DE4242557A1 - Integriertes monolithisches Gyroskop/Beschleunigungsmesser mit logischen Schaltkreisen - Google Patents
Integriertes monolithisches Gyroskop/Beschleunigungsmesser mit logischen SchaltkreisenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue und
verbesserte Dreiachsen-Bezugssysteme und/oder
Trägerheitsführungssysteme.
In der Vergangenheit waren Gyroskope und gyroskopische
Vorrichtungen relativ schwere und teuere elektromagnetische
Geräte. Diese elektromagnetischen Vorrichtungen enthielten
Spulen und Positionssensoren, die für relativ schnelle,
kontinuierliche Drehbewegung montiert waren.
Es sind auch mikromechanische Gyros entwickelt worden, die
Komponenten enthielten, die von
Halbleiterverarbeitungseinrichtungen gebildet waren.
Obgleich diese Vorrichtungen relativ klein waren und
Vibrationsbewegungen anstatt kontinuierlicher Drehbewegungen
ausnutzten, waren sie relativ unempfindlich und außerdem
schwierig herstellbar.
Im allgemeinen weisen mikromechanische Gyros eine zentrale
Masse auf, die wegen der Größe des Gyros sehr klein ist und
aus einem sehr schweren Material, beispielsweise Gold,
bestehen muß, um überhaupt eine ausreichende Masse zur
Verfügung zu stellen. Die zentrale Masse ist in einem
kardanischen Rahmen gelagert, der zwei zueinander
orthogonale flexible Achsen aufweist, wobei die Masse und
der kardanische Rahmen im wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene liegen. Die zentrale Masse und der innere Kardanrahmen
werden um eine der erste der orthogonalen Achsen in
Schwingung versetzt, und eine Rotationsbewegung um eine
senkrecht zu der gemeinsamen Ebene verlaufende Achse erzeugt
eine Schwingungsbewegung um die andere der orthogonalen
Achsen aufgrund der Coriolis- oder Gyroskopkräfte.
Das beschriebene mikromechanische Gyro weist verschiedene
Probleme auf. Insbesondere ist die zentral gelagerte Masse
teuer und schwierig herzustellen. Es ist schwierig, eine
ausreichend große Masse zu erreichen, die genügend Trägheit
aufweist, um eine gute Empfindlichkeit des Gyros zu
erzielen, und diese Konstruktion vermindert die
Sensorkondensator-Empfindlichkeit wegen der Vergrößerung des
Abstandes zwischen den Kondensatorplatten. Wenn die Masse
innerhalb der kardanischen Aufhängung auch nur leicht
versetzt ist, wird außerdem eine merkliche Empfindlichkeit
auf Querbeschleunigungen hervorgerufen. Zweitens ist der
Umfang der Schwingbewegung durch die Tatsache begrenzt, daß
das planar aufgebaute Kardansystem benachbart einer ebenen
Fläche montiert ist, und eine Vergrößerung des Abstandes
zwischen dem Kardansystem und der ebenen Fläche vergrößert
die Größe der Vorrichtung wesentlich, was die
Empfindlichkeit aufgrund des vergrößerten
Kondensatorabstandes herabsetzt und außerdem die Kosten und
die Komplexität der Konstruktion vergrößert. Aufgrund des
Aufbaus der Vorrichtung derart, daß die Eingangsachse
senkrecht zur gemeinsamen Ebene verläuft, ist die
Vorrichtung nur eine Ein-Achsen-Vorrichtung. Da die
Vorrichtung somit eine Bewegung um nur eine einzige Achse
ermittelt, sind zur Erfassung von Bewegungen in allen drei
Richtungen drei solcher Vorrichtungen erforderlich, deren
Eingangsachsen zueinander orthogonal angeordnet sind.
In dem Bestreben, die Größe und Kosten von
Beschleunigungsmessern zu vermindern, hat man bereits zu
Halbleiterherstellungstechniken gegriffen. So hergestellte
Vorrichtungen bestehen im allgemeinen aus einer Platte aus
Metall oder dergleichen, die schwenkbar an einem Träger
befestigt ist. Die Platte ist parallel zur planaren
Oberfläche des Trägers angeordnet und bildet mit dieser
einen oder mehrere Kondensatoren. Wenn sich die Platte
aufgrund einer auf sie einwirkenden Beschleunigung bewegt,
ändern sich die Kapazitäten. Diese Änderung wird durch
angeschlossene elektronische Schaltungen ermittelt und in
ein Signal umgewandelt, das für die Beschleunigung
repräsentativ ist.
Gyroskope und Beschleunigungsmesser sind in
Trägheitsnavigationssystemen nützlich, um Bewegung oder
Beschleunigung eines Fahrzeugs in allen Richtungen zu
ermitteln. Aus dieser Information läßt sich die jeweilige
Position des Fahrzeugs jederzeit bestimmen. Gyroskope und
Beschleunigungsmesser, wie sie oben beschrieben sind, werden
als einachsige Vorrichtungen hergestellt. Um
Bewegungsinformation über alle Richtungen zu erhalten,
müssen drei der bekannten Gyroskope und/oder
Beschleunigungsmesser derart positioniert werden, daß ihre
Sensorachsen zueinander senkrecht sind. Dies bedeutet, daß
der sich ergebende Aufbau relativ groß ist, da ein oder
mehrere der Gyroskope und/oder Beschleunigungsmesser im
Winkel zu den anderen positioniert werden muß, und die
gesamte Anordnung kann niemals als eine einzige planare
Packung hergestellt werden. Da außerdem jedes Gyroskop
und/oder Beschleunigungsmesser auf einem gesonderten
Halbleitersubstrat aufgebaut ist, müssen die Signale
zwischen den Chips übertragen werden und es ist eine
bekannte Tatsache, daß erhebliche Versorgungsleistung
erforderlich ist, um die Signale zu verstärken, zu puffern
und zwischen den Chips zu übertragen, und es wirken
Störungen auf sie ein, die die Empfindlichkeit des Systems
beeinträchtigen.
