DE3509948A1

DE3509948A1 - Planarer traegheitssensor

Info

Publication number: DE3509948A1
Application number: DE19853509948
Authority: DE
Inventors: Burton Chestnut Hill Mass. Boxenhorn
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1984-03-19
Filing date: 1985-03-19
Publication date: 1985-09-26
Also published as: GB8506768D0; US4598585A; FR2561389B1; GB2156523B; GB2156523A; JPH073337B2; JPS60213814A; FR2561389A1; CA1227059A

Description

The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Cambridge, Massachusetts o2139, V.St.A.

Planarer Trägheitssensor

Die Erfindung bezieht sich auf Trägheitssensoren und insbesondere auf Beschleunigungsmesser und Schwingungsgyroskope. Schwingungsgyroskope liefern eine Messung einer einem Schwingungselement verliehenen Winkelgeschwindigkeit durch Erzeugen eines Signals, das Drehmomenten am Schwingungselement aufgrund der verliehenen Winkelgeschwindigkeit entspricht.

Nach dem Stand der Technik verwenden Schwingungsgyroskope eine Stimmgabel oder einen Schwingungsstrahl, -stab oder -draht als das Schwingungselement. Jedoch erwiesen sich die bekannten Gyroskope wegen der gesonderten Art dieser Elemente als nicht leicht an eine Miniaturisierung oder Massenproduktion anpaßbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trägheitssensor zu entwickeln, der sich für Ausgestaltungen geringer geometrischer Abmessungen eignet. Außerdem soll der zu entwickelnde Trägheitssensor

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unter Anwendung von Massenherstellungstechniken leicht herstellbar sein.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist der planare Trägheitssensor gemäß Patentanspruch 1 .

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß hat der Trägheitssensor eine Eingangsachse Z. Der Sensor enthält ein Folienbauteil und einen zugehörigen Trägerkörper. Der Trägerkörper dient zur Abstützung des Umfangsbereichs des Folienbauteils in einer zur Z-Achse senkrechten Ebene, wobei diese Ebene eine erste Bezugsachse X und eine zweite Bezugsachse Y enthält und die X- und Y-Achsen zueinander senkrecht sind und sich mit der Z-Achse an einem gemeinsamen Punkt schneiden. Das Folienbauteil weist ein erstes Paar gegenüberliegender C-förmiger Ausnehmungen auf, die symmetrisch zur Y-Achse und zum gemeinsamen Punkt angeordnet sind. Die Teile des Folienbauteils zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen sind biegsam, so daß Biegungszonen gebildet werden.

In der Beschleunigungsmesser-Form der Erfindung hat der Teil des Folienbauteils innerhalb der Ausnehmungen ein Massenungleichgewicht über die Y-Achse, d. h. eine Seite hat mehr Masse als die andere. Sensoren sind angepaßt, um Signale zu liefern, die der Winkelstellung der inneren Stellung des Folienbauteils um die Y-Achse entsprechen. Solche

-H-

Signale geben die Beschleunigung des Sensors in der Richtung der Z-Achse wieder. In einigen Formen können diese Signale zur Steuerung von Antrieben verwendet werden, die dynamisch das Innenelement des Folienbauteils in der X-Y-Ebene halten, wo die Rückkehrdrehmomente der Sensorbeschleunigung entsprechen.

Allgemein wird in der Gyroskopform der Erfindung ein allgemein planares Gyroskop vorgesehen, um in Kombination einen Schwingungsimpulsvektor und einen meßbaren Schwingungsdrehmomentausgang im Ansprechen auf einen aufgedrückten Winkeleingang zu erzeugen.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen hat das Folienbauteil des Gyroskops wenigstens ein planares inneres Element, das zum Schwingen um die Y-Achse mit einer ausgewählten Frequenz eingerichtet ist. Das innere Element ist auch dazu eingerichtet, um um die X-Achse im Ansprechen auf eine um die Eingangsachse Y aufgedrückte Winkelgeschwindigkeit zu kippen. Das Gyroskop hat wenigstens ein äußeres planares Antriebselement, das zum Antrieb in Schwingungen mit begrenzten Auslenkungen um die Y-Achse bei der ausgewählten Frequenz (beispielsweise unter Antrieb durch einen elektrostatischen oder elektromagnetischen Antrieb) eingerichtet ist. Das Antriebselement ist mit dem inneren Element so gekoppelt, daß die Schwingungsbewegung des Antriebselements mit dem inneren Element gekoppelt wird. Stellungssensoren liefern Signale, die der Winkelstellung des inneren Elements relativ zur X-Achse entsprechen, die ihrerseits den auf die Anordnung um die Z-Achse aufgedrückten Winkelgeschwindigkeiten entsprechen. Bei mehreren Ausführungsbeispielen kann das Schwingungsgyroskop eine Mehr-

zahl von mit ihrem Antriebselement gekoppelten inneren Elementen oder alternativ ein einzelnes inneres Element aufweisen, das mit seinem Antriebselement gekoppelt ist.

