b und die weiteren Elektrodenschichten 22a und 22b sowie den Siliziumpendel 11 gebildeten Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ in der Brücke der Signalerfassungsschaltung ausgeglichen werden, so dass die Ausgabe Null beträgt, wenn der Drehkörper keine Umdrehung vornimmt. Bei einer Umdrehung des Drehkörpers unterliegt der Drehkörper Coriolis-Kräften, was zu einer Positionsänderung des Siliziumpendels 11 und damit zu einer Kapazitätsänderung der vier Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ führt, so dass ein Signal erzeugt wird, das proportional zu der Nick- und Rollwinkelgeschwindigkeit des Drehkörpers ist.
Bei der Herstellung des sensiblen Elements 1 kommen mikromechanische Bearbeitungsverfahren zum Einsatz, wobei der plattenförmige Siliziumpendelrahmen 10, das Siliziumpendel 11 sowie die obere und untere Elektrodenplatte 12, 13 eine Sandwich-Struktur bilden (siehe 9, 10, 11 und 14). 9 zeigt eine Draufsicht der Sandwich-Struktur, in der die schwarzen Bereiche jeweils die Lötstellen der Anschlüsse der oberen Elektrode, des Siliziumpendelrahmens und der unteren Elektrode darstellen, mit denen die Isolator-Anschlussklemme 6 verschweißt ist. Für die obere Elektrodenplatte 12 und die untere Elektrodenplatte 13 ist eine keramische Platte mit einer Dicke von 0,5 mm ausgewählt. Diese keramische Platte wird mit einer Laserschneidmaschine in mehrere Bleche mit einer Fläche von 16 × 18 mm² geschnitten (siehe 14). Um die keramischen Elektroden zu den Anschlusslötstellen zu führen, ohne eine Berührung der keramischen Elektroden mit dem Silizium in der Mitte zu verursachen, sind in der oberen keramischen Elektrodenplatte 12 und der unteren keramischen Elektrodenplatte 13 jeweils zwei oberflächliche Nuten 19a, 19b und 20a, 20b mit einer Tiefe von 0,050 mm vorgesehen (vgl. die schwarzen Breiche gemäß 12). Auf der genuteten keramischen Elektrodenplatte werden Elektroden hergestellt, wobei zuerst 0,03 μm Titan und dann 2,5 μm Kupfer bedampft wird. Auf der oberen Elektrodenplatte 12 und der unteren Elektrodenplatte 13 sind jeweils zwei separate Elektrodenschichten 21a, 21b und 22a, 22b vorgesehen (siehe 10). Der Siliziumpendelrahmen 10, das Siliziumpendel 11 und die Schwingungsbalken 14a, 14b werden mit n-Silizium durch Ätzen gefertigt. Danach werden der Siliziumpendelrahmen 10 und die obere sowie untere Elektrodenplatte 12, 13 am Rand miteinander verklebt, um das sensible Element 1 mit einer Sandwich-Struktur zu bilden. Bei der Klebverbindung befinden sich die Anschlusslötstellen der unteren Elektrodenplatte 13 auf der Vorderseite der Elektrodenplatte (nach oben) und die Anschlusslötstellen der oberen Elektrodenplatte 12 auf der Rückseite der Elektrodenplatte (nach oben). Um eine erfolgreiche Führung der Elektroden auf der Vorderseite der oberen Elektrodenplatte zu den Lötstellen auf der Rückseite zu gewährleisten, müssen die Elektroden auf der Vorderseite der oberen Elektrodenplatte (nach unten) und die Elektroden auf der Rückseite (nach oben) über einen dünnen Kupferdraht miteinander verbunden und die Ränder der oberen und unteren Elektrodenplatte sowie des Siliziumpendels gleichmäßig mit einem Klebemittel bestrichen werden. Anschließend werden die Elektrodenplatten und das Siliziumpendel mit Klebemittel in eine Klemmvorrichtung zur Erzeugung der Klebeverbindung gesetzt und mit einem Gewicht belastet. Schließlich wird die Klemmvorrichtung nebst dem sensiblen Sandwich-Element in einem Backofen gebacken.
Die keramischen Elektrodenplatten sind wesentliche Bauteile eines erfindungsgemäßen Produkts und werden mit Bearbeitungsvorgängen gemäß 13 hergestellt.