Diese Probleme und viele andere werden mit einem
Trägheitsführungssystem gelöst, das eine Gyroskopvorrichtung
enthält, die gyroskopische Ausgänge bezüglich dreier
zueinander senkrechter Achsen liefert, wobei die Vorrichtung
auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist und die
Steuerschaltung auf demselben Halbleitersubstrat angeordnet
und elektrisch mit der Gyroskopvorrichtung verbunden ist, um
die Gyroskopvorrichtung zu steuern und deren Ausgänge
entgegenzunehmen.
Diese Probleme werden weiterhin in einem
Trägheitsführungssystem gelöst, das eine
Beschleunigungssensorvorrichtung aufweist, die
Beschleunigungsausgänge bezüglich dreier zueinander
orthogonaler Achsen liefert, wobei die Vorrichtung auf einem
Halbleitersubstrat ausgebildet ist und die Steuerschaltung
auf demselben Substrat aufgebaut und elektrisch mit der
Beschleunigungssensorvorrichtung verbunden ist, um diese zu
steuern und deren Ausgänge entgegenzunehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein Halbleiterchip, auf dem
ein Trägheitsführungssystem in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist und ein
Zwei-Achsen-Drehschwingungsgyroskop, ein
monolithisches Ein-Achsen-Schwingungsgyroskop, ein
Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein MPU
enthält;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht auf das
Zwei-Achsen-Drehschwingungsgyroskop von Fig. 1;
Fig. 3
bis
Fig. 8 sind Schnittdarstellungen verschiedener Schritte bei
der Herstellung des
Zwei-Achsen-Drehschwingungsgyroskops von Fig. 2;
Fig. 9 ist ein Schaltbild einer Sensor- und
Steuerschaltung, die mit dem Zwei-Achsen-Gyroskop
von Fig. 2 verbunden ist, dessen Funktion in dem MPU
enthalten ist;
Fig. 10 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung des
monolithischen Ein-Achsen-Schwingungsgyroskops von
Fig. 1;
Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung des Gyroskops von Fig. 10
längs der Linie 11-11;
Fig. 12 ist eine Treiberschaltung für das Gyroskop von Fig. 10;
Fig. 13 ist eine Zentrier- und Sensorschaltung für das
Gyroskop von Fig. 10;
Fig. 14 ist eine Sensor- und Steuerschaltung für das
Gyroskop von Fig. 10, deren Funktion in dem MPU
enthalten ist,
Fig. 15 zeigt Signalverläufe an verschiedenen Punkten in der
Schaltung von Fig. 14;
Fig. 16 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung des
Drei-Achsen-Beschleunigungsmessers von Fig. 1,
woraus die Verhältnisse der verschiedenen
Komponenten zueinander hervorgeht;
Fig. 17 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den
Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser von Fig. 15;
Fig. 18 ist eine stark vergrößerte Draufsicht auf einen Teil
des in Fig. 15 dargestellten Beschleunigungsmessers;
Fig. 19 ist eine Schaltung der Sensorvorrichtung des
Beschleunigungsmessers nach Fig. 15;
Fig. 20 ist eine Treiberschaltung für den
Beschleunigungsmesser nach Fig. 15 mit einer
Sensorvorrichtung von Fig. 19, deren Funktion in dem
MPU enthalten ist, und
Fig. 21 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des
Gyroskops, das zur Ermittlung von Corioliskräften um
drei zueinander orthogonale Achsen angeordnet ist,
sowie eines Drei-Achsen-Beschleunigungsmessers, der
in zugeordnete Elektronik gemäß der vorliegenden
Erfindung integriert ist.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleiterchip 20, auf
dem ein Trägheitsführungssystem 22 gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist. Das Trägheitsführungssystem 22
enthält ein Zwei-Achsen-Gyroskop 24, ein Ein-Achsen-Gyroskop
26, einen Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser 28, eine
Temperatursensorschaltung 29 und ein MPU 30. Es versteht
sich, daß die beiden Gyroskope 24 und 26 und der
Beschleunigungsmesser 28 eine Seitenlänge von etwa 1 mm
aufweisen. Das MPU 30 ist auf einer Seite etwa 4,6 mm, so
daß die dargestellte Ansicht als die vorteilhafteste
erscheint, obgleich verschiedene Konfigurationen möglich
sind.
Das Zwei-Achsen-Gyroskop 24 ist vergrößert in Draufsicht in
Fig. 2 dargestellt. Es enthält einen im wesentlichen
scheibenförmigen Rotor 32 mit einer zentralen Öffnung. Ein
zentral angeordneter Montagepfosten 35 ist an einer planaren
Fläche des Substrats 20 senkrecht dazu angebracht. Der Rotor
32 ist an dem Pfosten 35 mit mehreren, im speziellen
Beispiel zwei Spiralfedern 42A und 42B drehbar befestigt.
Jede der Spiralfedern 42A und 42B ist mit ihrem eine Ende
fest an dem Pfosten 35 und mit dem anderen Ende fest am
inneren Rand des Rotors 32 angebracht. Die Spiralfedern 42A
und 42B dienen dazu, den Rotor 32 in einer zur planaren
Fläche des Substrat parallelen Ebene zu halten, dabei aber
eine begrenzte Drehbewegung, d. h. eine Schwingbewegung um
den Pfosten zuzulassen.
Mehrere Treiberelemente 45A bis 45D und 46A bis 46D sind im
Abstand um den Außenrand des Rotors 32 angeordnet. Jedes der
Treiberelemente 45A bis 45D und 46A bis 46D enthält kleine
Platten (Finger), die benachbart zu und verschachtelt mit
vergleichbaren Platten 47A bis 47D am Rotor 32 angeordnet
sind. Alle der Elemente befinden sich auch in derselben
Ebene wie der Rotor 32. Die Platten 45A bis 45D sind
elektrisch miteinander verbunden, wie auch die Platten 46A
bis 46D. Durch alternierendes Zuführen von Impulsen zu den
Platten 45A bis 45D sowie 46A bis 46D erzeugt die
elektrostatische Anziehung zwischen den Platten 45A bis 45D
einerseits und den Platten 47A bis 47D andererseits und in
gleicher Weise zwischen den Platten 46A bis 46D einerseits
und 47A bis 47D andererseits eine Schwingbewegung im Rotor
32. Die Treiberelemente sind an diametral gegenüberliegenden
Stellen angeordnet, um eine gleichförmige Schwingbewegung um
den Pfosten hervorzurufen. Die erzeugte Schwingfrequenz ist
die Resonanzfrequenz der Konstruktion und wird in der
Amplitude geregelt.
