DE19801981C2 - Winkelgeschwindigkeitssensor vom Vibrationstyp - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps, welcher Charakteristiken eines Kreiselgeräts bzw. Kreiselkompasses (gyroscope) verwendet.

Gegenwärtig erregen Sensoren große Aufmerksamkeit, welche in der Lage sind Winkelgeschwindigkeiten bewegter Objekte zu erfassen, insbesondere Sensoren, welche unter Verwendung von Halbleiter-Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden. Diese Sensoren besitzen Vorzüge, zum Beispiel kompakte Vorrichtungen, Massenherstellung, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit.

Die Fig. 6A und 6B zeigen schematisch ein typisches Kreiselgerät des Vibrationstyps, welches unter Verwendung einer Mikrobearbeitungs-Verarbeitung für Halbleitervorrichtungen hergestellt wurde, wie beispielsweise in der Veröffentlichung mit dem Titel "MICROMECHANICAL TUNING FORK GYROSCOPE TEST RESULTS", geschrieben von N. Weiberg et al., AIAA-94-3687-CP, beschrieben. Fig. 6A ist eine Planansicht und Fig. 6B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie B-B, welche in Fig. 6A gezeigt ist. Zwei Vibratorelemente 2 werden über einen Ankerabschnitt 3 durch einen Balken 4 (beam) auf einem Substrat 1 getragen. Eine Auslenkungs- bzw. Verschiebungserfassungselektrode 7 ist auf einem Glas oder auf Silizium auf dem Substrat 1 unter diesen Vibratorelementen 2 gebildet. Die Vibratorelemente 2 und die Auslenkungserfassungselektrode 7 bilden einen Kondensator C1 und einen Kondensator C2, wie in Fig. 7 dargestellt.

Die rechten/linken Vibratorelemente werden entlang einer X- Achsenrichtung (Innenebenenrichtung) erregt, indem eine Gleichspannung und eine Wechselspannung an eine Antriebskammelektrode 5 angelegt wird. Ein sogenannter "Stimmgabelantrieb" (tuning fork drive) wird verwendet, um so Umkehrphasen zu verwirklichen, deren Phasen an einem Resonanzpunkt in einem Schwingungssystem um 180° verschieden sind. Eine Antreibsauslenkungs-Erfassungsfestelektrode 6 ist gegenüber von den jeweiligen Vibratorelementen 2 angeordnet, um die Schwingungen dieser anzutreibenden Vibratorelemente 2 zu überwachen.

Andererseits, wenn eine Winkelgeschwindigkeit "Ω" um eine Y- Achse auf die rechten/linken Vibratorelemente 2 ausgeübt wird, welche in den Umkehrphasen entlang ±X-Richtungen (Substratinnenebenenrichtung) erregt werden, erhält jedes dieser Vibratorelemente 2 eine Trägheitskraft (nämlich eine Corioliskraft) entlang einer Z-Achsenrichtung (Substrataußenebene), und diese Trägheitskraft ist der Masse "m", einer Geschwindigkeit "v" und einer Winkelgeschwindigkeit "Ω" des Vibratorelements 2 direkt proportional. Ansprechend auf diese Trägheitskraft werden Verdrehschwingungen um die Z- Achse als Zentrum induziert. Ansprechend auf die Auslenkung der Vibratorelemente in Z-Richtung, welche von den Verdrehschwingungen bewirkt wird, wird ein Kapazitätswert zwischen einem Vibratorelement 2 und der Auslenkungserfassungselektrode 7 erhöht (C1 + ΔC1), wohingegen ein Kapazitätswert zwischen dem anderen Vibratorelement und der Auslenkungserfassungselektrode 7 verringert wird (C2 - ΔC2). Eine Änderung in den Kapazitätswerten wird von einem C-V- Wandler in eine Spannung umgewandelt, und diese Spannung wird synchronisationserfaßt, indem die Effektfrequenz der Corioliskraft verwendet wird, so daß es möglich ist eine Sensorausgabe zu erzeugen, welche der Winkelgeschwindigkeit "Ω" proportional ist.