1) Die beiden keramischen Bleche schleifen, um Nuten auszubilden, vgl. 13(a),
2~3 μm Kupfer oder Aluminium bedampfen, 13(b).

17 zeigt die Klebverbindung zwischen dem sensiblen Element 1 (siehe 5) und der Grundplatte 4, wobei die Klebeschicht 23 eine Dicke von ungefähr 2 μm aufweist. Zur Isolierung wird zwischen dem sensiblen Element 1 und der Grundplatte 4 eine keramische Rundscheibe auf Aluminiumoxid-Basis 7 mit einer Dicke von 0,35 mm und einem Durchmesser von 9,5 mm angesetzt.
Daraufhin werden die Oberflächen der keramischen Rundscheibe 7, der Grundplatte 4 und des sensiblen Elements 1 mit Klebemittel bestrichen, um sie miteinander zu verkleben und für 2,5 Stunden erwärmen. So wird der Bearbeitungsvorgang der Klebverbindung beendet. Danach werden die Anschlussdrähte des sensiblen Sandwich-Elements 1 an die Anschlussklemmen 6 der Grundplatte 4 geschweißt (siehe 5 und 6). Anschließend daran erfolgt, wie 18 zeigt, die Verklebung des Gehäuses 3, d. h. die Verklebung zwischen der Grundplatte 4 und dem Gehäuse 3. Dabei werden die Klebestellen zwischen der Grundplatte 4 und dem Gehäuse 3 mit einem alkoholischen Tampon gereinigt und sodann mit einem Klebemittel 23 gleichmäßig bestrichen, um die Grundplatte 4 und das Gehäuse 3 miteinander zu verkleben. Im Folgenden werden sie in eine Klemmvorrichtung gesetzt, mit einem Gewicht belastet und in einem Backofen gebacken.
Schließlich erfolgt der Abschluss des Kreiselgehäuses 3, wie in 19 gezeigt wird. Die rundförmige Abschlussscheibe 18 ist eine metallische Rundscheibe mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Dicke von 0,2 mm. Dabei ist in der Mitte des Gehäuses 3 eine rundförmige Öffnung 17 mit einem Durchmesser von 0,5 mm vorgesehen, um die herum eine dünne Lötzinnschicht gelegt wird. Der Abschlussvorgang erfolgt in einem Vakuum-Abschlussraum, wobei das abzuschließende Kreiselgehäuse und der Grundträger in den Raum gelegt werden und dem Raum mit geschlossener Tür Luft abgesaugt wird, so dass ein Vakuum mit einer Druckstärke von 0,1~0,2 mmHg vorliegt. Gleichzeitig wird der Vakuum-Abschlussraum bis zu 105°C erwärmt und bleibt unter dieser Temperatur für 3~3,5 Stunden. Danach wird der Raum abgekühlt und mit Stickstoff für 30 Minuten gefüllt. Zieh ein Paar Arbeitshandschuhe an, nimm eine Pinzette in die linke Hand und drücke damit das Kreiselgehäuse leicht. Nimm ein Löteisen in die rechte Hand und erwärme die Rundscheibe 18 mit dem Kopf des Löteisens, bis das Lötzinn schmelzt. Zieh das Löteisen heraus. Die abgekühlte Rundscheibe 18 wird mit dem Gehäuse 3 verschweißt sein.
Bestreiche den Klebestreifen zwischen der Siliziumscheibe und der keramischen Elektrodenplatten gleichmäßig mit einem Klebemittel unter einem Hochleistungsmikroskop. Durch eine Ausrichtung der Klemmvorrichtung wird eine ausgerichtete Klebverbindung durchgeführt, um einen "Sandwich-Siliziumpendel" auszubilden.