Mehrere Kondensatorplatten 50A, 51A, 52A und 53A sind im
Abstand über der oberen Hauptfläche des Rotors 32
angeordnet, um zusammen mit dem Rotor 32 vier Kondensatoren
zu bilden. Vier in gleicher Art gestaltete Platten 50B bis
53B sind in gleicher Weise unter der Unterseite des Rotors
32 angeordnet. Die Kondensatorplatten 50B bis 53B bilden
zusammen mit der gegenüberstehenden Hauptfläche des Rotors
32 vier Kondensatoren. Die von den Kondensatorplatten 50A
bis 53A sowie 50B bis 53B gebildeten Kondensatoren sind
Sensorkondensatoren, die dazu dienen, die Bewegung des
Rotors 32 außerhalb der Drehebene zu ermitteln und den Rotor
32 wieder in die Drehebene zu bringen und dabei die auf den
Rotor einwirkende Kraft zu messen.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird der
Rotor 32 durch die Elemente 45A bis 45D sowie 46A bis 46D um
die z-Achse gedreht. Die Kondensatorplatten 50A, 50B und
51A-51B sind symmetrisch in bezug auf die x-Achse
angeordnet, und die Kondensatorplatten 52A-52B sowie 53A-53B
sind symmetrisch bezüglich der y-Achse angeordnet. Jede
Drehbewegung des Gyroskops 24 um die x-Achse ruft aufgrund
der Corioliskräfte eine Drehbewegung des Rotors 32 um die
y-Achse hervor, so daß diese Bewegung durch
Kapazitätsänderungen zwischen den Kondensatorplatten 50A,
50B, 51A, 51B und dem Rotor 32 ermittelt werden kann. In
gleicher Weise läßt sich jede Drehbewegung des Gyroskops 24
um die y-Achse ermitteln, weil der Rotor 32 eine Bewegung um
die x-Achse ausführt, die als Kapazitätsänderungen zwischen
den Kondensatorplatten 52A, 52B, 53A, 53B und dem Rotor 32
ermittelt werden kann.
In Fig. 3 bis 8 sind die verschiedenen Schritte bei der
Herstellung des Drehschwingungsgyroskops 24 dargestellt.
Fig. 3 zeigt ein Substrat 20 mit einer planaren Oberfläche,
die eine Isolierschicht, beispielsweise Siliziumnitrid
trägt, auf der Kondensatorplatten 50B und 51B selektiv
angeordnet sind. Die Kondensatorplatten 50B und 51B bestehen
aus jedem geeigneten Leiter- oder Halbleitermaterial, wie
beispielsweise Metall, hochdotiertem Polysilizium oder
dergleichen. Abstandstücke 55 sind ebenfalls selektiv auf
der Isolierschicht angeordnet und bestehen aus demselben
Material wie die Kondensatorplatten. Der gesamte Aufbau wird
dann mit einer leicht zu ätzenden Schicht 56 bedeckt, die
aus einem Material besteht, das man im allgemeinen als
Opfermaterial bezeichnet. Die Schicht 56 kann ohne
wesentlichen Einfluß auf die übrigen Komponenten leicht
entfernt werden und besteht beispielsweise aus
Phosphorsilikatglas (PSG). Die Schicht 56 wird dann selektiv
geätzt, um die Abstandsstücke 56 freizulegen. Dieser Zustand
ist in Fig. 4 dargestellt.
Gemäß Fig. 5 wird eine Schicht aus einem Material wie
beispielsweise Polysilizium selektiv aufgebracht, um den
zentralen Pfosten 35, die Spiralfedern 42A und 42B und den
Rotor 32 auszubilden. Es sei angemerkt, daß die Schicht 55
über den Pfosten 35 hinaus ausgedehnt wird, so daß sie als
elektrostatischer Schirm zwischen den Federn 42A und 42B und
dem Substrat 20 wirken kann. Der Rotor 32 wird hoch dotiert,
so daß er ausreichend leitfähig ist, um mit den oberen und
unteren Kondensatorplatten Kondensatoren zu bilden. Eine
weitere Schicht 58 aus einem Opfermaterial wird selektiv
über dem den Rotor bedeckenden Polysilizium
niedergeschlagen, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Schicht
58 besteht aus demselben Material wie die Schicht 56, so daß
beide gleichzeitig entfernt werden können.
Gemäß Fig. 7 wird eine Schicht 59, die aus demselben
Material besteht, wie die Schichten 55, 32, 35 usw.,
selektiv auf dem Aufbau abgeschieden. Die Schicht 59 dient
zur Ausbildung der oberen Kondensatorplatten 50A und 51A,
wie in Fig. 8 dargestellt ist. Die Opfermaterialschichten 56
und 58 werden dann durch ein geeignetes Verfahren, wie
beispielsweise Plasma- oder Naßätztechnik, entfernt, und das
Gyroskop 24 ist fertig. Es versteht sich selbstverständlich,
daß viele andere Verfahren zum Ausbilden des Gyroskops 24
eingesetzt werden können und das beschriebene Verfahren nur
beispielhaft erläutert worden ist. Auch können viele andere
Materialien anstelle der nur beispielhaft beschriebenen
Materialien verwendet werden, solange sie in Mikrostrukturen
wieder entfernt werden können. Es ist auch möglich, einen
solchen Aufbau aus Silizium in Massen-Mikroabtragtechnik
herzustellen, wobei Plättchenverbindungstechniken für das
Zusammenfügen der oberen, unteren und der Drehplatten
eingesetzt werden.
Fig. 9 zeigt eine Sensor- und Steuerschaltung, die
elektrisch mit dem Gyroskop 24 von Fig. 2 verbunden ist.