Damit in dem oben beschriebenen konventionellen System die Vibrationsamplituden der Vibratorelemente 2 erhöht und ferner die Auslenkungsempfindlichkeiten entlang der Erfassungen verbessert werden, sind große charakteristische Werte "Q" von Vibrationen erforderlich, selbst bei den Vibrationen entlang irgendeiner Richtung. Das oben erwähnte Kreiselgerät des Standes der Technik berichtet beispielsweise, daß der charakteristische Wert Q in der Erregungsrichtung 40 000 ist, und der charakteristische Wert Q in der Erfassungsrichtung ist 5000 unter einem Druck von 100 mTorr. Insbesondere, entlang der Erfassungsauslenkungsrichtung, da die gegenüberliegende Fläche zwischen den Vibratorelementen 2 und der unteren Elektrode 7 groß ist und die Lücke (der Raum) zwischen ihnen klein ist (in der Größenordnung von mehreren Mikrometern), wird der charakteristische Wert Q entlang der Antriebsrichtung klein, aufgrund der sogenannten "Quetschdämpfung" (squeeze damping).

Andererseits, da der charakteristische Wert Q unter Atmosphärendruck verringert wird, sind hohe Spannungen wie 30 Volt Gleichspannung und 30 Volt Wechselspannung erforderlich, um eine Antriebsauslenkung zu erzielen, welche einen ähnlichen Grad hat.

Wie oben beschrieben, ist das Sensorelement in dem System des Standes der Technik notwendigerweise mittels der Vakuumversiegelung (Verkapselung) erforderlich, um so die Antriebsspannungen zu verringern, und die Erfassungsauslenkungs-Empfindlichkeiten zu erhöhen. Im Ergebnis ist eine luftdichte Vakuumverpackung erforderlich. Um deren Zuverlässigkeit sicherzustellen, besteht der Nachteil, daß Metallverpackungen erforderlich sind, d. h. höhere Kosten.

Selbst wenn der Sensor unter Atmosphärendruck verwendet wird, sind hohe Antriebsspannungen erforderlich. Da dieser Sensor eine solche Struktur hat, daß die Z-Achsenrichtung als Erfassungsvibrationsrichtung verwendet wird, wie bereits erklärt, besteht ein weiteres Problem darin, daß der charakteristische Wert Q entlang der Erfassungsrichtung klein ist, verglichen mit dem charakteristischen Wert Q entlang der Erregungsrichtung. Ein weiteres Problem ist, daß ausreichend hohe Erfassungsempfindlichkeiten durch alleinige Erhöhung der Antriebsspannungen nicht erreicht werden konnten.

Allgemein gesprochen muß ferner in einem Kreiselgerät des Vibrationstyps ein Resonanzpunkt von Antriebsvibrationen geringfügig aus einem Resonanzpunkt von Erfassungsvibrationen verschoben sein, um eine Frequenzcharakteristik dieses Kreiselgeräts des Vibrationstyps aufrechtzuerhalten. Eine Resonanzfrequenz von Auslenkungsschwingungen entlang der Z- Achsenrichtung hängt von einer Dicke dieser Struktur ab, so daß genaue Dickeneinstellungen erforderlich sein sollten. In dem Fall, daß ein Sensorelement unter Verwendung von Lithographie im Halbleitergebiet hergestellt wird, obwohl eine bessere Musterbildungspräzision (Patterning-Präzision) innerhalb der Ebene erzielt werden kann, wird die Einstellung entlang der Dickenrichtung (Ätzsteuerung und dergleichen) schwierig. Es besteht ein weiteres Problem darin, daß es in der Praxis schwierig ist, die Resonanzfrequenzen beider Glieder korrekt einzustellen.

Aus JP-07239339 A ist ein Winkelgeschwindigkeits-Sensor bekannt, welcher jeweils drei verschiedene Vibratorelemente für die drei Raumrichtungen enthält. Ein Vibratorelement in einer Raumrichtung wird angeregt, und Erfassungselemente an den Vibratorelementen der übrigen zwei Raumrichtungen werden eingesetzt, um die Winkelgeschwindigkeit zu messen.