Die planare Geometrie gemäß der Erfindung ermöglicht die Herstellung von Trägheitssensoren aus folienförmigem Material unter Verwendung unaufwendiger Massenherstellungstechniken. In einigen Ausführungsbeispielen können die Sensoren durch Ausstanzen eines einzelnen Materialblechs, wie z. B. aus Stahl oder Aluminium, gebildet werden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Miniaturträgheitssensoren aus einer dünnen Schicht aus einem dielektrischen Material (wie z. B. SiO₂, Si₃N₄ oder (SiO₂)_x(Si₃N₄) ) auf einem Siliziumsubstrat unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterätztechniken aufgebaut werden. Insbesondere bei Anwendung der letzteren Technik können viele Miniaturträgheitssensoren geringer Abmessung auf einem einzelnen Halbleiterplättchen gebildet werden, was die wirtschaftliche Verwendung überzähliger Trägheitssensoren mit daraus folgender erheblich verbesserter Verläßlichkeit und Leistung für Trägheitslenksysteme ermöglicht. Weiter läßt die Bemessungsgeometrie der Trägheitssensoren gemäß der Erfindung die Verwendung einer elektrostatischen Steuerung zu, so daß Signale relativ niedriger Spannung relativ hohe Antriebskräfte und Ausgangssignale liefern können.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1: Eine Perspektivdarstellung eines planaren Trägheitssensors gemäß der Erfindung in der Form eines Schwingungsgyroskops;

Fig. 2: einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 längs der X-Achse;

Fig. 3: einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 längs der Y-Achse;

Fig. 4: die Antriebswellenformen für das Antriebselement des Gyroskops nach den Fig. 1-3;

Fig. 5: eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

und

Fig. 6: eine Perspektivdarstellung eines planaren

Trägheitssensors gemäß der Erfindung in der Form eines Beschleunigungsmessers.

Die Fig. 1 - 3 zeigen ein Gyroskop gemäß der Erfindung. Das Gyroskop 10 enthält ein praktisch planares, relativ dünnes Folienbauteil 6, dessen Umfang in einer durch sich senkrecht schneidende Bezugsachsen X und

Y definierten Ebene liegt. Eine zu den Achsen X und

Y senkrechte Eingangsachse Z schneidet diese Achsen in einem gemeinsamen Punkt 7. Das Folienbauteil wird an den Rändern des Gyroskops 10 so gehalten, daß die Teile des Folienbauteils 6 innerhalb dieser Ränder über und in einem Abstand von einem Substrat als Trägerkörper 8 angeordnet sind. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Trägerkörper auch nur

an den Umfangstragstellen des Folienbauteils 6 vorliegen.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Folienbauteil 6 ein erstes Paar gegenüberliegender, C-förmiger Ausnehmungen 12 und ein zweites Paar gegenüberliegender, C-förmiger Ausnehmungen 14 auf. Der Begriff "C-förmig" bezieht sich allgemein auf die Form der betroffenen Bereiche, von denen jeder einen Teil enthält, der sich angenähert 180° um einenMittelpunkt erstreckt (beispielsweise umfaßt "C-förmig" einen Halbkreis, der sich auf 180° um seinen Mittelpunkt erstreckt;"C-förmig umfaßt auch zwei lineare Segmente, die an ihren Enden wie ein "V" verbunden sind). Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausnehmungen 12 des ersten Paars im wesentlichen kongruent, was auch für die Ausnehmungen 14 des zweiten Paars gilt. Die Ausnehmungen sind größer als die Ausnehmungen 14 des zweiten Paars, wobei die Ausnehmungen 12 des ersten Paars symmetrisch zur Y-Achse und zum gemeinsamen Punkt angeordnet sind, während die Ausnehmungen 14 des zweiten Paars symmetrisch zur X-Achse und zum gemeinsamen Punkt angeordnet sind. In anderen Formen der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß die gegenüberliegenden Ausnehmungen kongruent sind.

Die Teile des Folienbauteils 6 zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen 12 des ersten Paars (welche Teile in Fig. 1 mit 20 und bezeichnet sind) und die Teile des Folienbauteils zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen 14 des zweiten Paars (welche Teile in Fig. 1 mit 24 und 26 bezeichnet sind) sind relativ biegsam, so daß eine Biegungszone gebildet wird, die

- 1

den Teil des Folienbauteils 6 außerhalb der Ausnehmungen 14 mit dem Teil innerhalb der Ausnehmungen 14 verbindet. Infolgedessen wird das Folienbauteil 6 an einer Seite jedes dieser Teile mit dem Folienbauteil an der anderen Seite der zugehörigen Teile derart gekoppelt, daß eine begrenzte Drehbewegung einer Seite relativ zur anderen Seite um die durch diese Teile gehende Achse ermöglicht wird.

Bei dieser Gestaltung definieren die Ausnehmungen 14 des zweiten Paars und die Biegungszonen 24 und 26 des Folienbauteils 6 ein inneres oder Trägheitselement 30; d. h. das Element 30 ist allgemein innerhalb der Ausnehmungen 14 des zweiten Paars. Der Teil des Folienbauteils 6, der durch die Ausnehmungen des ersten Paars die Biegungszonen

und 22, die Ausnehmungen 14 des zweiten Paars und

Begrenzt ist,

die Biegungszonen 24, 2o/definieren ein Antriebselement 32 des Gyroskops 10; und zwar ist dieses Element 32 allgemein innerhalb der Ausnehmungen 12 des ersten Paars. Das Antriebselement 32 kann begrenzte Winkelverschiebungen um die Y-Achse bezüglich des Umfangs des Folienbauteils 6 (das an seinen Rändern vom Trägerkörper 8 gehalten wird) durchmachen, wie sie durch die Biegungszonen 20 und 22 ermöglicht werden. In gleicher Weise kann das innere Element begrenzte Winkelverschiebungen um die X-Achse bezüglich des Antriebselements 30 durchmachen, wie sie durch die Biegungszonen 2 4 und 26 ermöglicht *v werden.

