DE60032373T2

DE60032373T2 - Mikromechanisch hergestellter stimmgabelkreisel und zugehöriges dreiachsiges inertialmesssystem zur messung von drehungen ausserhalb der ebene

Info

Publication number: DE60032373T2
Application number: DE60032373T
Authority: DE
Inventors: S. Marc Needham WEINBERG; J. Jonathan Medfield BERNSTEIN; A. Gregory Somerville KIRKOS; W. Tommy Wilmington LEE; Anthony Tewksbury PETROVICH
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: HK1048659A1; CA2385873A1; EP1216397B1; EP1216397A2; AU1106501A; EP1216397A4; EP1744121A1; GB2371363B; GB0207952D0; DE60032373D1; HK1048659B; JP5123455B2; WO2001022094A3; EP1744121B1; GB2371363A; CA2385873C; US6257059B1; WO2001022094A2; JP2003510573A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese vorliegende Erfindung betrifft mikrogefertigte Stimmgabel-Gyroskope.
Die Mikrofertigung ermöglicht, dass mechanische Gyroskope und andere Vorrichtungen unter Verwendung von Gruppenfertigungsverfahren, die zur Herstellung von Halbleiterelektronik bekannt sind, konstruiert werden. Diese Verfahren führen zu Instrumenten mit kleinerer Größe, niedrigeren Kosten und größerer Zuverlässigkeit als diejenigen, die durch herkömmliche Verfahren konstruiert werden.
Mikromechanische Stimmgabel-Strukturen sind zur Verwendung als Trägheitsratensensoren bekannt. Bekannte Stimmgabel-Strukturen tasten typischerweise die Winkelrate entlang einer Achse in der Ebene mit einer planaren Hauptoberfläche eines Substrats, auf oder in dem die Vorrichtung konstruiert ist, ab. Eine solche Vorrichtung ist ein Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene, das einen Eingriffsantrieb und angetriebene Fingerelektroden oder Kämme verwendet, die zwei schwingenden Stimmgabelelementen oder festen Massen zugeordnet sind.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-195 30 007 beschreibt einen Drehzahlsensor mit zwei Stimmgabel-Gyroskopvorrichtungen in der Ebene, die mit einem mechanischen Gestänge gekoppelt sind, um verschiedene Phasenwinkel für die Gyroskope zu erzeugen, wenn sie zur Schwingung angetrieben werden. Die Gyroskope umfassen Antriebskämme und Abtastkämme, die entlang verschiedener Achsen in einer gleichen Betriebsebene arbeiten.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-44 42 033 beschreibt einen Drehratensensor, der zwei Gyroskopelemente jeweils mit einer Masse, die entlang einer ersten Richtung angetrieben wird, die die Drehrate durch Parallelverschiebung der Masse entlang einer zweiten Richtung in derselben Ebene wie der ersten Richtung abtasten, umfasst. Die Massen umfassen integrierte Sonnenstrukturen, um zur Verringerung der Größe der Gyroskope beizutragen.
Die PCT-Veröffentlichung WO-A-93 05401 beschreibt einen mikromechanischen Stimmgabel-Winkelratensensor, der zwei Massen umfasst, die zu einer Schwingung in einer ersten Richtung angetrieben werden. Die Winkeldrehung um eine zur ersten Richtung senkrechte Achse und in derselben Ebene wie die erste Richtung erzeugt eine Schwingungsbewegung oder Ablenkung einer Platte außerhalb der Ebene, die mit Abtastelementen kapazitiv gekoppelt ist.
Die europäische Patentanmeldung EP-0 795 737 beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit mit Kamm versehenen abgetasteten Bereichen in einer Masse, die entlang einer ersten Achse schwingend angetrieben wird, der die Winkelgeschwindigkeit auf der Basis einer Verschiebung entlang einer zweiten Achse in derselben Ebene wie die erste Achse abtastet. Die Antriebsstrukturen für die Schwingungsbewegung liegen in der Form von Kämmen vor und ermöglichen die Erfassung einer Bewegung außerhalb der Ebene.