Aus DE 195 30 007 A1 ist ein Drehratensensor bekannt, bei dem ein Schwinger über Schwingfedern auf einem Nachweiselement getragen wird. Der Schwinger wird durch Kammelektroden in eine Richtung angeregt, in welcher die Schwingfedern eine geringe Steifigkeit aufweisen, so daß eine Schwingung leicht zustande kommt. Durch die Corioliskraft wird senkrecht zu der Anregungsrichtung eine Schwingung angeregt, welche durch die in dieser Richtung sehr steifen Schwingfedern auf das Nachweiselement übertragen wird.

Aus der DE 694 01 607 T2 ist ein Winkelgeschwindigkeits- Meßaufnehmer bekannt, bei dem eine Treiberelektrode zwei Gewichte zur Schwingung anregt, wobei die Gewichte verbunden sind mit einem Erfassungstorsionsvibrator, der seinerseits über einen weiteren Torsionsvibrator mit einem festen Rahmen verbunden ist.

Aus der DE 196 54 304 A1, welche erst nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung offengelegt wurde, ist ein Mikrogyroskop bekannt, bei dem ein einzelnes Schwingungsbauteil zwei Streifenbereiche umfaßt, die durch einen Verbindungsbereich verbunden sind. Ein Streifenbereich wird von einer Kammelektrode angetrieben, und Sensorelektroden wechselwirken mit dem Verbindungsbereich, um eine Schwingung senkrecht zur Anregungsrichtung zu erfassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Winkelgeschwindigkeits-Sensor zu schaffen, und insbesondere einen Winkelgeschwindigkeits-Sensor mit einer größeren Empfindlichkeit bei der Erfassung der Auslenkung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Fig. 1 ist eine Planansicht zur Angabe einer Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A der Fig. 1.

Fig. 3A bis 3E sind Schnittansichten zur Darstellung eines Herstellungsprozeß-Schritts des Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine Planansicht zur Angabe einer Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine Planansicht zur Angabe einer Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6A und 6B sind Erklärungsdiagramme zur Erklärung eines Beispiels der Struktur des konventionellen Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps; Fig. 6A ist eine Planansicht und Fig. 6B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der Fig. 6A.

Fig. 7 ist ein Schaubild zur Angabe des Äquivalentschaltbilds der Erfassungsseite in dem konventionellen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps.

(Ausführung 1)

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 ist eine Planansicht dieses Sensors und Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 1.

Ein Antriebsvibratorelement 8 wird von einem Balken 9 getragen, welcher als Antriebsvibratorelement (gefalteter Balken; folded beam) entsprechend einem ersten Balken verwendet wird, und ist über einen Ankerabschnitt 3 auf einem unteren Glassubstrat 19 festgemacht. Innerhalb des Antriebsvibratorelements 8 wird ein Erfassungsvibratorelement 10 zur Erfassung der Corioliskraft in Y-Richtung von vier Sätzen von Balken 11 getragen, die für das Erfassungsvibratorelement verwendet werden, welche einem zweiten Balken entsprechen. Sowohl eine feste Antriebskammelektrode 12 als auch eine feste Antriebsauslenkungs-Erfassungselektrode 13 sind gebildet, welche gegenüber einer Seitenfläche angeordnet sind, an welcher das Antriebsvibratorelement 8 vorgesehen ist, und ferner sind Kammelektrodenstrukturen auch auf dem Antriebsvibratorelement 8 auf solch eine Weise gebildet, daß diese Kammelektrodenstrukturen sich gegenüber den Kämmen dieser Elektroden 12 und 13 befinden. Andererseits sind Erfassungselektroden 14 und 15 elektrischer Kapazitäten gebildet, getrennt voneinander durch eine Lücke von mehreren Mikrometern auf beiden Seiten des Erfassungsvibratorelements 10, so daß ein Kondensator C1 und ein Kondensator C2 zwischen dem Erfassungsvibratorelement 10 und diesen Erfassungselektroden 14, 15 gebildet wird. Somit wird durch diese Kondensatoren C1 und C2 eine in Fig. 7 gezeigte Äquivalentschaltung gebildet. Die jeweiligen Elektroden und der Ankerabschnitt 3 sind mit einer Basis 17 gekoppelt, zur Ableitung der jeweiligen Elektroden mittels einer Verdrahtungselektrode 16, die auf einem unteren Glassubstrat 19 vorgesehen ist. Ein Anschlußfeld (bonding pad) 25 ist auf der Basis 17 zur Ableitung dieser Elektroden gebildet. Ein großer Auslenkungs- bzw. Verschiebungs-Verhinderungsstopper 27 ist zwischen dem Antriebsvibratorelement 8 und dem Erfassungsvibratorelement 10 vorgesehen, um eine übermäßige Verschiebung bzw. Auslenkung entlang der X-Achsenrichtung zu verhindern, welche möglicherweise bei einem Fallenlassen oder Stoß auftritt. Ebenso, um eine große Verschiebung bzw. Auslenkung einzuschränken, welche entlang der positiven Richtung der X-Achsenrichtung und deren negativer Richtung erzeugt wird, ist dieser große Verschiebungs- Verhinderungsstopper 27 zwischen dem Antriebsvibratorelement 8 und dem Erfassungsvibratorelement 10 auf solch eine Weise angeordnet, daß die großen Verschiebungs-Verhinderungsstopper sich auf beiden Seiten des Erfassungselements 10 befinden, unter Einhaltung eines Lückenabstandes einer solchen Verschiebungs- bzw. Auslenkungsgröße, daß gewollt ist, daß diese Stopper auf der Seite des Antriebsvibratorelements 8 begrenzt sind.