BeL diesem Aufbau ist das Antriebselement 32 allgemein planar und liegt in einer durch die Y-Achse und eine Achse X¹ definierten Ebene (welche

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Achse X' senkrecht zur Y-Achse steht und diese im gemeinsamen Punkt 7 schneidet). Das innere Element 30 ist ebenfalls allgemein planar und liegt in einer durch die X'-Achse und eine Y'-Achse definierten Ebene (welche Y'-Achse senkrecht zur X'-Achse liegt und diese am gemeinsamen Punkt 7 schneidet). In den Fig. 1 - 3 sind die X- und X'-Achsen koaxial dargestellt, was auch für die Y- und Y'-Achsen der Fall ist. Jedoch wird im Betrieb die X'-Achse winkelmäßig bezüglich der X-Achse allgemein periodisch versetzt, und die Y'-Achse wird winkelmäßig zur Y-Achse in einer Weise versetzt, die von einer dem Gyroskop 10 aufgedrückten Winkelgeschwindigkeit abhängt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das innere Element 30 einen länglichen Stab 31 auf seiner Oberfläche auf, der sich in der X'-Richtung erstreckt. Wie unten erläutert, ist dieser Stab 31 nur eine beispielhafte Form zum Erhalten einer gewünschten Beziehung zwischen den Trägheitsmomenten des Elements 30 um die X¹-, Y'- und Z'-Achsen, die zum Erhalten einer gewünschten Empfindlichkeit des Gyroskops 10 erforderlich sind.

Allgemein ist das Folienbauteil 6 elektrisch nichtleitend. Wie dargestellt, weist das innere Element elektrisch leitende Sensorbereiche 40 und 42 auf der Oberseite dieses Elements 30 auf. In alternativen Ausführungsarten können die Bereiche 40 und 42 an der Unterseite des Elements 30 oder sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite des Elements 30 vorgesehen sein. Die Bereiche 40 und 42 sind elektrisch mit einem äußeren elektrischen Schaltkreis durch Leiter-

bahnen 40a und 42a verbunden. Die Sensorbereiche 40 und 42 liegen planaren, leitenden, am Trägerkörper 8 befestigten Elementen gegenüber. Wo der Trägerkörper elektrisch leitend ist, kann der Trägerkörper 8 das leitende Element gegenüber den Bereichen 40 und 42 bilden. (In anderen Ausführungsarten können gesonderte leitende Teile am Trägerkörper 8 befestigt sein). Zusammen ergeben die Paare gegenüberliegender leitender Elemente einen kapazitiven Abgriffstellungswandler mit einer Kapazität, die der Winkelausrichtung des inneren Elements 30 um die X-Achse (d. h. dem von den Y- und Y'-Achsen gebildeten Winkel) entspricht.

Das Antriebselement 32 weist zwei leitende Antriebsbereiche 46 und 48 auf seiner Oberseite auf. Wie im Fall der Bereiche 40 und 42 können in alternativen Ausführungsarten die Bereiche 46 und 48 an der Unterseite des Elements 32 oder sowohl an der Oberais auch an der Unterseite des Elements 32 angebracht sein. Die Bereiche 46 und 48 sind elektrisch mit einer äußeren Schaltung durch Leiterbahnen 46a und 48a verbunden. Die Antriebsbereiche 46 und 48 liegen planaren, leitenden, am Trägerkörper 8 befestigten Elementen gegenüber. Wo der Trägerkörper 8 leitend ist, kann er selbst als leitende Elemente gegenüber den Bereichen 46 und 48 dienen. Zusammen können diese Paare gegenüberliegender Elemente selektiv gesteuert werden, um elektrostatische Kräfte zum Antrieb des Antriebselements 32 in einer Schwingungsbewegung um die Y-Achse zu liefern (d. h. so daß der durch die X'- und X-Achsen gebildete Winkel eine Schwingungsfunktion der Zeit ist).

Ein Signalerzeuger dient zur Lieferung eines ersten Steuerspannungssignals (das an dem durch den Antriebsbereich 46 und das ihm gegenüberliegende leitende Antriebselement gebildeten Kondensator angelegt wird) und eines zweiten Steuerspannungssignals (das an dem durch den Antriebsbereich 48 und das ihm gegenüberliegende leitende Antriebselement gebildeten Kondensator angelegt wird) Das erste und das zweite Steuerspannungssignal sind periodisch und haben die gleiche Grundfrequenz (und damit die gleiche Periodizität) und eine von Null abweichende Gleichstromkomponente, wobei das erste Steuerspannungssignal um 180° gegenüber dem zweiten Steuerspannungssignal phasenverschoben ist. Fig. 4 zeigt beispielhafte Steuerspannungssignale, die allgemein rechteckförmig sind. Wenn bipolare Signale verwendet werden, sind diese Signale asymmetrisch, z. B. wie in Fig. 4 dargestellt.