Die Fertigung solcher bekannter Vorrichtungen ist ziemlich unkompliziert, wobei sie photolithographische und andere Halbleiterfertigungsverfahren beinhaltet. Aus Dämpfungs- und Kreuzkopplungsgründen können die Platten solcher bekannten Vorrichtungen mit Löchern oder Öffnungen hergestellt werden. Einige Herstellungssequenzen wie z.B. Polysilizium und Massesilizium erfordern die Löcher, um das Unterätzen zu verbessern. Solche Vorrichtungen sind jedoch bekannt und so gestaltet, dass sie nur Winkelraten abtasten, die in der Ebene der planaren Hauptoberfläche der festen Masse(n) auferlegt werden, und nicht zum Abtasten der Winkelrate um eine zur Hauptebene des Substrats senkrechte Achse. Mechanisches Befestigen und Drahtbonden zum Abtasten der Winkelrate um eine zur Hauptebene des Substrats senkrechte Achse und/oder zum Verwirklichen eines Systems mit drei Achsen aus bekannten Stimmgabel-Gyroskopkonfigurationen in der Ebene ist teuer und beschwerlich.
Andere relativ anspruchsvolle mikromechanische Konfigurationen sind zum Abtasten von Winkelraten außerhalb der Ebene bekannt. Das US-Patent Nr. 5 016 072 von Greift beschreibt eine Doppel-Kardan-Gyroskopstruktur, die Winkelraten außerhalb der Ebene abtastet. Die zum Erreichen einer solchen Doppel-Kardanstruktur erforderliche Verarbeitung ist jedoch nicht mit der Verarbeitung, die zum Erreichen der angeführten Strukturen in der Ebene erforderlich ist, kompatibel. Folglich wäre die Verwirklichung einer Trägheitsmesseinheit mit drei Achsen auf einem einzigen Chip schwierig und vielleicht kommerziell undurchführbar.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung definiert die Struktur für ein mikrogefertigtes Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene, das die Winkelrate um eine Achse abtastet, die zu einer Hauptebene des Substrats senkrecht ist, auf dem die Vorrichtung konstruiert ist. Das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene wird durch eine Verarbeitung gefertigt, die zu jener des angeführten Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene ähnlich und mit dieser kompatibel ist, was die Konstruktion eines Winkelratensensors mit drei Achsen auf einem einzigen Chip brauchbar macht.
In einem ersten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene eine Streifenkondensator-Ablesung mit zwei mit Öffnungen versehenen festen Massen und Elektroden in Form von ersten und zweiten Sätzen von Streifen, die auf einem Substrat unter (oder über) den Öffnungen in den festen Massen abgeschieden sind. Ein Kammantrieb bewirkt, dass jede feste Masse in der Hauptebene, typischerweise entgegengesetzt, schwingt. Die schwingenden festen Massen sind in einer zur Hauptebene des Substrats parallelen, jedoch von der Schwingungsachse verschiedenen Achse nachgiebig, und verschieben sich entlang der Achse in Reaktion auf eine Winkelraten- oder Beschleunigungseingabe um eine zum Substrat senkrechte Achse parallel. Wenn sich die festen Massen parallel verschieben, bedecken die Öffnungen die Elektrodenstreifen in veränderlichen relativen Graden, so dass die Kapazität zwischen den festen Massen und jedem Satz von Elektroden im Verhältnis zur differentiellen axialen Position der festen Massen und daher zur Eingangswinkelrate zunimmt und abnimmt.
Die Empfindlichkeit des Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene nähert sich jener des Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene für eine gegebene Größe der festen Massen und einen gegebenen Abstand von Resonanzfrequenzen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene einen zentralen Motor, der zur Gleichtakt-Unterdrückung einer elektrischen Kopplung, die Gyroskopfehler verursachen kann, in zwei Hälften aufgeteilt ist.