Wenngleich die dargestellte Schaltung hier als gesonderte
Schaltung gezeigt ist, kann sie doch gewünschtenfalls auf
dem Chip 22 integriert werden, so daß die hier gewählte
Darstellung nur der Vereinfachung der Erläuterung und der
Funktionen der Schaltung dient, die in dem MPU 30 enthalten
ist.
Der zentrale Pfosten 35 und der Rotor 32 des Gyroskops 24
sind in Fig. 9 mit 35 bezeichnet, und die Sensor- und
Steuersignale werden den Kondensatorplatten 50A bis 53B über
die dargestellten Logikschaltungen zugeführt. Jede
Kapazitätsdifferenz zwischen den Kondensatoren, die durch
die Kondensatorplatten 50A und 50B erzeugt wird, führt zu
einer Veränderung an der Verbindungsleitung oder -knoten 35,
die verstärkt, invertiert und von einem Verstärker 36 in
eine Spannung umgewandelt wird. In einer
Verriegelungsschaltung 39 wird eine positive Spannung als
eine hohe Spannung verriegelt und eine negative Spannung als
eine niedrige Spannung verriegelt. Das Ausgangssignal der
Verriegelungsschaltung 39 wird über Logikschaltungen an
Inverter rückgeführt, die VREF und Masse an die
Kondensatorplatten 50A und 50B anlegen. VREF- und
Massepotentialen werden an die Kondensatorplatten 50A und
50B angelegt, um eine elektrostatische Kraft in dem
Quadranten zu erzeugen, die auf den Rotor 32 einwirkt, um
auf diesen zu drücken und ihn in seiner zentrierten Position
zu halten. Jeder Satz von Kondensatorplatten wird daher
abgetastet, und es tritt eine Korrektur in jeder Sektion
ein, um die Position des Rotors 32 zu zentrieren.
Unter Verwendung des MPU 30 oder anderer spezieller
üblicher, nicht dargestellter Logik werden die
Verriegelungsschaltungen 35 bis 42 abgetastet und die
durchschnittlichen hohen und niedrigen Treiberperioden
werden über ausgedehnte Zeitperioden verglichen. Es ist
anzumerken, daß durch Messung des Oberbereichs (gegenüber
beispielsweise einem MPU-Kristall) sehr genaue Messungen
durchgeführt werden können und über ausgedehnte Zeitdauern
unter Verwendung digitaler Verfahren sehr breite
Dynamikbereiche gemessen werden können, was eine genaue
Messung und eine sehr empfindliche Vorrichtung ergibt.
Bezugnehmend speziell auf die Fig. 10 und 11 wird nun ein
monolithisches Schwingungsgyroskop 26 erläutert. Das
Substrat 20 hat einen Montagepfosten 115, der auf dessen
planarer Oberfläche ausgebildet ist und eine erste Achse
definiert, die in diesem speziellen Beispiel die
Eingangsachse ist. Eine im allgemeinen rechteckig gestaltete
seismische Masse 120 ist parallel und im Abstand über
der planaren Oberfläche des Substrats 20 angeordnet. Die
Masse 120 hat eine zentrale Durchgangsöffnung 121 und ist
weiterhin im wesentlichen symmetrisch um den Pfosten 115
angeordnet. Zwei auskragende Arme 122 sind jeweils am
Pfosten 115 an entgegengesetzten Seiten desselben
angeordnet, und die freien Enden der Arme 122 sind am
inneren Umfang der Masse 120 befestigt. Die Arme 122
definieren eine zweite, zur ersten Achse orthogonale Achse,
die in diesem Beispiel die Achse ist, um die das Gyroskop 26
angetrieben oder in Schwingung versetzt wird. Eine dritte
Achse ist als zu den beiden vorgenannten ersten und zweiten
Achsen senkrecht verlaufend definiert und bildet die
Ausgangsachse. Es versteht sich selbstverständlich, daß die
Arme 122 als eine durchgehende Materialbahn oder -steg mit
geeigneten Durchgangsöffnungen zur Montage und/oder zum
Anschluß der verschiedenen Komponenten ausgebildet sein
können.
Zwei Plattenpaare 125 sind auf dem Substrat zwischen diesem
und der Masse 120 angeordnet, wobei ein Paar benachbart dem
äußeren Ende eines jeden der Arme 122 liegt. Die Platten 125
sind im Abstand zu beiden Seiten der zweiten Achse
angeordnet und bilden Kapazitäten C2 und C4 mit der Masse
120 an jedem Ende der zweiten Achse. Vertiefungen 127 sind
unter der Masse 120 in das Substrat 20 eingeätzt, um die
Distanz zu vergrößern, über die sich die Masse 120 bewegen
kann, bevor sie das Substrat 20 berührt.
Zwei Plattenpaare 129 sind über der oberen Hauptfläche der
Masse 120 angeordnet, ein Paar jeweils benachbart dem
äußeren Ende eines jeden der Arme 122. Die Platten 129 sind
im Abstand zu beiden Seiten der zweiten Achse angeordnet und
liegen im wesentlichen über den Platten 125 und bilden mit
der Masse 120 Kondensatoren C1 und C3 an jedem Ende der
zweiten Achse. Die Platten 129 werden beispielsweise (wie in
Fig. 3 gezeigt) durch selektives Niederschlagen einer
dritten Halbleiterschicht über der zweiten Halbleiterschicht
oder durch Ausbilden einer üblichen Querbrücke ausgebildet.
In Fig. 12 ist ein Schaltbild einer Treiberschaltung mit den
Kondensatoren C1 bis C4 dargestellt. Wie gezeigt, sind die
Kondensatoren C1 und C4 so angeschlossen, daß sie ein
invertiertes Treibersignal aufnehmen, während die
Kondensatoren C2 und C3 das Treibersignal direkt erhalten
(im dargestellten Beispiel zweifach invertiert wegen der
Zeitgabe und der Pufferung). Das Treibersignal besteht aus
alternierenden Spannungsimpulsen). Da die Kondensatoren C1
bis C4 derart geschaltet sind, daß diametral
gegenüberliegende Kondensatoren das gleiche Signal erhalten,
wird die Masse 120 in Schwingung versetzt (in dieser
Ausführungsform mit der Eigenresonanzfrequenz), wobei sie um
die zweite Achse schwingt, wenn die alternierenden Impulse
an den Kondensatoren anliegen. Die Kondensatoren dienen
dazu, die Schwingungsamplitude zu überwachen und konstant
zu halten.
