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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue und verbesserte Dreiachsen-Bezugssysteme und/oder
Trägheitsführungssysteme.
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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.
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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.
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WO
93/05400 A1 offenbart einen Siliziumchip, der mit Methoden der Mikromechanik
so bearbeitet wurde, dass sich mehrere Zinken radial und koplanar
von einer äußeren Umfangsfläche einer
kreisförmigen
Basis aus erstrecken. Ein Pulsgenerator legt elektrostatische oder
elektromagnetische Pulse an aufeinanderfolgende freie Enden der
mehreren Zinken so an, dass rings um den Umfang der Basis jede Zinke
für einen
Moment in der Ebene vibriert. Corioliskräfte, die bei einer Drehung
des Sensors erzeugt werden, werden gemessen. Zusätzlich können die Chips einen linearen
Beschleunigungsmesser umfassen. Drei solche Chips können entlang
dreier zueinander senkrechter Achsen an einem Siliziumwürfel befestigt
werden. Dann reagieren die drei Mikrogyros auf Drehungen um die
drei Achsen und die linearen Beschleunigungsmesser messen lineare
Verschiebungen entlang der drei Achsen.
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US 4,891,984 A offenbart
eine Beschleunigungssensorvorrichtung mit mehreren dünnen Balken
unterschiedlicher Länge.
Die Balken werden in verschiedenen Rahmen in einem Siliziumsubstrat
ausgebildet. Balken in bestimmten Rahmen sind jeweils so ausgelegt,
dass sie sich nur entlang der x-Achse, der y-Achse oder der z-Achse
biegen.
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EP 0 307 321 A1 offenbart
ein Gyrometer mit einem Sensorelement, das ein im Wesentlichen einen flachen
Wafer, der zumindest zum Teil aus einer piezoelektrischen Substanz
besteht, umfasst. Zwei Hauptflächen
des Wafers umfassen Elektroden zum Anregen einer Resonanzschwingung
des Wafers. Außerdem
umfassen die zwei Hauptflächen
Elektroden zum Detektieren von Corioliskräften, die auf den Wafer wirken,
wenn er um die zur Waferebene senkrechte Achse gedreht wird.
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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.
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Das
beschrieben 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. Zweitenes 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.
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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.
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Gyroskope
und Beschleunigungsmesser sind in Trägheitnavigationssystemen 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.
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Diese
Probleme und viele andere werden mit einem Trägheitsführungssystem nach Anspruch
1 gelöst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert.
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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;
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2 ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf das Zwei-Achsen-Drehschwingungsgyroskop von 1;
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3 bis 8 sind
Schnittdarstellungen verschiedener Schritte bei der Herstellung
des Zwei-Achsen-Drehschwingungsgyroskops von 2;
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9 ist
ein Schaltbild einer Sensor- und Steuerschaltung, die mit dem Zwei-Achsen-Gyroskop
von 2 verbunden ist, dessen Funktion in dem MPU enthalten
ist;
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10 ist
eine vergrößerte perspektivische
Darstellung des monolithischen Ein-Achsen-Schwingungsgyroskops von 1;
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11 ist eine Schnittdarstellung des Gyroskops
von 10 längs
der Linie 11-11;
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12 ist
eine Treiberschaltung für
das Gyroskop von 10;
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13 ist
eine Zentrier- und Sensorschaltung für das Gyroskop von 10;
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14 ist
eine Sensor- und Steuerschaltung für das Gyroskop von 10,
deren Funktion in dem MPU enthalten ist,
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15 zeigt
Signalverläufe
an verschiedenen Punkten in der Schaltung von 14;
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16 ist
eine vereinfachte Schnittdarstellung des Drei-Achsen-Beschleunigungsmessers
von 1, woraus die Verhältnisse der verschiedenen Komponenten
zueinander hervorgeht;
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17 ist
eine vergrößerte Draufsicht
auf den Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser von 15;
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18 ist
eine stark vergrößerte Draufsicht
auf einen Teil des in 15 dargestellten Beschleunigungsmessers;
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19 ist
eine Schaltung der Sensorvorrichtung des Beschleunigungsmessers
nach 15;
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20 ist
eine Treiberschaltung für
den Beschleunigungsmesser nach 15 mit
einer Sensorvorrichtung von 19, deren
Funktion in dem MPU enthalten ist, und
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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.