Der Mikrofertigungsprozess des Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene ist mit jenem des Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene kompatibel, so dass beide Arten der Vorrichtung auf demselben Siliziumwafer oder sogar demselben Chip hergestellt werden können. Folglich kann eine vollständige Trägheitsmesseinheit mit drei Achsen für die Rate und drei Achsen für die Beschleunigung auf einem einzigen Siliziumsubstrat aufgebaut werden.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nachstehend in der ausführlichen Beschreibung von erläuternden Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnung vollständiger dargelegt, in der gilt:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene des Standes der Technik;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein schematisches Diagramm eines Teils einer Streifenkondensator-Ablesung im Stimmgabel-Gyroskop von 2;
4–6 sind schematische Diagramme von alternativen kapazitiven Ablesungen für ein Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene, das hierin nicht beansprucht wird;
7–10 sind schematische Diagramme von weiteren Ausführungsbeispielen eines Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene, das alternative kapazitive Ablesungen von 4–6 beinhaltet;
11–14 sind schematische Diagramme von weiteren Ausführungsbeispielen eines Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene gemäß der vorliegenden Erfindung, das alternative Aufhängungskonfigurationen beinhaltet; und
15 ist eine schematische Ansicht einer Trägheitsmesseinheit mit drei Achsen, die zwei Stimmgabel-Gyroskope in der Ebene und ein Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene des Standes der Technik Schwingungselemente in Form von festen Massen 10 und Kämmen 12, 14. Die festen Massen 10 können Löcher oder Öffnungen 40 darin aufweisen, von denen nur einige in 1 der Deutlichkeit halber gezeigt sind. Die festen Massen 10 und die Kämme 12, 14 sind an einer Anordnung mit Stützelementen oder Balken 16, Gelenken 18, die die festen Massen 10 mit den Stützelementen 16 verbinden, und Gelenken 20, die die Stützelemente 16 mit einem Substrat 22 an Ankerpunkten 24 verbinden, abgestützt. Die festen Massen 10, die Stützelemente 16 und die Gelenke 18 und 20 sind als aufgehängtes Material 2 in 1 angegeben und können im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Metall, dotiertem Silizium, Silizium oder Polysilizium ausgebildet werden.
Die äußeren Kämme 14 werden mit Gleichvorspannungs- und Wechselspannungs-Antriebssignalen über Kontaktstellen 26 angeregt, um zu bewirken, dass die festen Massen 10 entlang einer Antriebsachse 30 entgegengesetzt schwingen. Wahlweise werden die äußeren Kämme 14 mit der halben mechanischen Resonanzfrequenz ohne Vorspannung oder mit zwei verschiedenen Frequenzen angetrieben.
Die inneren Kämme 12 werden verwendet, um die Schwingungsbewegung der festen Massen zur Verwendung in einer Selbstantriebs-Oszillatorschaltung, die in 1 nicht gezeigt ist, abzutasten.
Für das Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene von 1 bewirkt eine Winkelrate in der Ebene des Substrats 22 entlang einer Eingangsachse 32 Coriolis-Kräfte, die eine feste Masse 10 aufwärts und die andere abwärts entlang einer Ausgangsbewegungsachse bewegen, die zum Substrat 22 senkrecht ist. Die Bewegung jeder festen Masse 10 bewirkt eine Änderung der Kapazität zwischen der festen Masse 10 und einer entsprechenden ausgerichteten Elektrodenplatte 34L, 34R auf dem Substrat 22. Die Platten 34L, 34R werden durch Wechselspannungsabtastsignale angesteuert, die verwendet werden, um die sich ändernde Kapazität zu erfassen. Die rechte Platte 34R kann beispielsweise mit 100 kHz, Phasenwinkel 0°, angeregt werden, während die linke Platte 34L mit 100 kHz, Phasenwinkel 180°, angeregt wird. Andere Frequenzen und Gleichspannung können auch verwendet werden. Der differentielle Wechselstrom von den festen Massen 10 am Ausgangsknoten 36 ist zur Eingangswinkelrate proportional.
Die Konfiguration der Aufhängung im Stimmgabel-Gyroskop von 1, das heißt, die Dicke, Länge und Breite der Aufhängungselemente 16, 18 und 20, kann so ausgewählt werden, dass eine gewünschte Empfindlichkeit in der Ebene erreicht wird, die für beabsichtigte Verwendungen der Vorrichtung geeignet ist.
In 2 wird auf die Elemente eines Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene, die ähnlichen Elementen des Gyroskops in der Ebene von 1 entsprechen, unter Verwendung derselben Bezugsziffern Bezug genommen. Das Gyroskop von 2 verwendet eine Streifenkondensator-Ablesung anstelle der Platten 34L, 34R. Die Streifenkondensator-Ablesung umfasst Elektroden, die in gepaarten Streifen 42, 43 auf dem Substrat 22 ausgebildet sind. Die Streifen 42, 43 sind parallel zur Antriebsachse 30 unter den festen Massen 10 ausgebildet. Der Abstand oder die Distanz zwischen entsprechenden Punkten der Öffnungen 40 entlang einer Bewegungsachse 44 der festen Massen (nachstehend erörtert) ist im Wesentlichen derselbe/dieselbe wie jener) der Paare von Streifen 42, 43. Um die Empfindlichkeit zu maximieren, liegen die Kanten der Öffnungen 40 über den leitenden Streifen 42, 43, wie spezieller in 3 gezeigt ist. Die Streifen 42, 43 können durch Metallisierung auf der Substratoberfläche oder durch Diffusionsbereiche im Substrat ausgebildet werden.