Daraufhin wird der "Sandwich-Siliziumpendel" in einem Backofen mit einer Temperatur von 80°C gebacken, wobei eine Formung des "Sandwich-Siliziumpendels" unter gleichmäßigen Druck durch ein Gewicht erfolgt. Bestreiche eine ausgewählte Scheibe beidseitig in der Mitte gleichmäßig mit Klebemittel. Bestreiche den Grundträger eines Abschlussgehäuses mit einer Glattheit von 0,08 μm und einer Parallelität von 0,02 mm in der Mitte und die Rückseite der unteren Sandwich-Elektrode in der Mitte gleichmäßig mit einem Klebestoff, so dass eine Klebverbindung zwischen der unteren Sandwich-Elektrode und dem Grundträger des Abschlussgehäuses mittels der Scheibe erfolgt. Anschließend wird die daraus resultierende Einheit in einem Backofen mit einer Temperatur von 60°C gebacken, wobei eine Formung dieser Einheit unter gleichmäßigen Druck durch ein Gewicht erfolgt. Bedampfe die Führungsfüsse des Grundträgers an der Spitze gleichmäßig mit Lötzinn und verbinde das "Sandwich" und die Führungsfüsse des Grundträgers über eine Leitung miteinander. Bestreiche die Kontaktflächen des Deckels und des Grundträgers des Abschlussgehäuses mit einer Glattheit von 0,08 μm und einer Parallelität von 0,02 mm gleichmäßig mit einem Klebestoff und backe die miteinander verklebte Einheit in einem Backofen mit einer Temperatur von 60°C, wobei eine Formung dieser Einheit unter gleichmäßigen Druck durch ein geeignetes Gewicht erfolgt, so dass ein Siliziumpendel entsteht. Das Siliziumpendel wird erwärmt und Luft abgesaugt, bis ein Vakuum von 0,02 mmHg vorliegt. Das Siliziumpendel bleibt unter diesem Vakuum für 3 Stunden und wird dann in den Betriebsraum überführt. Danach wird eine weitergehende Luftabsaugung durchgeführt, um das Vakuum von 0,02 mmHg aufrechtzuerhalten. Nach 10 Minuten wird der Raum mit 700 mmHg Stickstoff gefüllt.
Nachdem der Taupunkt des Stickstoffes –50°C unterschreitet, wird eine kleine Deckungsplatte darauf gesetzt und die kleine Öffnung mit Lötzinn abgeschlossen. Das abgeschlossene Siliziumpendel wird mit einem Heliumsucher zur Lecksuche auf das Dichtigkeit geprüft. Hinsichtlich der statischen Kapazitätswerte zwischen der abgeschlossenen Siliziumscheibe und den keramischen Elektroden wird auf die Tabelle 1 verwiesen. Tabelle 1. Statische Kapazitätswerte des abgeschlossenen Siliziumpendels (in pF)

Messpunkt C_2-4 C_6-4 C_9-4 C_11-4

das sensible Element (Siliziumpendel) Kapazitätswerte (pF) 29.7 33.9 26.1 31.1
Dem Schaltplan gemäß werden die elektronischen Bauteile stückweise auf die gefertigte Schaltplatine geschweißt. Dabei wird Kolophonium mit Alkohol als Flußmittel verwendet, um die Korrosionseinwirkung des Flußmittels auf die Schaltplatine zu reduzieren. Bei der Schweißarbeit wird ein Schweißtisch gegen statische Aufladungen als Schweißwerkzeug benutzt, wobei die Schweißtemperatur und -dauer streng kontrolliert werden. An der fertig geschweißten Schaltplatine wird eine Prüfung und Einstellung erster Klasse durchgeführt, bis die relevanten Anforderungen erfüllt werden.
Ferner kommt bei der vorliegenden Erfindung eine stossfeste Struktur gemäß 11, 14 und 15 zum Einsatz, wobei über und unter dem sensiblen Element bzw. dem Siliziumpendel 11 ein Paar stossfeste Anschlagunterlagen 15a und 15b vorgesehen sind. Das Kreiselteil 26 wird mit Epoxidharz 25 in einem Aluminumgehäuse 24 vergossen. Die Signalleitungen sind mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Am Boden ist ein Dämpfungspuffer 27 aus Dämpfungs gummi angeordnet.
Wie 5 oder 6 zeigt, ist das Gehäuse 3 des gattungsbildenden mikromechanischen Siliziumkreisels der Erfindung mittels Klebstoff mit der Montageplatte 5 verbunden. Durch diese Montageplatte wird eine Befestigung des Kreisels an einem Drehkörper sichergestellt.
Kurzum stellt die oben stehende Beschreibung der schematischen Zeichnungen nur eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Jeder aus der oben beschriebenen Idee der Erfindung – die durch die eigenen Antriebsstrukturen eines herkömmlichen mikromechanischen Kreisels hervorgerufene Antriebskraft durch die eigene Umdrehung eines zu messenden Drehkörpers zu ersetzen – resultierende antriebsstrukturfreie mikromechanische Kreisel gehört zum Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.