Im Betrieb basiert das Steuersignal auf ab- *' wechselnden elektrostatischen Kräften zwischen den leitenden Elementen der zugehörigen Kondensatoren und spricht auf diese Kräfte an, so daß das Antriebselement 32 um die Y-Achse mit der Wiederholungsfrequenz der Steuerspannungssignale schwingt. Diese Schwingungsbewegung des Antriebselements 32 wird mit dem inneren Element 30 (das seinerseits ebenfalls um die Y-Achse schwingt) mit Hilfe der Biegungszonen 24 und 26 gekoppelt. Bei Anordnungen geringer Abmessungen, wo die Abstände zwischen den Bereichen 46 und 48 und den zugehörigen gegenüberliegenden leitenden Elementen gering sind, können erheb liehe elektrostatische Kräfte unter Verwendung verhältnismäßig geringer Steuerspannungen entwickelt

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werden. In alternativen Formen der Erfindung kann die entsprechende Schwingungsbewegung der Elemente 30 und 32 um die Y-Achse durch andere Techniken, z. B. unter Verwendung elektromagnetischer Kräfte, erzielt werden.

Wenn die Elemente 30 und 32 in dieser Weise schwingen und dadurch ein Schwingungsträgheitsvektor erhalten wird, bewirkt eine um die Z-Achse aufgedrückte Winkelgeschwindigkeit ein Gyroskop-Drehmoment, das das innere Element 30 aus der Ebene des Antriebselements 32 um einen (dem Winkel zwischen den Y- und Y'-Achsen entsprechenden) der Größe der aufgedrückten Winkelgeschwindigkeit proportionalen Winkel kippt.

Die Empfindlichkeit des Gyroskops 10 bei Resonanz ist angenähert:

e_2y

θ_1χ =

2W_nDR_1x

worin O₁ die bezüglich der X-Y-Ebene gemessene Neigung des inneren Elements 30 ist;

I das Trägheitsmoment des inneren Elements um die X'-Achse ist;

I_{I r} das Trägheitsmoment des inneren Elements

um die Y'-Achse ist;

I₁ das Trägheitsmoment des inneren Elements Iz *"

um die Z'-Achse ist;
Θ. die maximale WinkeLverschiebung des Antriebs-

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elements 32 um die Y-Achse ist;

w die Resonanzfrequenz des inneren Elements um die X'-Achse ist;

DR₁ das Dämpfungsverhältnis des inneren Elements ist; und

W die Winkeleingangsgeschwindigkeit um die

L·

Z-Achse ist.

So ist die Empfindlichkeit (I₁ __ + I₁- I₁ 1/I₁ proportional, wo I₁ , I₁ und I₁ die Trägheitsmomente des inneren Elements 30 um die X¹- bzw. Y'- bzw Z'-Achse sind. Um die Empfindlichkeit zu maximieren, sollte das innere Element so gestaltet sein, daß das Verhältnis der Trägheitsmomente maximiert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 (wo das Element 30 ein dünnes Blech oder eine dünne Schicht ist) ist ein sich längs der X'-Achse erstreckender Stab 31 auf dem Element 30 angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Element 30 anders gestaltet sein, um insbesondere das Verhältnis der X'-, Y'- und Z'-Trägheitsmomente so einzustellen, daß eine gewünschte Empfindlichkeit erzielt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat beispielsweise das Gyroskop 10 die in den Fig. 1 - 3 dargestellte allgemeine Ausgestaltung, wo das Folienbauteil 6 eine 1,0 μηι dicke Siliziumdioxidschicht ist,die an ihren Rändern von einem Siliziumsubstrat als Trägerkörper 8 gehalten wird. Der mittlere Teil des Folienbauteils 6 (einschließlich des inneren Elements 30 und des Antriebselements 32) ist vom Trägerkörper 8 durch 8,7 μπι

in der Z-Richtung getrennt (wie als Abmessung D in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist). Das innere Element ist quadratisch mit Abmessungen von 125 μιη (in der Y-Richtung) und 125 μιη (in der X-Richtung) , und der (über der X-Achse zentrierte) Stab 31 ist aus Gold und hat Abmessungen von 15 pm in der Z'-Richtung, 12,5 pm in der Y'-Richtung und 105 pm in der X'-Richtung. Das Antriebselement 32 ist im wesentlichen ein 50 pm weiter 'rechteckiger Kreis" (wie dargestellt) mit äußeren Abmessungen von 250 pm χ 250 pm, wobei die Bereiche 46 und 48 jeweils die Abmessungen 125 pm (in der Y-Richtung) χ 40 pm (in der X-Richtung) haben. Bei dieser Anordnung erzeugt eine 10 V-Steuerspannung bei einer Frequenz von 1000 Hz eine Ausgangsempfindlichkeit von angenähert 46 mV/rad-s mit einem Ausgangswinkel (G₁ /W ) von 4 arc-min/rad/s.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Gyroskop 10 aus einem p-Siliziumplättchen von typisch 300 pm Dicke unter Anwendung herkömmlicher Photolithographie- und Halbleiterverarbeitungsvorgänge hergestellt. Eine Hochkonzentrations-Bor-(p )-Diffusion wird in den Bereichen durchgeführt, wo ein Anhalten der Ätzung erforderlich ist. Dann läßt man eine epitaktische Schicht von angenähert 10 pm Dicke aufwachsen. Die Dicke dieser Schicht bestimmt den Abstand der Schicht des Folienbauteils 6 zum Substrat 8. An diesem Punkt wird Plättchenelektronik auf einem entfernten Bereich des Substrats erzeugt. Dann läßt man die Schicht für das Folienbauteil 6 thermisch in einer Dicke von etwa 1 pm durch Oxidation der Oberfläche der epitaktischen Schicht wachsen. Einige Schritte des selektiven Wachstums, der Rückätzung und des erneuten