Die in 2 gezeigte Struktur ist entlang einer Z-Achse 44, die zum Substrat 22 parallel ist, nachgiebig. Wie im Stimmgabel-Gyroskop des Standes der Technik von 1 können die Dicke, Länge und Breite der Aufhängungselemente 16, 18 und 20 so ausgewählt werden, dass eine gewünschte Empfindlichkeit außerhalb der Ebene erreicht wird. Eine Winkelrate um eine zum Substrat senkrechte Eingangsachse 38 bewirkt, dass sich eine feste Masse entlang +Z und die andere entlang –Z parallel verschiebt. Diese axiale Bewegung verursacht Änderungen der Kapazität zwischen den Kondensatorstreifen 42, 43 und den festen Massen 10, wenn die Öffnungen 40 die Streifen 42, 43 in veränderlichen relativen Graden bedecken. Ein Satz von Kondensatorstreifen 42 wird beispielsweise mit einer Gleichspannung und einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 bis 500 kHz mit einem Phasenwinkel von 0° und der andere Satz von Kondensatorstreifen 43 mit einem Phasenwinkel von 180° angeregt. Andere Frequenzen können auch verwendet werden. Der Satz von Kondensatorstreifen 42, 43 unterhalb einer festen Masse 10 wird auch zum Satz von Kondensatorplatten 42, 43 unterhalb der anderen festen Masse 10 entgegengesetzt angeregt. Folglich ist der vom Ausgangsknoten 36 abgetastete Strom zur differentiellen axialen Position der zwei festen Massen 10 und daher zur Eingangswinkelrate proportional. Je größer die Anzahl von Kondensatorstreifen 42, 43 ist, desto größer ist die Empfindlichkeit gegen die Eingangswinkelrate.
Ein Teil der Streifen 42, 43 kann für einen Drehmomentneuausgleich zweckgebunden sein, falls erwünscht. Der Drehmomentneuausgleich kann durchgeführt werden, wie im Stand der Technik gelehrt.
Die Empfindlichkeit des Stimmgabelgyroskops außerhalb der Ebene mit Streifenkondensator kann im Bereich von 30 bis 100 Prozent der Empfindlichkeit des Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene für eine gegebene Größe der festen Massen und einen gegebenen Abstand von Resonanzfrequenzen liegen. Unter Vernachlässigen von Randfeldern wird die Kapazität zwischen parallelen, rechteckigen Platten beschrieben durch:
wobei
C = Kapazität;
ε = Dielektrizitätskonstante;
L = Länge der Platten;
w = Breite der Platten; und
h = Spalt zwischen den Platten.
Wenn die Platten auseinander bewegt werden, ändert sich die Kapazität als:
Wenn der Spalt konstant gehalten wird und die Bewegung zur Kante w parallel ist, ist die Änderung der Kapazität mit der Verschiebung y:
Mit dem Streifenmuster wird die Empfindlichkeit mit der Anzahl von aktiven Kanten und einem Faktor von %₂ zur Berücksichtigung der Tatsache, dass die Löcher die feste Masse nicht vollständig kreuzen, und von Randfeldern multipliziert. Die Anzahl von aktiven Kanten ist 2w/L_p aus 3: Daher gilt:
wobei L_p = Mitten-Mitten-Abstand von Löchern entlang w.
Im Gyroskop-Betrieb ist die Ableseempfindlichkeit proportional zur Änderung der Kapazität und zur Anregungsspannung. Die Anregungsspannung ist zur Abwärtseinrastspannung proportional. Die Abwärtseinrastspannung ist eine Gleichspannung, die die feste Masse in die Abtastelektroden bringt und gegeben ist durch:
wobei
k_t = Federsteifigkeits-Parallelverschiebung senkrecht zur Ebene; und
A = Fläche von gegenüberliegenden Kondensatorplatten.