Claims

Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel mit einem sensiblen Element (1) zur Wahrnehmung des Zustands eines zu messenden Drehkörpers, einer Signalverarbeitungsschaltung (5) zur Verarbeitung eines von dem sensiblen Element (1) ausgegebenen Signals, einem Gehäuse (3), einer Grundplatte (4), einer Montageplatte (5) für den Kreisel und einer Isolator-Anschlussklemme (6), dadurch gekennzeichnet, dass das sensible Element (1) durch ein kapazitives sensibles Element ohne Antriebsstruktur gebildet wird, dass die Signalverarbeitungsschaltung (5) aus einer Signalerfassungsbrückenschaltung, die durch die das kapazitive sensible Element enthaltenden Brückenarme gebildet wird, und einer Signaldatenverarbeitungsschaltung eines Einchipprozessors mit Datenverarbeitungsmodulen besteht.
Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sensible Element (1) aus einem Silizumpendelrahmen (10), einem Siliziumpendel (11), einer oberen Elektrodenplatte (12), einer unteren Elektrodenplatte (13), zwei Schwingungsbalken (14a, 14b), zwei Elektrodenschichten (21a, 21b) und zwei weiteren Elektrodenschichten (22a, 22b) besteht, wobei – der Silizumpendelrahmen (10) als plattenförmiger Rechteckrahmen ausgebildet ist und das Siliziumpendel (11) eine rechteckige, plattenförmige Schwingungsmasse darstellt, – das Siliziumpendel (11) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die innere Fläche des Silizumpendelrahmens (10), – das Siliziumpendel (11) eine geringere Dicke als der Silizumpendelrahmen (10) besitzt, – in der Mitte des Siliziumpendels (11) eine quadratische Durchgangsöffnung (15c) vorgesehen ist, an deren beiden Seiten jeweils drei bis sechs Langlöcher (16) liegen, – der Silizumpendelrahmen (10) und das Siliziumpendel (11) über die Schwingungsbalken (14a, 14b) miteinander verbunden sind, – das eine Ende der beiden Schwingungsbalken (14a, 14b) sich jeweils an beiden Seiten des Siliziumpendels (11) befinden und das andere Ende der beiden Schwingungsbalken (14a, 14b) jeweils am Silizumpendelrahmen (10) aufgehängt sind, – die Schwingungsbalken (14a, 14b) auf der längserstreckte Schwerlinie des Siliziumpendels (11) liegen, – die Elektrodenschichten (21a, 21b) an der oberen Elektrodenplatte (12) angeordnet sind und die weiteren Elektrodenschichten (22a, 22b) an der unteren Elektrodenplatte (13), – die Elektrodenschichten (21a, 21b) und die weiteren Elektrodenschichten (22a, 22b) symmetrisch zum Siliziumpendel (11) angeordnet sind und gemeinsam mit dem Siliziumpendel (11) Differenzkondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ ausbilden.
Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsschaltung (2) eine Kapazitätsbrücke, einen Spannungsstabilisator, eine Bezugsspannungsquelle, eine Schaltung zur Erzeugung von Rechtecksignalen, eine Differenzverstärkungsschaltung, einen Bandpassfilterkreis, einen Tiefpassfilterkreis, einen Programmable Gain Amplifier, eine Phasenkorrekturschaltung, einen Polaritätswahlschalter und einen Einchipprozessor umfasst.
Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsbrücke der Signalverarbeitungsschaltung (2) vier Brückenarme einer Signalerfassungsbrü ckenschaltung ist, die durch zwei Reihenschaltungen jeweils aus einer Parallelschaltung der Kondensatoren C₁, C₂ mit einem Widerstand R und einer Parallelschaltung der Kondensatoren C₃, C₄ mit einem weiteren Widerstand R gebildet wird.
Gattungsbildender mikromechanischer Siliziumkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über und unter dem sensiblen Element Siliziumpendel (11) ein Paar stossfeste Anschlagunterlagen (15a) und (15b) vorgesehen sind, dass das Kreiselteil (26) mit Epoxidharz (25) in einem Aluminumgehäuse (24) vergossen ist, wobei am Boden ein Dämpfungspuffer (27) aus Dämpfungsgummi angeordnet ist.