Ebenso ist ein Hilfsstützabschnitt 18 auf solche eine Weise vorgesehen, daß die jeweiligen Komponenten, wie das Antriebsvibratorelement 8 und das Erfassungsvibratorelement 10 von diesem Hilfsstützabschnitt 18 umgeben sind.

Vorzugsweise werden diese Vibratorelemente 8, 10, die Basis 17 zur Ableitung der Elektroden, der Stopper 27 und die jeweiligen Elektroden 12 bis 16 mittels einer Volumenkörper- Mikrobearbeitung (bulk micromachining) hergestellt, unter Verwendung von Si (Silizium) eines Halbleitermaterials. Wie in der Schnittansicht der Fig. 2 dargestellt, sind die Vibratorelemente 8 und 10 mit dem unteren Glasabschnitt 19 nur an dem Ankerabschnitt 3 anodenverbunden (anode-jointed), wohingegen andere Teile mit dem unteren Glassubstrat 19 auf solch eine Weise anodenverbunden sind, daß entweder deren gesamte Flächen oder ein Abschnitt hiervon zum unteren Glassubstrat 19 zeigen.

Wenn das Antriebsvibratorelement 8 erregt wird, um entlang der X-Richtung unter Verwendung der oben beschriebenen Struktur angetrieben zu werden, kann die Winkelgeschwindigkeit während die Z-Richtung als eine Achse eingestellt wird, durch die Vibrationen des Erfassungsvibratorelements entlang der Y- Richtung erfaßt werden.

Man beachte, daß in Fig. 1 eine asymmetrische Freitragestruktur verwendet wurde (der Balken 9 und der Ankerabschnitt 3 sind nur auf der linken Seite des Erfassungsvibratorelements 10 vorgesehen), bei welcher das Antriebsvibratorelement 8 über den Balken 9 getragen wird, für dieses Antriebsvibratorelement durch einen Abschnitt des Ankerabschnitts 3. Alternativ ist es auch möglich eine Zweipunkt-Stützstruktur vorzusehen, bei welcher die gleiche symmetrische Struktur wie jene des linksseitigen Erfassungsvibratorelements 10 auf einem rechtsseitigen Erfassungsvibratorelement 10 vorgesehen sein kann, und ein ähnlicher Balken und ein ähnlicher Ankerabschnitt können vorgesehen sein.

Die Zweipunkt-Stützstruktur zur Einstellung dieses Erfassungsvibratorelements 10 als einem symmetrischen Zentrum hat insofern einen Vorzug, daß die Antriebsschwingungsrichtung bezüglich des Erfassungsvibratorelements 10 nur zur X-Richtung korrekt eingestellt werden kann. Als Folge kann das Erfassungsvibratorelement 10 mit einer großen Amplitude angetrieben werden, so daß die Erfassungsempfindlichkeit vergrößert werden kann.