In einem typischen Stimmgabel-Gyroskop gilt L_p ≈ 10 μm und h ≈ 3 μm. Die gegenüberliegende Fläche für die Streifengeometrie ist 50 % von jener der normalen Kondensatoren im Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene. Aus den Gleichungen (2), (4) und (5) sollte die Empfindlichkeit der Streifenkondensator-Ablesung 45 % von jener des vorliegenden Stimmgabel-Gyroskops in der Ebene sein.
Die Breiten und Längen der Balken und Gelenke können gewählt werden, um die axiale Nachgiebigkeit zu optimieren, so dass sich die Resonanz der Abtastbewegung jener des Stimmgabelantriebs nähert. Die Resonanzen sowohl der Abtastung als auch des Antriebs sind von der Dicke der festen Masse und der Balken unabhängig (wenn alle dieselbe Dicke aufweisen). Diese Unabhängigkeit könnte die Anpassung der Abtast- und Antriebsachsen-Resonanzfrequenzen im Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene leichter machen als im Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene. Da sich die Vorrichtungsbearbeitung verbessert hat, wurden dickere Balken und Gelenke möglich, so dass sich die Empfindlichkeit des Gyroskops außerhalb der Ebene jener des Gyroskops in der Ebene nähern oder diese sogar übersteigen kann.
In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel beinhaltet das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene einen Doppelfunktionsantrieb, der in Eingriff stehende Fingerelektroden oder Kämme 50, 52 für sowohl den Antrieb als auch die Winkelratenerfassung verwendet, was den Bedarf für Kondensatorplatten, die unterhalb der festen Massen 10 angeordnet sind, vermeidet. Dieser Doppelfunktionsantrieb ist schematisch in 4 dargestellt. Feste Kämme 50, 52 sind in Paaren angeordnet, wobei die Kämme in jedem Paar voneinander elektrisch isoliert sind. Ein Kamm 50 von jedem Paar wird mit einem Träger, beispielsweise mit 100 KHz in einem Phasenwinkel von 0°, angeregt. Der andere Kamm 52 von jedem Paar wird mit einem Träger mit einer Phase von 180° angeregt. Andere Frequenzen und Gleichspannung können auch verwendet werden. Wie gezeigt, sind die äußeren oder 180°-Kämme 52 jeweils an einer langen Fußplatte 54 befestigt. Die inneren oder 0°-Kämme 50 sind jeweils an dem Substrat 22 an Verankerungen 51 in einem Raum 56 befestigt, der zwischen der langen Fußplatte 54 und zwei 180°-Kämmen 52 festgelegt ist. Der Phasenwinkel der Kämme könnte umgekehrt werden, falls erwünscht, so dass die 180°-Kämme die inneren Kämme bilden. Die elektrische Verbindung mit den inneren Kämmen 50 kann durch eine leitende Zuleitung 58 unterhalb der äußeren Kämme 52 bewerkstelligt werden. Die Herausführung der inneren Kämme kann auch zu den Kämmen parallel sein und unter der langen Fußplatte 54 kreuzen.
Die Kämme 60, die sich von der festen Masse 10 erstrecken, liegen zwischen jedem Zahn von einem Paar der festen Kämme 50, 52. Eine Winkelrate um die außerhalb der Ebene liegende oder Eingangsachse 38 bewirkt, dass sich die feste Masse 10 axial entlang der Achse 44 bewegt, wie vorstehend beschrieben. Diese axiale Bewegung verändert den Abstand und folglich die Kapazität zwischen dem Kamm 60 der festen Masse und den festen Kämmen 50, 52, so dass der durch den Ausgangsknoten 36 der festen Masse (in 2 gezeigt) fließende Strom zur Eingangswinkelrate proportional ist.
Die Kämme 50, 52 können mit einer Vorspannung und Spannung mit der Antriebsachsenresonanz angetrieben werden, um die doppelten Funktionen der Antriebs- und Abtastoperation zu erfüllen. Durch Anlegen einer Gleichvorspannung und einer Wechselspannung mit einer Frequenz von 100 kHz können die Kämme ebenso die Antriebsachsenbewegung anregen und die Abtastachsenverschiebung erfassen. Die Kämme können auch segmentiert sein, so dass einige nur für die Ratenerfassung verwendet werden, während andere nur für den Antrieb oder die Antriebsabtastung verwendet werden.
Die Doppelfunktionskämme 50, 52 von 4 können auch in einer "differentiellen" Betriebsart verwendet werden, in der beide Kämme verwendet werden, um die Verschiebung entlang der Bewegungsachse 44 abzutasten. Dieses Ablesen wird mit Polysiliziumablagerungen mit Opferätzen verwendet, die haltbare Verankerungen mit kleiner Fläche bieten.