Fig. 13 zeigt ein Schaltbild einer Zentrier- und
Sensorschaltung mit den Kondensatoren C1 bis C4. In der
dargestellten Schaltung sind die Kondensatoren C1 und C3 so
angeschlossen, daß sie ein Zentrier- und/oder Sensorsignal
direkt (zweifach invertiert aus Zeitgabe- und
Pufferungsgründen) erhalten, und die Kondensatoren C2 und C4
sind so angeschlossen, daß sie ein invertiertes Zentrier- und/oder
Sensorsignal erhalten. Bei dieser Betriebsart in
geschlossener Schleife sind die Kondensatoren unter der
Masse 120 parallel geschaltet und die Kondensatoren über der
Masse 120 sind parallel geschaltet. Durch Verbinden der
Kondensatoren in dieser Art ergibt sich eine größere
Sensorempfindlichkeit und gleichmäßige Zentrierkraft.
Im Betrieb des Gyroskops 26 werden die Kondensatoren C1 bis
C4 an jedem Ende der Masse 120 zeitversetzt in den zwei
Arten betrieben, die in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind.
In der ersten Betriebsart sind die Kondensatoren C1 bis C4
so verbunden, wie in Fig. 12 gezeigt, und eine Vibrations- oder
Schwingbewegung um die zweite Achse, die durch die Arme
122 definiert wird, wird der Masse 120 vermittelt. Die
Kondensatoren C1 bis C4 werden periodisch in die
Sensorbetriebsart geschaltet. Wenn das Gyroskop 26 um die
erste Achse rotiert, die durch den Pfosten 115 definiert
ist, dann bewirkt die Corioliskraft eine Schwingung der
Masse 120 um die dritte Achse. Diese Schwingung führt zu im
wesentlichen gleichen Änderungen in den Größen der
Kapazitäten C1, C3 und zu gleichen Änderungen in den Größen
der Kapazitäten C2 und C4 an jedem Ende der Masse 120. Die
Kapazitätsänderungen werden ermittelt und in ein die
gemessene Drehrate des Gyroskops 26 repräsentierendes Signal
umgewandelt. Ein Treibersignal, das durch die ermittelte
Schwingung erzeugt wird, wird dann der in Fig. 13
dargestellten Schaltung als Rückkopplungssignal zugeführt,
um die Masse 120 in die Mitte zu zwingen.
Fig. 14 zeigt eine Schaltung einer Sensor- und
Steuerschaltung, die mit dem Gyroskop 26 von Fig. 10
verbunden ist und Fig. 15 zeigt Signalverläufe, die an den
verschiedenen Punkten der Schaltung gemessen werden können.
Zur Vereinfachung der Beschreibung der Fig. 9 und 10 sind
die Kondensatoren, die am einen Ende der Masse 120
ausgebildet sind, mit C1A bis C4A bezeichnet, und die
Kondensatoren, die am anderen Ende der Masse 120 ausgebildet
sind, sind mit C1B bis C4B bezeichnet. Die Masse 120 oder
die zentrale Platte eines jeden der Kondensatorpaare ist
durch die Verbindungsleitung 215 in Fig. 14 dargestellt,
wobei die Signale den oberen und unteren Kondensatorplatten
eines jeden der Kondensatoren über die gezeigte
Logikschaltung zugeführt werden. Zum Zeitpunkt T = 0 (Fig. 15)
sind die Kondensatoren in die in Fig. 13 gezeigte
Konfiguration geschaltet, wobei der Eingangsanschluß 1P1
hochgeht und die Spannung VREF an die oberen Platten der
Kondensatoren C1A und C3A liegt und Massepotential an die
unteren Platten der Kondensatoren C2A und C4A liegt. Die
Mittenplatte, d. h. die Verbindungsleitung 215 in Fig. 14,
befindet sich auf VREF aufgrund eines virtuellen
Erdverstärkers 216, der eine Einheitsverstärkung hat, weil
ein Schalter 217 von einem Niedrigsignal P3 am
Steuereingangsanschluß desselben geschlossen ist.
Zum Zeitpunkt T = 1 wird P3 hoch, und der Schalter 217 wird
ausgeschaltet, so daß der Verstärker 216 als ein virtueller
Masseintegrierverstärker aktiv wird. Zum Zeitpunkt T = 2
wird der Eingangsanschluß 1P2 von niedrig nach hoch
umgeschaltet, was die Spannung an den oberen Platten der
Kondensatoren C1A und C3A von VREF auf Massepotential
umschaltet und die Spannung an den unteren Platten der
Kondensatoren C2A und C4A von Massepotential auf VREF
umschaltet. Jede Differenz zwischen den Kapazitäten der
Kondensatoren C1A + C3A und C2A + C4A führt zu einer
Änderung an der Verbindungsleitung 215, die verstärkt,
invertiert und vom Verstärker 216 in eine Spannung
umgewandelt wird.
Zum Zeitpunkt T = 4, nachdem die Verstärker Zeit gehabt
haben, sich einzustellen, wird das Signal von einer
Verriegelungsschaltung 219 verriegelt. Die
Verriegelungsschaltung 219 wird von einer negativen Flanke
getriggert, getaktet durch Signale am Eingangsanschluß 1P2,
und sie verriegelt positive Spannungssignale als "hoch"
und negative Spannungssignale als "niedrig". Der Ausgang der
Verriegelungsschaltung 219 wird über Torschaltungen 210,
211, 212, 213, 214 und 238 Invertern 236, 227, 228, 229, 220
und 221 zugeführt, die VREF und Massepotential an die
Platten der Kondensatoren C1A, C2A, C3A und C4A liegen.