Ebenfalls sind die Erfassungselektroden 14 und 15 auf den rechten/linken Seiten des Erfassungsvibratorelements 10 angeordnet, jeweils unter Einhaltung der Lücke von mehreren Mikrometern. Andererseits sind diese Erfassungselektroden 14 und 15 angeordnet den gleichen Wert zu haben, hinsichtlich der Lücke bezüglich des Antriebsvibratorelements 8.

Dies liegt daran, daß selbst wenn die Vibrationsrichtung des Erfassungsvibratorelements 10, welche von dem Antrieb bewirkt wird, mit der X-Richtung nicht voll übereinstimmt, keine unerwünschten Kapazitätsveränderungen in den Erfassungselektroden 14 und 15 erzeugt werden. Da die Erfassungselektroden 14 und 15 durch das Antriebsvibratorelement 8 und das Erfassungsvibratorelement 10 sandwichartig in dem Äqui-Intervall vorgesehen sind, wenn beide Vibratorelemente auf integrale Weise vibriert werden, wird eine Summierung der elektrischen Kapazitäten, die auf beiden Seiten dieser Erfassungselektroden 14 und 15 definiert werden, nicht verändert. Als Folge können die elektrischen Kapazitäten der Erfassungselektroden 14 und 15 einen Index zur Erfassung nur von Vibrationen des Erfassungsvibratorelements 10 entlang der Y-Richtung bilden.

Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren beschrieben. Die Fig. 3A bis 3E veranschaulichen ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens gemäß dieser Ausführung in der Reihenfolge der Herstellungsstufen. Die Fig. 3A bis 3E zeigen Ansichten, welche den Schnittansichten entlang der Linie A-A der Fig. 1 entsprechen.

Erstens, wie in der Fig. 3A angegeben, wird ein (100) Si Substrat 100 verwendet, und eine Rille mit einer Tiefe von 3 bis 100 µm wird mittels eines Trockenätzungsprozesses gebildet, während entweder Lack (Resist) oder eine Isolierschicht 24 als Maske verwendet wird. Danach, wie in Fig. 3B gezeigt, wird ein Wafer 100 umgedreht. Ähnlich wird eine Oberfläche dieses gedrehten Wafers 100 in der Größenordnung von 3 µm trocken abgeätzt, während entweder der Lack (Resist) oder die Isolierschicht 24 als Maske verwendet wird. Andererseits wird eine Metallelektrode 16 (z. B. Cr/Au) auf einem Glassubstrat 19 gebildet, unter Verwendung eines Sputter-Verfahrens und eines Lift-Off-Verfahrens. Nachdem die Maske des bei Herstellungsschritt (b) hergestellten Wafers 100 entfernt wurde, und der Wafer 100 mit dem Glassubstrat 19, das die Elektrodenverdrahtungsleitung 16 hat, ausgerichtet wurde, wird eine Anodenaneinanderfügung (anode joint) durchgeführt. Danach wird ein Anschlußfeld 25 (bonding pad) gebildet. In der Folge wird die ebene Struktur der Fig. 1 gepatternd, unter Verwendung entweder des Lacks (Resist) oder der Isolierschicht 24 (siehe Fig. 3C). Als nächstes, unter Verwendung entweder dieses Lacks (Resist) oder der Isolierschicht 24, wird der Eindring-Trockenätzungsprozeß (penetrate dry eching process) des Siliziumwafers durchgeführt (siehe Fig. 3D). Bei dieser Stufe wird eine Grundstruktur des Sensors bestimmt. Bei einer in Fig. 3E gezeigten Stufe wird das obere Glassubstrat 20 ausgerichtet, um anoden-aneinandergefügt (anode-jointed) zu werden, eine Erfassungsschaltung ASIC 26 wird druckgebondet (die-bonded), und diese wird mit dem Anschlußfeld 25 drahtgebonded. Unter Verwendung des oben beschriebenen Prozesses kann der Sensor geschaffen werden.