Die 5 und 6 zeigen alternative Strukturen für die Abtastkämme in einem Gyroskop wie dem von 4. Das beispielhafte Ausführungsbeispiel von 5 besitzt Spalte 73 und 75 mit ungleicher Größe zwischen jedem Zahn eines festen Kamms 53, der am Substrat 22 befestigt ist, und den zwei benachbarten Zähnen eines Kamms 60 einer festen Masse. Ebenso besitzt das beispielhafte Ausführungsbeispiel von 6 Spalte 73' und 75' mit ungleicher Größe zwischen jedem festen Zahn 55 und den zwei benachbarten Streifen eines leiterartigen Kamms 60' der festen Masse. Die Zähne 55 sind durch eine leitende Zuleitung 58 verbunden. Typischerweise werden der feste Kamm 53 oder die festen Zähne 55 durch ein Gleichspannungs- oder Wechselspannungssignal angetrieben.
7 zeigt ein Stimmgabel-Gyroskop unter Verwendung der Abtastkämme von 4. Doppelte Kämme 50L, 52L und 50R, 52R sind innerhalb Öffnungen 80 und 82 in den festen Massen 10 ausgebildet. Die Kämme 60 sind in den festen Massen 10 zwischen den Öffnungen 80 und 82 ausgebildet. Die Kämme 50L und 50R sind am Substrat an Verankerungen 51 befestigt und die Kämme 52L und 52R sind am Substrat an Verankerungen 54 befestigt. Die Kämme 50L und 52L werden mit positiven Spannungen vorgespannt und die Kämme 50R und 52R werden mit negativen Spannungen vorgespannt oder umgekehrt.
Wie auch in 7 gezeigt, kann der zentrale oder innere Motor in zwei Teile 90L und 90R aufgeteilt sein. Die Aufteilung kann entweder vertikal, wie gezeigt, oder horizontal (d.h. wobei vertikal getrennte Motorabschnitte erzeugt werden, wobei jeder Abschnitt beide festen Massen 10 antreibt) sein. Die Kämme 92L, 92R des inneren Motors, die mit den Kämmen 12 der festen Massen in Eingriff stehen, tasten die Bewegung der angetriebenen festen Masse 10 ab. Die inneren Kämme 92L und 92R werden mit Gleichspannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen und mit derselben Amplitude vorgespannt. Ein integrierender Differenzverstärker 93 tastet das Signal über den aufgeteilten Motorteilen 90L und 90R ab. Wenn die festen Massen 10 parallel zu den Kämmen 92L und 92R angetrieben werden, fließt ein elektrischer Strom in die und aus den inneren Kämmen 92L und 92R. Der integrierende Differenzverstärker 93 tastet das Spannungssignal mit niedriger Impedanz, das zu den Positionen der festen Massen proportional ist und vom elektrischen Stromfluss erzeugt wird, ab. Die vielmehr aufgeteilten als festen, inneren Kämme 92L, 92R ermöglichen die Verwendung von separaten Vorspannungen mit entgegengesetzter Polarität, die zu einer elektrischen Antisymmetrie zwischen den Motorteilen 90L und 90R führt. Diese Antisymmetrie verursacht, dass jegliches Gleichtaktsignal, das Gyroskopfehler verursachen kann, durch die differentielle Wirkung des integrierenden Verstärkers 93 unterdrückt wird.
Die 8–10 zeigen zusätzliche alternative Weisen zum Konfigurieren der Abtastkämme. Die 8 und 9 verwenden die Struktur von 5 mit ungleichem Spalt. In 8 befinden sich die Abtastkämme vollständig innerhalb der Grenzen der festen Massen 10, wohingegen in 9 zusätzliche Abtastkämme auch außerhalb der Grenzen der festen Massen 10 angeordnet sind. 10 zeigt eine Variation der internen Kamm-Zahn-Struktur von 6.