Durch Anlegen von VREF und Massepotential in der
beschriebenen Weise wird dasselbe Potential an die Platten
C1A und C3A und dasselbe Potential an die Platten C2A und
C4A angelegt, so eine elektrostatische Kraft an der
Mittenplatte, nämlich der Masse 120, erzeugt wird, die die
Masse 120 in ihre Mittenposition zieht und hält. Die
elektrostatische Kraft wird an der Masse 120 in dieser
Sektion vom Zeitpunkt T = 4 bis T = 32 und wieder von T = 64
bis T = 96 erzeugt. Die Position der Masse 120 wird wieder
in dieser Sektion abgetastet, wenn T = 128 ist. Zu den
Zeitpunkten T = 64, 192 usw. werden die Kapazitäten von C1B
+ C3B und C2B + C4B abgetastet, und während der Zeitpunkte T
= 64 bis 96 und 128 bis 160 wird die korrigierende
elektrostatische Kraft erzeugt, um die Masse 120 am anderen
Ende derselben zu zentrieren.
Über ausgedehnte Zeitperioden bis einer Sekunde wird die
Zeitdauer der korrigierenden elektrostatischen Kraft an den
Kondensatorplatten am Ende A der Masse 120 mit der
korrigierenden elektrostatischen Kraft am Ende B der Masse
120 verglichen. Es ist anzumerken, daß diese Signale
Wechselstromsignale sind, die mit der Schwingungsfrequenz
der Masse 120 moduliert sind, so daß die Signale demoduliert
werden müssen, um sie zu vergleichen. Dieser Vergleich
ergibt die Drehrate. Eine maximale Empfindlichkeit erzielt
man durch einen engen Abstand zwischen den Sensorplatten und
dem optimierten Abstand zwischen den Kondensatorsätzen.
Bei dieser speziellen Ausführungsform wird die Schwingung
der Masse 120 um die von den Armen 122 definierte X-Achse
wie folgt hervorgebracht. Während der Zeitperioden T = 0 bis
32, 64 bis 96, 128 bis 160 usw. ist das Signal am
Eingangsanschluß 3P2, der mit den Torschaltungen 222, 223,
224 und 225 verbunden ist, hoch. Dieses hohe Signal sperrt
die Signale von der Verriegelungsschaltung 226 gegen das
Steuern oder Treiben der Kondensatorplatten und ermöglicht
gleichzeitig den Signalen von den Verriegelungsschaltungen
219 und 230, die Masse 120 abzutasten und zu steuern.
Während der Zeitpunkte T = 32 bis 64, 96 bis 128 usw. sind
die Signale an den Eingangsanschlüssen 1P2 und 2P2 hoch,
wodurch die Signale von den Verriegelungsschaltungen 219 und
230 dagegen gesperrt werden, den Kondensatoren zugeführt zu
werden. Während dieser Zeitpunkte werden die Kondensatoren
von der Verriegelungsschaltung 226 betrieben.
Während der Zeitperioden R = 32 bis 64, 96 bis 128 usw. ist
die Schaltung elektronisch auf den Zustand umgeschaltet, der
in Fig. 12 dargestellt ist, wobei die Winkelposition der
Masse 120 am Beginn eines jeden Zyklus durch Messen der
Kapazitätsdifferenz zwischen C1A + C4A + C1B + C4B und C2A +
C3A + C2B + C3B ermittelt wird. Die Masse 120 wird dann
durch die elektrostatischen Kräfte angetrieben, in dem
geeignete Spannungen an die oberen und unteren
Kondensatorplatten angelegt werden, um die Masse in
Schwingung zu versetzen. Die Drehung um die Achse durch die
Arme 122 (X-Achse) wird beispielsweise ermittelt. Die Masse
120 wird in einer Richtung angetrieben, bis eine
vorbestimmte Kapazitätsdifferenz ermittelt wird, sodann wird
die Verriegelungsschaltung 219 getriggert, und die
Treiberspannungen an der Masse 120 werden umgekehrt, und die
Masse 120 wird in der entgegengesetzten Richtung
angetrieben, bis eine vorbestimmte Kapazität ermittelt wird.
Unter Verwendung dieses Antriebsverfahrens wird die Masse
120 um die X-Achse mit der Eigenresonanzfrequenz des Aufbaus
in Schwingung versetzt bei fester Schwingungsamplitude. Die
Masse 120 wird daher mit Resonanz betrieben, und
Corioliskräfte, die durch die Drehung des Gyroskops 26 um
die Z-Achse erzeugt werden, werden gemessen, und die Masse
120 wird im wesentlichen in ihrer zentrierten Position
gehalten, indem die Treibersignale, die den vier
Sensorkondensatorpaaren zugeführt werden, multiplexiert
werden.
Die Fig. 16 bis 20 zeigen eine Ausführungsform eines
3-Achsen-Beschleunigungsmessers 28 in detaillierter Weise.
In Fig. 16 erkennt man, daß der Beschleunigungsmesser 26 auf
einem Substrat 20 ausgebildet ist und eine erste leitfähige
Schicht 154 aufweist, die auf der planaren Oberfläche des
Substrats 20 ausgebildet ist. Eine zweite leitfähige Schicht
156 liegt auf einem zentral angeordneten Pfosten 158, der
seinerseits auf dem Substrat 20 ruht. Eine Schicht 156 liegt
über der Schicht 154 im Abstand zu dieser und ist jener
gegenüber beweglich, die nachfolgend erläutert wird. Eine
dritte leitfähige Schicht 160 ist fest im Abstand über der
zweiten Schicht 156 angeordnet. Sie wird von Säulen 162
getragen, die sich vom äußeren Rand der Schicht 160 des
Substrats 20 erstrecken. Die verschiedenen Schichten werden
durch bekannte Mikroabtragstechniken und durch die
Verwendung von Opferschichten hergestellt, wie oben
erläutert, was deshalb nicht weiter erläutert werden soll.