Wie vorangehend beschrieben, da gemäß dieser ersten Ausführung jegliche Antriebsschwingungsrichtung und Erfassungsschwingungsrichtung innerhalb der X-Y-Ebene befindlich ist, werden die durch die Herstellungsfehler in dem Patterning-Prozeß und dem Ätzprozeß bewirkten negativen Einflüsse gemeinsam gemacht, so daß die Resonanzfrequenzen des Antriebsbetriebs und des Erfassungsbetriebs mit höherer Genauigkeit und auch mit höherer Ausbeute bestimmt werden können.

Ebenso, da der Vibrationsbalken 9 für den Antriebsbetrieb und der Vibrationsbalken 11 für den Erfassungsbetrieb unabhängig voneinander vorgesehen sind, gibt es das Merkmal, daß die mechanischen Kopplungen zwischen dem Antriebsbetrieb und dem Erfassungsbetrieb unterdrückt werden können, verglichen mit einem Fall, daß der gleiche Balken sowohl für die Antriebssschwingung als auch Erfassungsschwingung verwendet wird. Es auch möglich einen solchen strukturellen Körper herzustellen, welcher ein hohes Längenverhältnis hat (einen Wert von h/w ist groß gegenüber 1, wobei "h" durch eine Dicke eines Balkens entlang einer Z-Richtung definiert ist, und "w" durch eine Breite eines Balkens definiert wird) durch das Volumenkörper-Mikrobearbeitungsverfahren (bulk micromachining), unter Verwendung eines Tiefentrockenätzungsprozesses. Dementsprechend, da die Steifigkeit des strukturellen Körpers entlang der Z-Richtung größer gemacht wird als jene entlang der Innenflächenrichtung, kann die Abmessung der Innenfläche des Vibrationselements vergrößert werden. Damit in Zusammenhang kann eine Gesamtzahl der Kammelektroden, welche in der Lage sind die antreibende elektrostatische Kraft zu erzeugen, erhöht werden (die Gesamtzahl an Kammelektroden ist einfach direkt proportional zur Antriebsauslenkung). Wie aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgeht, da der strukturelle Körper so gemacht werden kann, daß die Verstärkungsfunktion der Antriebsauslenkung bzw. Antriebsverschiebung und eine Gesamtzahl der Kammelektroden erhöht werden können, kann die Antriebsauslenkung erhöht werden, selbst wenn der charakteristische Wert Q der Vibrationen unter Atmosphärendruck klein ist. Somit ist es möglich einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps mit hoher Empfindlichkeit zu schaffen.

Ebenso, da die innere Sensorstruktur während der Schritte dieses Prozesses hermetisch versiegelt werden kann, durch eine Dreischichtstruktur aus Glas-Si-Glas, welche durch diesen Prozeß hergestellt wird, ist keine erneute Metallverpackung erforderlich.

(Ausführung 2)

In Fig. 4 wird eine Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. In Übereinstimmung mit dieser zweiten Ausführung, um eine Verschiebungs- bzw. Auslenkungsgröße an einem Resonanzpunkt von Antriebsschwingungen eines Vibratorelements zu verstärken, wird ein weiteres Vibratorelement neu vorgesehen, welches mit dem ersten genannten Vibratorelement bezüglich eines Vibratorelements eines Einfreiheitsgrad-Systems gekoppelt ist. Ebenso werden Mechanismen zur Erzeugung von Antriebskräften in diesen Vibratorelementen verwendet. Somit wird ein Zweifreiheitsgrad-Schwingungssystem gebildet, in welchem diese Mechanismen durch Balken mit geeigneten Formen/Abmessungen gekoppelt sind. Obwohl die Grundstruktur der ersten Ausführung und die Grundstruktur der zweiten Ausführung miteinander gemeinsam gemacht werden, wird der die Antriebsschwingung erzeugende Mechanismus ferner auf der linken Seite des Balkens 9 für das Antriebsvibratorelement gebildet, so daß die Antriebskraft, schließlich die Antriebsauslenkungsgröße erhöht werden kann. Diese Sensorstruktur kann auf solche Weise gemacht sein, daß die Antriebsauslenkung durch die ersten und zweiten festen Antriebskammelektroden 12 und 21 vergrößert werden. Als ein Ergebnis, da die Antriebsauslenkungsgröße vergrößert werden kann, kann die Auslenkungsempfindlichkeit des Vibratorelements 10 zur Erfassung der Corioliskraft vergrößert werden, und ein Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps mit hoher Genauigkeit kann geschaffen werden.