Eine alternative Aufhängungskonfiguration für sowohl das Streifenkondensator-Ablesegyroskop von 2 als auch das Doppelfunktionskamm-Gyroskop von 7 ist schematisch in 11 dargestellt. In der dargestellten Konfiguration sind zwei Querbalken 70 am Substrat 22 an Verankerungen 72 befestigt. Die festen Massen 10 sind an den Balken 70 durch Gelenke 76 aufgehängt. Andere Aufhängungsformen sind auch möglich. Außerdem kann die Anzahl von Zuleitungen und Bondkontaktstellen von den Abtastkämmen variieren. Obwohl beispielsweise vier Bondkontaktstellen in 7 gezeigt sind, könnte eine separate Bondkontaktstelle für jede Reihe von Abtastkämmen, das heißt acht Bondkontaktstellen, verwendet werden. In einer weiteren Option können alle Kämme mit positiver Spannung mit einer Abtastkontaktstelle verbunden sein; zwei, drei oder vier Kontaktstellen könnten für die negativen Kämme verwendet werden. Diese Optionen sehen eine Kompensation gegen eine Quadratur vor und ermöglichen eine kontinuierliche Schutzebene unterhalb der festen Masse.
Die 12–14 zeigen alternative Aufhängungskonfigurationen für Gyroskope außerhalb der Ebene. Die 12 und 13 zeigen ein Viertel einer vollständigen Struktur mit einer festen Masse und Federn und 14 zeigt eine vollständige Struktur. In dem Gyroskop von 14 sind die an der festen Masse 10 befestigten Gelenke in länglichen Ausschnitten angeordnet und an den festen Massen 10 im innersten Bereich des Ausschnitts befestigt. Diese Konfiguration führt zu einer flächeneffizienten Konstruktion.
Ein Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene kann als einzelner Sensor oder in Kombination mit zwei Stimmgabel-Gyroskopen in der Ebene als Trägheitsmesseinheit mit drei Achsen für Kraftfahrzeug-, Militär, medizinische und Computerspiel-Anwendungen verwendet werden. Die hierin dargestellten Stimmgabel-Gyroskope außerhalb der Ebene können durch denselben Prozess hergestellt werden, der für das Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene des Standes der Technik von 1 verwendet wird. Folglich kann eine Trägheitsmesseinheit mit drei Achsen aus einem einzelnen Wafer oder auf einem einzelnen Chip konstruiert werden, wie schematisch in 15 gezeigt ist. Die Vorrichtungen können beispielsweise gemäß einem Prozess mit aufgelöstem Wafer, verschiedenen Silizium-auf-Isolator- (SOI) Prozessen oder durch einen Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Polysiliziumprozess hergestellt werden. Die Herstellung über Ätzen von Massesilizium ist auch möglich.
Für Fachleute wird ersichtlich sein, dass eine Modifikation an und eine Veränderung der vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen möglich sind, ohne von den hierin offenbarten Erfindungskonzepten abzuweichen. Folglich sollte die Erfindung als nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche begrenzt betrachtet werden.

Claims

Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur mit: einem Substrat (22), das eine Hauptebene festlegt; einer ersten und einer zweiten festen Masse (10), die durch das Substrat (22) abgestützt sind, wobei die festen Massen (10) in einer Weise abgestützt sind, die eine angetriebene Schwingung der festen Massen (10) in entgegengesetzten Richtungen entlang einer zur Hauptebene parallelen ersten Achse (30) ermöglicht und auch eine Parallelverschiebung der festen Massen (10) entlang einer zur Hauptebene parallelen zweiten Achse (44), die unterschiedlich zur ersten Achse (30) orientiert ist, ermöglicht, wobei die Parallelverschiebung in Reaktion auf eine Winkeleingabe in Bezug auf eine Achse (38) aus der Hauptebene stattfindet, wenn die festen Massen (10) entlang der ersten Achse (30) schwingend angetrieben werden, wobei jede feste Masse (10) Öffnungen (40) umfasst, die beim Abtasten einer Bewegung der festen Masse (10) entlang der zweiten Achse (44) verwendet werden; einer Antriebsstruktur in elektrischer Verbindung mit den festen Massen (10), um zu bewirken, dass die festen Massen (10) entlang der ersten Achse (30) schwingen, während eine Bewegung entlang der zweiten Achse (44) ermöglicht wird, wobei die Antriebsstruktur einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Kamm umfasst, die entlang der ersten Achse (30) angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Kamm (14) zusammenwirken, um die Schwingung der festen Massen (10) in entgegengesetzten Richtungen entlang der ersten Achse (30) zu induzieren, wobei der dritte und