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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.
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Das
Zwei-Achsen-Gyroskop 24 ist vergrößert in Draufsicht in 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.
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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 miteiander 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.
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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.
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In
der in 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.
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In 3 bis 8 sind
die verschiedenen Schritte bei der Herstellung des Drehschwingungsgyroskops 24 dargestellt. 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 4 dargestellt.
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Gemäß 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 6 dargestellt
ist. Die Schicht 58 besteht aus demselben Material wie
die Schicht 56, so daß beide
gleichzeitig entfernt werden können.
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Gemäß 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 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.
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9 zeigt
eine Sensor- und Steuerschaltung, die elektrisch mit dem Gyroskop 24 von 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.
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Der
zentrale Pfosten 35 und der Rotor 32 des Gyroskops 24 sind
in 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 Massepotentialien 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.
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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.
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Bezugnehmend
speziell auf die 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 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.
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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.
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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 3 gezeigt) durch selektives
Niederschlagen einer dritten Halbleiterschicht über der zweiten Halbleiterschicht
oder durch Ausbilden einer üblichen
Querbrücke
ausgebildet.
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In 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.
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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.
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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 7 und 8 dargestellt
sind. In der ersten Betriebsart sind die Kondensatoren C1 bis C4
so verbunden, wie in 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 13 dargestellten
Schaltung als Rückkopplungssignal
zugeführt,
um die Masse 120 in die Mitte zu zwingen.
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14 zeigt
eine Schaltung einer Sensor- und Steuerschaltung, die mit dem Gyroskop 26 von 10 verbunden
ist und 15 zeigt Signalverläufe, die
an den verschiedenen Punkten der Schaltung gemessen werden können. Zur
Vereinfachung der Beschreibung der 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 14 dargestellt,
wobei die Signale den oberen und unteren Kondensatorplatten eines
jeden der Kondensatoren über
die gezeigte Logikschaltung zugeführt werden. Zum Zeitpunkt T
= 0 (15) sind die Kondensatoren in die in 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 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.
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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.
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Zum
Zeitpunkt T = 4, nachdem die Verstärker Zeit gehabt haben, sich
einzustellen, wird das Signal von einer Verriegelungsschaltung 219 verrigelt.
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.
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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.
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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.
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Während der
Zeitperioden R = 32 bis 64, 96 bis 128 usw. ist die Schaltung elektronisch
auf den Zustand umgeschaltet, der in 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.
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Die 16 bis 20 zeigen
eine Ausführungsform
eines 3-Achsen-Beschleunigungsmessers 28 in detaillierter
Weise. In 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.
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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 9), und vergleichbare Platten
in der Schicht 154 wirken mit der Schicht 156 zusammen,
um Kondensatoren 168A bis 168D zu bilden (siehe 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.
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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 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. 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.
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20 zeigt
eine Schalter- oder Treiberschaltung
175, die die Sensorschaltung
von
19 enthält. Durch
Ermittlung der verschiedenen Kapazitätsänderungen können die folgenden Funktionen
ausgeführt
werden:
| FUNKTION | ANGETRIEBENE
KONDENSATOREN |
| Beschleunigung
in X-Richtung | 167A
+ 168A ./. 167C + 168C |
| Beschleunigung
in Y-Richtung | 167B
+ 168B ./. 167D + 168D |
| Beschleunigung
in Z-Richtung | 167A
= 167C ./. 168A + 168C |
| Selbsttest
in Z-Richtung | 167B
= 167D oder 168B + 168D |
| Drehbeschleunigung
um X-Achse | 167B
+ 168D ./. 167D + 168B |
| Drehbeschleunigung
um Y-Achse | 167A
+ 168C ./. 168A + 167C. |
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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.
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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.
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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.