Fig. 17 ist eine Draufsicht auf die Schicht 156 mit den
Säulen 162, die im Schnitt dargestellt sind, um die relative
Position zu zeigen. Die Schicht 156 ist eine im wesentlichen
quadratische, planare Masse, die an den mittleren
Montagepfosten 158 mittels vier Armen 164 befestigt ist. Die
Arme 164 sind mit einem wellenförmigen mittleren Abschnitt
versehen, der eine federartige Wirkung hervorbringt, um eine
Bewegung der Schicht 156 in jeder Richtung relativ zum
Montagepfosten 158 zu ermöglichen. Die Schicht 160 enthält
vier im wesentlichen rechteckige leitfähige Platten 166, die
jeweils kegelstumpfförmige Ecken haben, um mit den im
wesentlichen gleichartig gestalteten Abschnitten der Schicht
156 übereinzustimmen. Jede der Platten 166 wirkt mit der
Schicht 156 zusammen, um einen Kondensator 167A bis 167D zu
bilden (siehe Fig. 9), und vergleichbare Platten in der
Schicht 154 wirken mit der Schicht 156 zusammen, um
Kondensatoren 168A bis 168D zu bilden (siehe Fig. 19). Zwei
der Platten 156 sind so angeordnet, daß sie die Y-Achse
definieren, während die übrigen zwei Platten 166 so
angeordnet sind, daß sie die X-Achse definieren. Die
Z-Achse, die durch die Schichten 154, 156 und 160 definiert
wird, verläuft senkrecht zur Oberfläche des Substrats 20. Es
werden somit drei zueinander senkrechte Achse definiert, und
die Kondensatoren 167A bis 167D und 168A bis 168D sind so
angeordnet, daß sie Beschleunigung längs dieser Achsen
ermitteln.
Fig. 18 zeigt eine stark vergrößerte Draufsicht auf
Abschnitte der Schicht 156 und der Platten 166 (der
Einfachheit halber 166A und 166B bezeichnet), um im Detail
die Art zu zeigen, wie sich die Kondensatoren 167B und 167D
verändern. Wenn eine Beschleunigungskraft längs der X-Achse
bewirkt, daß die Schicht 156 sich in Richtung nach oben in
Fig. 18 bewegt, dann liegt mehr von der Platte 166B über der
Schicht 156, was dazu führt, daß die Kapazität des
Kondensators 167B zunimmt. Weniger von der Platte 166D liegt
über der Schicht 156, was zur Folge hat, daß die Kapazität
des Kondensators 166D abnimmt. In gleicher Weise nehmen die
Kondensatoren 168B und 168D zwischen der Schicht 156 und der
Schicht 154 in der Kapazität zu bzw. ab. Die Kondensatoren
167B, 167D, 168B und 168D werden somit in einer
elektronischen Differenzschaltung dazu verwendet, die
Beschleunigung längs der X-Achse zu ermitteln. In gleicher
Weise werden die Kondensatoren 167A, 167C, 168A und 168C
dazu verwendet, die Beschleunigung längs der Y-Achse zu
ermitteln. Fig. 19 zeigt die Kondensatoren 167A bis 167D und
168A bis 168D, die mit einem Komparator 169 in einer
typischen Sensorschaltung verbunden sind. Der Komparator 169
vergleicht das Eingangssignal, das von den Kondensatoren
zugeführt wird, mit einem Bezugssignal, um jede
Kapazitätsänderung zu ermitteln.
Fig. 20 zeigt eine Schalter- oder Treiberschaltung 175, die
die Sensorschaltung von Fig. 19 enthält. Durch Ermittlung
der verschiedenen Kapazitätsänderungen können die folgenden
Funktionen ausgeführt werden:
Die Schalterschaltung 175 verbindet die verschiedenen
Kondensatoren in einem der oben bezeichneten gegenseitigen
Verhältnisse, um die gewünschte Messung auszuführen, und der
Komparator 169 vergleicht das Eingangssignal von den
Kondensatoren mit einem Bezugssignal. Auf diese Weise wird
die Beschleunigung längs der drei zueinander senkrechten
Achsen gemessen, die Drehbeschleunigung um zwei der Achsen
kann gemessen werden und wenigstens ein Teil des
Beschleunigungsmessers und der zugehörigen Schaltung kann
getestet werden.
Fig. 21 zeigt eine integrierte Schaltung 180, die mit einem
Mehr-Achsen-Gyroskop 24, einem Gyroskop 26 und einem
Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser 28 auf einem Substrat 20
integriert vereinigt ist. Auf dem Substrat 20 ist auch die
Schaltung angeordnet, die mit den Gyroskopen und dem
Beschleunigungsmesser verbunden ist, um Signale zu erzeugen,
die für die Drehung um die drei zueinander orthogonalen
Achsen und die Beschleunigung längs dieser drei Achsen
repräsentativ sind. Weiterhin enthält die Schaltung alle in
der Regelschleife enthaltenen Komponenten, die dazu
verwendet werden, die Schwingung zu erzeugen und die
beweglichen Teile der verschiedenen Vorrichtungen in einer
annähernd zentrierten Position zu halten. Die Schaltung
enthält auch einen oder mehrere EPROMs oder EEPROMs und eine
Schaltung zum Messen der Umgebungstemperatur des Chip, so daß
eine automatische Temperaturkalibrierung der verschiedenen
Funktionen kontinuierlich ausgeführt wird. Bei dieser
speziellen Ausführungsform enthält die Schaltung auch
Schaltkreise, die die Drehungs- und Beschleunigungsmesser
dazu verwenden, eine kontinuierliche Anzeige der Position des
Trägheitsführungssystems 22 zu liefern. Schaltungen, die
üblicherweise für die oben beschriebenen Zwecke eingesetzt
werden können, beispielsweise Mikroprozessor 30 od. dgl.,
sind ebenfalls auf dem Chip angeordnet. Das gesamte
Trägheitsführungssystem 22 kann mittels einer oberen Schicht
vergossen werden, die die oberste Schicht jedes der Gyroskope
24 und 26 und den Beschleunigungsmesser 28 enthält. Die
Vergußschicht könnte auch ein zweites Substrat sein, das
einen Hohlraum aufweist, der in die Unterseite eingeätzt ist,
um die zwei Gyroskope und den Beschleunigungsmesser darin
aufzunehmen, und die Schaltung, einschließlich des MPU 30,
könnten teilweise oder vollständig auf einer Oberfläche
derselben ausgebildet sein.