Man sollte verstehen, daß diese zweite Ausführung eine solche Struktur darstellt, daß die Antriebsanziehungskraft nur entlang der positiven Richtung der X-Achsenrichtung durch die zweite feste Antriebskammelektrode 21 erzeugt wird. Alternativ kann eine andere Struktur entlang der negativen Richtung ausgeführt werden, oder eine weitere Struktur mit einer fixierten Funktion kann verwendet werden.

Ebenso, wie vorher bei der ersten Ausführung beschrieben, ist es möglich eine solche Zweipunkt-Stützstruktur zu verwenden, daß eine andere Struktur, welche mit dem rechtsseitigen Erfassungsvibratorelement 10 symmetrisch ist, verwendet wird.

(Ausführung 3)

Fig. 5 stellt eine Struktur eines Winkelgeschwindigkeitssensors des Vibrationstyps gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung dar. Eine Grundstruktur dieser dritten Ausführung wird gewöhnlich mit jener der ersten Ausführung gemacht. Ein interner Abschnitt des Erfassungsvibratorelements 10 kann ausgehöhlt werden, und dann, wie in dieser Zeichnung angegeben, kann eine bestimmte Zahl von zweiten Erfassungselektroden 22, 23 in dieser Aushöhlung auf solch einer Weise neu gebildet werden, daß diese zweiten Erfassungselektroden auf symmetrische Weise entlang oberer/unterer Richtungen angeordnet sind, während die X- Achsenrichtung des Erfassungsvibrators 10 als ein Zentrum eingestellt wird.

Man beachte, daß zur Erhöhung des anfänglichen Kapazitätswerts der Erfassungselektrode und deren Variationsgröße, die zweite Erfassungselektrode 22 mit der ersten Erfassungselektrode elektrisch verbunden werden kann, und die zweite Erfassungselektrode 23 mit der ersten Erfassungselektrode verbunden werden kann.

Ebenso können die zweiten Erfassungselektroden 22 und 23 als Rückkoppel-Elektroden, welche eine elektrostatische Kraft erzeugen, verwendet werden, zur Erzeugung der elektrostatischen Kräfte, die in der Lage sind eine Auslenkung bzw. Verschiebung in der Y-Achsenrichtung auszulöschen, die von der Corioliskraft erzeugt wird.

Ebenso, wie vorher bei der ersten Ausführung beschrieben, ist es möglich eine solche Zweipunkt-Stützstruktur zu verwenden, daß eine andere Struktur, welche mit dem rechtsseitigen Erfassungsvibratorelement 10 symmetrisch ist, verwendet wird.

Ferner kann eine bestimmte Zahl von neu verwendeten Erfassungselektroden 22 und 23 als Selbstbetätigungselektroden (nämlich Antriebsvorgang an Erfassungsvibratorelement 10 zu Prüfzwecken) verwendet werden. Beispielsweise können sowohl das Erfassungsvibratorelement 10 als auch diese Erfassungselektrode die elektrostatische Kraft erzeugen, durch welche eine Prüfung gemacht wird, ob oder ob nicht der Sensor fest abgelenkt werden kann entlang der Erfassungsrichtung, wenn dieser Sensor gestartet wird.