Wachstums sind erforderlich, um die gewünschte Biegungszonendicke der verschiedenen Bereiche des Folienbauteils 6 zu erhalten, das das innere Element 30, das Antriebselement 32 und die Biegungszonen 20, 22, und 26 enthält. Der Stab 31 wird anschließend unter Anwendung galvanischer Beschichtung oder anderer Techniken gebildet.

Das Plättchen wird dann mit Metall (typisch Chrom-Gold) überzogen und zur Bildung von Elektroden 40, 42, 46, 48 und Metallanschlüssen zur Plättchenschaltung gemustert. Der nächste Schritt ist die Musterbildung und das Ätzen durch das Folienbauteil 6 (SiO₂) zur Bildung der C-förmigen Ausnehmungen. Das Plättchen wird dann in einem widerstandsabhängigen Ätzmittel (z. B. Ethylendiaminpyrochatecol und Wasser) geätzt. Dieses Ätzmittel ätzt durch die epitaktische Schicht, hält an der ρ -Substratdiffusion an und läßt die SiO₇-Platte als Folienbauteil 6 übrig, die bzw das am Bereich 22 bzw. am Bereich 24 aufgehängt ist. Das Plättchen wird gereinigt, getrocknet und zur Bildung einzelner Gyroskopelemente zersägt. Diese Elemente können dann herkömmlich eingebettet werden, wobei die auf den Plättchen befindliche Schaltung mit den Einbettungszuführungen durch Drahtverbindungen verbunden wird.

In alternativen Ausführungsbeispielen kann ein gesondertes Kappenbauteil über dem Folienbauteil 6 und im Abstand davon angeordnet und damit verbunden werden, wo das Folienbauteil vom Trägerkörper 8 gehalten ist. Bei diesem Aufbau können die Antriebs- und Sensorelemente (elektromagnetisch

oder elektrostatisch) in einer der oben beschriebenen ähnlichen Weise vorgesehen werden, so daß der Trägheitssensor unter dynamischem Festhalten des Folienbauteils in der X-Y-Ebene arbeiten kann.

In anderen alternativen Ausführungsformen kann das Folienbauteil 6 aus einem einzelnen Blech- oder Folienmaterial, wie z. B. Aluminium oder Stahl, gestanzt und an seinen Rändern an einem Umfangsträgerkörper befestigt werden. In dieser Ausführungsform kann der Stab 31 aus einem Teil des Folienbauteils bestehen, der um 90° aus der Ebene herausgebogen ist, oder durch Anbringen eines geeigneten Formteils vorgesehen werden. Die Antriebs- oder Sensorelemente oder beide Arten der Elemente können entweder kapazitiv oder elektromagnetisch oder gemischt sein.

Es versteht sich, daß bei dem Halbleitermaterial-Ausführungsbeispiel der Erfindung zusätzliche Schaltungselemente im Halbleiterplättchen (oder -Chip) unter Anwendung herkömmlicher integrierter Schaltungstechniken untergebracht werden, so daß man ein planares Schwingungsgyroskop geringer Abmessungen mit integrierter elektronischer Schaltung erhält. Bei diesen Aufbauarten läßt sich eine hochwirksame Packungsdichte erreichen. Außerdem können mehrere Gyroskope gefertigt und untereinander auf einem einzelnen Plättchen (oder Chip) verbunden werden, wobei die Verschaltung zur Ermöglichung eines redundanten Betriebs eingerichtet ist, so daß man die Gesamtsystemverläßlichkeit steigert.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gyroskop 110

ist hier allgemein dem Ausführungsbeispiel nach Fig. mit der Ausnahme ähnlich, daß das Antriebselement drei innere Elemente umfaßt, deren jedes zum Kippen um eine von drei parallelen Achsen (X'.. , X'₂ und X'·?) eingerichtet ist, die sämtlich zur Y-Achse senkrecht stehen und diese Achse an einem zugehörigen der Mittelpunkte 7a, 7b und 7c schneiden. In alternativen Ausführungsarten kann auch eine abweichende Zahl innerer Elemente verwendet werden. In Fig. 5 sind Elementen im Aufbau nach Fig. 1 entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Außerdem ist der Teil des Trägerkörpers 8, der unter den Ausnehmungen 12 und 14 liegt, mit schraffierten Linien angedeutet. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind das Antriebselement 32 (und so die X' -, ^'7" ^unc^ Χ'τ-Achsen) und das innere Element 30 (und so das ganze Folienbauteil 6) in der X-Y-Ebene veranschaulicht, obwohl diese Elemente im Betrieb allgemein winkelmäßig gegenüber der dargestellten Stellung versetzt sind.