Die Integration schützt die Strukturen und Schaltungen gegen
elektrostatische Entladungen während der Handhabung und auch
gegen Funk- und andere Strahlungsstörungen. Die geringeren
Kapazitäten bedeuten auch geringere Antriebskräfte und
Stromverbräuche. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bei der
Kalibrierung der Empfindlichkeiten der verschiedenen
Funktionen bei Temperaturänderungen unter Verwendung von
E/EEPROMs im MPU mit Überwachung der Temperatur an Bord.
Claims (10)
1. Trägheitsführungssystem, gekennzeichnet durch durch eine
Gyroskopvorrichtung (24, 26), die Gyroskopausgänge um drei
zueinander orthogonale Achsen liefert, wobei die Vorrichtung
auf einem Halbleitersubstrat (20) ausgebildet ist und eine
Steuerschaltung (30) auf demselben Halbleitersubstrat
ausgebildet und elektrisch mit der Gyroskopvorrichtung
verbunden ist, um diese zu steuern und die Gyroskopausgänge
entgegenzunehmen.
2. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 1, weiterhin
gekennzeichnet durch eine Beschleunigungsmesservorrichtung
(28), die auf dem einzigen Substrat (20) ausgebildet ist und
Beschleunigungsausgänge liefert, die für die Beschleunigung
längs der drei zueinander senkrechten Achsen kennzeichnend
sind.
3. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 2, weiterhin
gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (30, 175), die
elektrisch mit der Beschleunigungsinesservorrichtung (28)
verbunden ist und auf dem einzigen Halbleitersubstrat
ausgebildet ist.
4. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesservorrichtung ein
einziger Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser (28) ist.
5. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die drei zueinander senkrechten Achsen,
längs der die Beschleunigungsinesservorrichtung
Beschleunigungsausgänge liefert, dieselben drei zueinander
senkrechten Achsen sind, um die die Gyroskopvorrichtung
Gyroskopausgänge liefert.
6. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gyroskopvorrichtung, die eine
Drehschwingungsgyroskopvorrichtung enthält, die auf dem
Substrat ausgebildet ist und Gyroskopausgänge um drei
zueinander senkrechte Achsen liefert, enthält: einen
Haltepfosten (35), der fest an einer Basis (20) angebracht ist
und eine erste Achse definiert, eine Masse (32), die in einer
Ebene senkrecht zu dem Pfosten (35) angeordnet ist, Federn
(42A, 42B), die am einen Ende mit dem Pfosten (35) verbunden
sind und am anderen Ende mit der Masse (32) verbunden sind und
die Masse (32) zur schwingenden Drehbewegung um den Pfosten
(35) halten, wobei eine Antriebsvorrichtung (45, 46, 47)
benachbart der Masse (32) angeordnet ist, um diese zu
veranlassen, sich in einer drehenden Schwingbewegung um die
erste Achse zu bewegen, und eine Sensorvorrichtung (50, 51, 52,
52) benachbart der Masse (32) angeordnet ist und zweite und
dritte zueinander und zur ersten Achse senkrechte Achsen
definieren, um die Bewegung der Masse (32) um die dritte Achse
in Abhängigkeit von der Bewegung des Gyroskops um die zweite
Achse zu ermitteln.
7. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Basis ein Substrat (20) ist, das eine
im wesentlichen flache Oberseite aufweist, und die Masse (32)
eine im wesentlichen scheibenförmige Schicht aus
Halbleitermaterial ist, die in einer Ebene parallel zu der
flachen Oberseite des Substrats und im Abstand davon angeordnet
ist.
8. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sensorvorrichtung erste Platten (50,
51) enthält, die parallel zu und benachbart der Masse (32)
angeordnet sind, um die Bewegung um die dritte Achse in
Abhängigkeit von der Bewegung des Gyroskops um die zweite Achse
zu erfassen, und zweite Platten (52, 53), die parallel zu und
benachbart der Masse (32) angeordnet sind, um die Bewegung um
die zweite Achse in Abhängigkeit von der Bewegung des Gyroskops
um die dritte Achse zu erfassen.
9. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesservorrichtung einen
Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser (28) enthält, der auf dem
Substrat angeordnet ist und mehrere Schichten leitfähigen
Materials enthält, die jeweils eine Ebene definieren und
jeweils so angeordnet sind, daß die definierten Ebenen parallel
und im Abstand zueinander verlaufen, wobei eine erste der
Schichten (154) fest montiert ist und die zweite Schicht (156)
in begrenztem Umfang relativ zur ersten Schicht (154) beweglich
gelagert ist, wobei die ersten und zweiten Schichten einen
ersten Kondensator bilden, der in Abhängigkeit von der
Beschleunigung des Beschleunigungsmessers längs einer ersten
Achse (Z) variiert, die durch die ersten und zweiten Schichten
(154, 156) definiert ist, und daß erste und zweite Strukturen
(166) als Teil der ersten und zweiten Schichten ausgebildet und
parallel übereinander angeordnet sind, wobei die zweiten
Strukturen (166) mit der zweiten Schicht relativ zur ersten
Schicht beweglich sind und die ersten und zweiten Strukturen
(166) weiterhin so ausgebildet sind, daß sie zweite und dritte
Achsen (X, Y) definieren, die zueinander und zur ersten Achse
(Z) senkrecht sind, wobei variable Kondensatoren (168A-168D)
zwischen den ersten und zweiten Strukturen ausgebildet sind,
deren Größe in Übereinstimmung mit der Beschleunigung in den
zweiten und dritten Achsen variiert.
10. Trägheitsführungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine
Temperaturmeßvorrichtung (29) und eine Schaltung (30), die mit
der Gyroskopvorrichtung (24, 26) und der
Beschleunigungsmesservorrichtung (28) zur
Temperaturkalibrierung im wesentlichen aller Funktionen der
Gyroskopvorrichtung und der Beschleunigungsmesservorrichtung
verbunden sind, enthält.
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