Wie vorher beschrieben, in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, umfaßt der Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps: das Antriebsvibratorelement, welches von dem ersten Balken, der von dem Ankerabschnitt auf dem Substrat fixiert wird, gehalten wird, und von der Antriebskammelektrode entlang der X- Achsenrichtung parallel zum Substrat angetrieben wird; das Erfassungsvibratorelement, welches von dem zweiten Balken auf dem Antriebsvibratorelement getragen wird und entlang der Y- Achsenrichtung vibriert werden kann; und Erfassungselektroden der elektrischen Kapazität, welche vorgesehen sind einen Abstand zwischen dem Erfassungsvibratorelement und den Erfassungselektroden entlang der X-Achsenrichtung zu haben, wobei die Winkelgeschwindigkeit während die Z-Achsenrichtung senkrecht zum Substrat als die Achse eingestellt wird, erfaßt wird. Dann wird die Winkelgeschwindigkeit erfaßt, während die Z-Achsenrichtung senkrecht zum Substrat als die Achse eingestellt wird. Als Ergebnis wird die Antriebsauslenkung erhöht, die von der Winkelgeschwindigkeit erzeugte Corioliskraft wird erhöht, so daß die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Als eine Konsequenz wird der höhere charakteristische Wert Q für die Schwingungen bzw. Vibrationen nicht benötigt, aber es ist auch nicht länger erforderlich, daß der Sensor unter Vakuumdruck versiegelt wird, was konventionell erforderlich ist. Da der Sensor unter Verwendung einer einfachen hermetischen Verpackung hergestellt werden kann, können dessen Kosten verringert werden.

Ebenso, in Übereinstimmung mit dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum ersten Aspekt, ist das Antriebsvibratorelement auf dem Substrat mittels von zwei Sätzen von Ankerabschnitten festgemacht, welche an zueinander symmetrischen Positionen bezüglich des Erfassungsvibratorelements angeordnet sind. Daher kann die Antriebsschwingungsrichtung für das Erfassungsvibratorelement korrekt nur in die X-Richtung gerichtet werden. Als Ergebnis kann der Sensor mit großer Amplitude angetrieben werden, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden.

Ferner, in Übereinstimmung mit dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, zusätzlich zum ersten Aspekt, ist eine dieser Erfassungselektroden auf dem Erfassungsvibratorelement angeordnet, und die andere der Erfassungselektroden ist auf dem Antriebsvibratorelement angeordnet, voneinander getrennt durch den Äqui-Intervall-Abstand. Selbst wenn die Schwingungsrichtung des angetrieben Vibrators nicht voll mit der X-Richtung übereinstimmt, wird keine ungewollte Kapazitätsveränderung in den Erfassungselektroden erzeugt. Es ist möglich einen Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps zu schaffen, welcher in der Lage ist, nur die durch die Corioliskraft verursachte Verschiebung bzw. Auslenkung zu erfassen, welcher Unempfindlichkeiten gegenüber der Antriebsauslenkung bzw. Antriebsverschiebung hat.

Claims (4)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps, umfassend:
ein Antriebsvibratorelement (8), welches von mindestens einem ersten Balken (9), der von einem Ankerabschnitt (3) auf einem Substrat (1) festgehalten wird, getragen wird, und von mindestens einer Antriebskammelektrode (12) entlang einer X-Achsenrichtung parallel zum Substrat (1) angetrieben wird;
ein Erfassungsvibratorelement (10), welches von mindestens einem zweiten Balken (11) auf dem Antriebsvibratorelement (8) getragen wird und entlang einer Y-Achsenrichtung vibrieren kann; und
Erfassungselektroden (14, 15), welche getrennt von dem Erfassungsvibratorelement (10) und entlang der X- Achsenrichtung vorgesehen sind und mit dem Erfassungsvibratorelement eine Kapazität bilden, so daß eine Winkelgeschwindigkeit bezüglich der Z-Achsenrichtung senkrecht zu dem Substrat (1) erfaßt wird.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsvibratorelement (8) auf dem Substrat (1) mittels zweier Sätze von Ankerabschnitten (3) festgemacht ist, welche an zueinander symmetrischen Positionen bezüglich des Erfassungsvibratorelements (10) angeordnet sind.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Erfassungselektroden (14, 15) zwischen dem Erfassungsvibratorelement (10) und dem Antriebsvibratorelement (8) angeordnet ist, mit gleichem Abstand zum Erfassungsvibratorelement (10) und zum Antriebsvibratorelement (8).

4. Winkelgeschwindigkeitssensor des Vibrationstyps nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Erfassungselektroden (22, 23) in Ausnehmungen des Erfassungsvibratorelements (10) vorgesehen sind.