Beim Aufbau nach Fig. 5 wird jedes der inneren Elemente 30 durch ein Paar gegenüberliegender C-förmiger Ausnehmungen definiert, die symmetrisch um einen der drei Mittelpunkte 7a, 7b und 7c und eine der X¹^-, X*2~ ^und X'₃~Achsen, wie dargestellt, angeordnet

sind. Man versteht, daß, wie hier definiert, der Begriff "C-förmig" die Ausnehmungen mit der dargestellten Schraffur umfaßt, die das innerste innere Element 30 in Fig. 5 definieren. Beim Gyroskop 110 sind die drei leitenden Bereiche 46 untereinander durch eine Leiterbahn 46a zum Erhalten (zusammen mit dem darunterliegenden leitenden Substrat 8) von drei parallelen kapazitiven Abgriffen verbunden.

Die drei leitenden Bereiche 48 sind in gleicher Weise mit der Leiterbahn 48a verbunden. Bei diesem Aufbau sind die kapazitiven Abgriffe für Winkeleingangsgeschwindigkeiten um zu einer zur Y-Achse und X-Achse senkrechten Achse parallele Achsen hochgradig empfindlich.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind die Leiterbahnen 40a, 42a, 46a und 48a mit der Steuerschaltung 60 (die im Chip unter Anwendung herkömmlicher integrierter Schaltungstechnologie integriert sein kann) verbunden, die den Betrieb des Gyroskops 110 steuert.

Fig. 6 zeigt noch einen anderen Trägheitssensor gemäß der Erfindung, und zwar in der Form eines Beschleunigungsmessers 50. Der Beschleunigungsmesser 50 ist dem Gyroskop 10 nach Fig. 1 mit der Ausnahme ähnlich, daß keine Elemente entsprechend den Ausnehmungen 14, den Bereichen 24, 26 und den leitenden Bereichen 40, 40a, 42 und 42a vorliegen, und mit der weiteren Ausnahme, daß das Element 32 mehr Masse auf dem Teil an einer Seite der X-Achse als auf dem anderen aufweist (wodurch sich ein Massenungleichgewicht um die X-Achse ergibt). Dieses Massenungleichgewicht ist durch das Schwerpunktsymbol CG in Fig. 6 angedeutet. Im übrigen sind die Elemente des Beschleunigungsmessers 50 die gleichen wie im Gyroskop 10. Im Betrieb liefert die Winkelverschiebung des Elements 32 um die X-Achse, wie sie unter Ausnutzung der leitenden Bereiche 46 und 48 erfaßt wird, ein Maß für die Beschleunigung längs der Z-Achse. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die X- und Y-Achsen austauschbar.

Die Erfindung kann in anderen besonderen Formen ohne Abweichen vom Sinn oder von wesentlichen Merkmalen der Erfindung verwirklicht werden. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind daher nur zur Veranschaulichung und nicht als beschränkend zu betrachten, während der Umfang der Erfindung eher in den Patentansprüchen als in der vorstehenden Beschreibung angegeben ist und alle Abänderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, als von diesen umfaßt anzusehen sind.

Claims

Ansprüche

1. Planarer Trägheitssensor mit einer Eingangsachse (Z), gekennzeichnet durch

ein Folienbauteil (6) und einen zugehörigen Trägerkörper (8), der den Umfangsbereich des Folienbauteils (6) in einer zur Eingangsachse (Z) senkrechten Ebene abstützt, die eine erste Bezugsachse (X) und eine zweite Bezugsachse (Y) enthält, welche Bezugsachsen (X, Y) aufeinander senkrecht stehen und die Eingangsachse (Z) an einem gemeinsamen Punkt (7) schneiden,

wobei das Folienbauteil (6) ein erstes Paar gegenüberliegender C-förmiger Ausnehmungen (12) aufweist, welches erste Paar der Ausnehmungen (12) symmetrisch zur zweiten Achse (Y) und zum gemeinsamen Punkt (7) angeordnet ist,

wobei außerdem die Teile (20, 22) des Folienbau-

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ORiGWAL INSPECTED

™* L "~

teils (6) zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen (12) des ersten Paars und die Teile des Folienbauteils (6) innerhalb des ersten Paars der Ausnehmungen (12) in der Richtung der Y-Achse im Abstand vom Trägerkörper (8) angeordnet sind und

wobei die Teile (20, 22) des Folienbauteils (6) zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen (12) des ersten Paars biegsam sind.

2. Trägheitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

A. wenigstens ein zweites Paar gegenüberliegender C-förmiger Ausnehmungen (14), wobei die Ausnehmungen (12) des ersten Paars größer als die Ausnehmungen (14) der zweiten Paare sind und

B. das zweite Paar der Ausnehmungen (14) innerhalb der Ausnehmungen (12) des ersten Paars und symmetrisch zu zur ersten Achse (X) parallelen Achsen angeordnet sind, wenn das Folienbauteil (6) in der Ebene liegt.

3. Trägheitssensor nach Anspruc'h 2, dadurch gekennzeichnet,

daß es ein einzelnes zweites Paar gegenüberliegender C-förmiger Ausnehmungen (14) aufweist, das um den gemeinsamen Punkt (7) angeordnet ist, und

daß der Teil des Folienbauelements (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) eine Innenelementachse (X') enthält, die zur Y-Achse senkrecht ist und durch den gemeinsamen Punkt (7) läuft.

4. Trägheitssensor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

Mittel zur Erzeugung eines der Winkelverschiebung des Teils des Folienbauteils (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) zur ersten Bezugsachse (X) entsprechenden Signals, das der Winkelgeschwindigkeit des Sensors um die Eingangsachse (Z) entspricht.

5. Trägheitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Erzeugungsmittel einen ersten planaren, leitenden Sensorbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) und an einer Seite der Innenelementachse enthalten, welcher erste Sensorbereich einem ersten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Sensorelement gegenüberliegt, wobei der erste Sensorbereich und das erste Sensorelement einen Stellungswandler mit einer charakteristischen Kapazität bilden, die der Winkelausrichtung des Teils des Folienbauteils (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) um die erste Bezugsachse (X) entspricht.

6. Trägheitssensor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Erzeugungsmittel einen zweiten planaren, leitenden Sensorbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) und an der anderen Seite der Innenelementachse enthalten, welcher zweite Sensorbereich einem zweiten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Sensorelement gegenüberliegt, wobei der zweite Sensorbereich und das zweite Sensor-

element einen Stellungswandler mit einer charakteristischen Kapazität bilden, die der Winkelausrichtung der Teile des Folienbauteils (6) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (14) um die erste Bezugsachse (X) entspricht.

7. Trägheitssensor nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch

Antriebsmittel zum Antrieb des Teils des Folienbauteils (6) zwischen dem ersten Paar der Ausnehmungen (12) und dem zweiten Paar der Ausnehmungen (14) in einer Schwingungsbewegung um die zweite Achse (Y).

8. Trägheitssensor nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebsmittel einen ersten planaren, leitenden Antriebsbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6) zwischen dem ersten Paar der Ausnehmungen (12) und dem zweiten Paar der Ausnehmungen (14) und an einer Seite der zweiten Bezugsachse (Y) und einen zweiten planaren, leitenden Antriebsbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6) zwischen den beiden Paaren der Ausnehmungen (12; 14) und an der anderen Seite der zweiten Bezugsachse (Y) enthalten, welche Antriebsbereiche einem ersten bzw einem zweiten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Antriebselement gegenüberliegen.

9. Trägheitssensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebsmittel eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten periodischen Spannungssignals am ersten planaren, leitenden Antriebsbereich und am ersten planaren, leitenden Antriebselement

und eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten periodischen Spannungssignals am zweiten planaren, leitenden Antriebsbereich und am zweiten planaren, leitenden Antriebselement enthalten,

daß das erste und das zweite Spannungssignal die gleiche Grundfrequenz und eine von Null abweichende Gleichstromkomponente haben und

daß das erste Spannungssignal eine Phasenverschiebung um 180° gegenüber dem zweiten Spannungssignal aufweist.

10. Trägheitssensor nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch

Antriebsmittel zum Antrieb des Teils des Folienbauteils (6) zwischen den beiden Paaren der Ausnehmungen (12; 14) in einer Schwingungsbewegung um die zweite Achse (Y).

11. Trägheitssensor nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch

eine Mehrzahl der zweiten Paare der gegenüberliegenden C-f örmigen Ausnehmungen (JjO ,

wobei jedes der zweiten Paare symmetrisch zu einem zugehörigen Mittelpunkt (7a, 7b, 7c) längs der Y-Achse angeordnet ist und die Teile des Folienbauteils {6) innerhalb der zweiten Paare der Ausnehmungen (14) jeweils eine Innenelementachse (X'.,, X'->, X'?) aufweisen, die senkrecht zur Y-Achse und durch einen zum Innenelement gehörenden Mittelpunkt (7a, 7b, 7c) verläuft.

12. Trägheitssensor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

Mittel zur Erzeugung eines der Winkelverschiebung des Teils des Folienbauteils (6_) innerhalb des zweiten Paars der Ausnehmungen (J_4_) zur ersten Bezugsachse entsprechenden Signals, das der Winkelgeschwindigkeit des Gyroskops um die Eingangsachse (Z) entspricht.

13. Trägheitssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Erzeugungsmittel einen ersten planaren, leitenden Sensorbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils ((O innerhalb jedes zweiten Paars der Ausnehmungen (j_4) und an einer Seite der zugehörigen Innenelementachse enthalten, wobei jeder erste Sensorbereich einem ersten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Sensorelement gegenüberliegt und die ersten Sensorbereiche und die ersten Sensorelemente Stellungswandler mit einer charakteristischen Kapazität bilden, die der Winkelausrichtung der Teile des Folienbauteils (6_) innerhalb der zweiten Paare der Ausnehmungen (j_4) um die erste Bezugsachse entspricht.

14. Trägheitssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Erzeugungsmittel einen zweiten planaren, leitenden Sensorbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils ((O innerhalb jedes zweiten Paars der Ausnehmungen (JJÜ und an der anderen Seite der zugehörigen Innenelementachse enthalten, wobei die zweiten Sensorbereiche zweiten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Sensorelementen gegenüberliegen und die zweiten Sensorbereiche und die zweiten

Sensorelemente einen Stellungswandler mit einer charakteristischen Kapazität bilden, die der Winkelausrichtung der Teile des Folienbauteils (6_) innerhalb jedes zweiten Paars der Ausnehmungen (JMO um die erste Bezugsachse entspricht.

15. Trägheitssensor nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch

Antriebsmittel zum Antrieb des Teils des Folienbauteils ((O zwischen dem ersten und den zweiten Paaren der Ausnehmungen (12; JJ_) in einer Schwingungsbewegung um die zweite Achse (Y).

16. Trägheitssensor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch

Antriebsmittel zum Antrieb des Teils des Folienbauteils (6_) zwischen dem ersten und den zweiten Paaren der Ausnehmungen (12; J_4) in einer Schwingungsbewegung um die zweite Achse (Y).

17. Trägheitssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebsmittel einen ersten planaren, leitenden Antriebsbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6_) zwischen dem ersten Paar der Ausnehmungen (12) und den zweiten Paaren der Ausnehmungen (JJ₁) und an einer Seite der zweiten Bezugsachse (Y) und einen zweiten planaren, leitenden Antriebsbereich auf der Oberfläche des Teils des Folienbauteils (6_) zwischen dem ersten und den zweiten Paaren der Ausnehmungen (12; JjO und an der anderen Seite der zweiten Bezugsachse (Y) enthalten, welche

Antriebsbereiche einem ersten bzw. einem zweiten planaren, leitenden, am Trägerkörper (8) befestigten Antriebselement gegenüberliegen.

18. Trägheitssensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß die Antriebsmittel eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten periodischen Spannungssignals am ersten planaren, leitenden Antriebsbereich und am ersten planaren, leitenden Antriebselement und eine Einrichtung zum Anlegen eines zweiten periodischen Spannungssignals am zweiten planaren, leitenden Antriebsbereich und am zweiten planaren, leitenden Antriebselement enthalten,

daß das erste und das zweite Spannungssignal die gleiche Grundfrequenz und eine von Null abweichende Gleichstromkomponente haben und

daß das erste Spannungssignal eine Phasenverschiebung um 180° gegenüber dem zweiten Spannungssignal aufweist.

19. Trägheitssensor nach Anspruch 1, 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet,

daß das Folienbauteil (6) und der zugehörige Trägerkörper (8) aus einem einstückigen Material aufgebaut sind.

20. Trägheitssensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß das einstückige Material ein Halbleiterplättchen ist, wobei das Folienbauteil (6) eine dielektrische Schicht ist, die über dem Trägerkörper (8) aus Silizium liegt.

. Trägheitssensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

daß die dielektrische Schicht aus einem Material der Gruppe SiO₂, Si₃N₄ und (SiO₂)_x(Si₃N₄) besteht.

22. Trägheitssensor nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch

eine mit einem Siliziumplättchen integrierte zugehörige elektrische Steuerschaltung.

23. Trägheitssensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß der Trägerkörper (8) einen unter dem Folienbauteil (6) liegenden Teil aufweist und

daß die Teile (20, 22) des Folienbauteils (6) zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen (12) des ersten Paars und die Teile des Folienbauteils (6) innerhalb des ersten Paars der Ausnehmungen (12) in der Richtung der Y-Achse vom Trägerkörper (8) beabstandet sind.

24. Trägheitssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Teil des Folienbauteils (6) zwischen den Enden der Ausnehmungen (12) des ersten Paars über die zweite Achse unausgewogen ist.

25. Trägheitssensor nach Anspruch 24,
gekennzeichnet durch

Mittel zur Erzeugung eines der Winkelverschiebung des Teils des Folienbauteils (6) innerhalb des ersten

Paars der Ausnehmungen (12) zur zweiten Bezugsachse entsprechenden Signals, das der Beschleunigung des Sensors in der Richtung der Eingangsachse (Z) entspricht.

26. Trägheitssensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,

daß das Folienbauteil (6) und der zugehörige Trägerkörper (8) aus einem einstückigen Material aufgebaut sind.

27. Trägheitssensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

daß das einstückige Material ein Halbleiterplättchen ist, wobei das Folienbauteil (6) eine dielektrische Schicht ist, die über dem Trägerkörper (8) aus Silizium liegt.

28. Trägheitssensor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,

daß die dielektrische Schicht aus einem Material der Gruppe SiO₂, Si₃N₄ und (SiO₂)_x(Si₃N₄) besteht.

29. Trägheitssensor nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch

eine mit einem Siliziumplättchen integrierte zugehörige elektrische Steuerschaltung.

30. Trägheitssensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

daß der Trägerkörper (8) einenunter dem Folienbauteil (6) liegenden Teil aufweist und

— I I —

daß die Teile (20, 22) des Folienbauteils (6) zwischen den gegenüberliegenden Enden der Ausnehmungen (12) des ersten Paars und die Teile des Folienbauteils (6) innerhalb des ersten Paars der Ausnehmungen (12) in der Richtung der Y-Achse vom Trägerkörper (8) beabstandet sind.