der vierte Abtastkamm (12) zum Abtasten einer axialen Bewegung der festen Massen (10) entlang der ersten Achse (30) wirksam sind; und Abtastelektroden (42, 43, 50, 52, 55), die durch das Substrat abgestützt sind, wobei die Abtastelektroden (42, 43, 50, 52, 55) in einer beabstandeten Beziehung zu den Öffnungen (40) der festen Massen (10) liegen und gemeinsam mit diesen konfiguriert sind, um jeweilige Kapazitäten mit diesen herzustellen, die sich mit der axialen Bewegung der festen Massen (10) entlang der zweiten Achse (44) ändern, wobei die Abtastelektroden (42, 43, 50, 52, 55) und die festen Massen (10) ferner dazu ausgelegt sind, die Erfassung einer differentiellen Änderung der Kapazitäten in Reaktion auf eine differentielle axiale Bewegung der festen Massen (10) entlang der zweiten Achse (44) zu ermöglichen.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die Abtastelektroden parallele Streifen (42, 43), die durch das Substrat (22) abgestützt sind, gegenüber den festen Massen (10) umfassen, wobei sich die Streifen (42, 43) parallel zur ersten Achse (30) erstrecken.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 2, wobei jede der festen Massen (10) eine Vielzahl von Öffnungen (40) aufweist, die durch diese hindurch angeordnet sind, und wobei die Streifen (42, 43) in Paaren angeordnet sind, wobei einer der Streifen von jedem Paar in Bezug auf den anderen der Streifen von jedem Paar um 180° phasenverschoben elektrisch anregbar ist.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 3, wobei die Paare von Streifen (42, 43) einen ersten Abstand aufweisen und die Öffnungen (40) einen zweiten Abstand, der im Wesentlichen gleich dem ersten Abstand ist, aufweisen.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 3, wobei die Kanten der Öffnungen (40) über den Streifen (42, 43) von jedem Paar von Streifen (42, 43) liegen.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die festen Massen (10) auf dem Substrat (22) durch eine Aufhängung abgestützt sind, die umfasst: zwei Balken (16), wobei die Balken (16) auf entgegengesetzten Seiten der festen Massen (10) angeordnet sind, erste Biegeelemente (20), die die Balken (16) mit Verankerungen (24) am Substrat (22) verbinden; und zweite Biegeelemente (18), die die festen Massen (10) mit den Balken (16) verbinden.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die festen Massen (10) auf dem Substrat (22) durch eine Aufhängung abgestützt sind, die umfasst: zwei Balken, wobei die Balken am Substrat auf entgegengesetzten Seiten der festen Massen verankert sind; und Biegeelemente, die die festen Massen (10) mit den Balken verbinden.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die festen Massen (10) am Substrat (22) durch eine Aufhängung abgestützt sind, die Biegeelemente umfasst, die innerhalb entsprechender Ausschnitte in den festen Massen angeordnet sind, wobei jedes Biegeelement an der entsprechenden festen Masse in einem innersten Bereich des Ausschnitts angebracht ist, in dem das Biegeelement angeordnet ist.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die festen Massen nebeneinander angeordnet sind, und wobei die festen Massen am Substrat durch eine Aufhängung abgestützt sind, die im Wesentlichen identische Biegeelemente umfasst, die an jeder festen Masse befestigt sind, wobei die Biegeelemente an den Oberseiten und Unterseiten der festen Massen angeordnet sind und an entsprechenden Verankerungen am Substrat an den Oberseiten und Unterseiten der festen Massen befestigt sind.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die zweite Achse (44) zur ersten Achse (30) senkrecht ist.
Mikrogefertigte Stimmgabelstruktur nach Anspruch 1, wobei die Achse (38) außerhalb der Ebene zur Hauptebene senkrecht ist.
Trägheitsmesssystem mit: einem Substrat (22), das eine Hauptebene definiert; einem ersten Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene, das durch das Substrat abgestützt ist und das umfasst: eine erste und eine zweite feste Masse, die für eine Schwingungsbewegung entlang einer zur Hauptebene parallelen ersten Achse und für eine Drehung um eine zur ersten Achse senkrechte zweite Achse aufgehängt sind, eine erste Antriebsstruktur in elektrischer Verbindung mit der ersten und der zweiten festen Masse, um eine Schwingung derselben entlang der ersten Achse zu bewirken und die Schwingung entlang der ersten Achse abzutasten, und eine erste Sensorstruktur, die angeordnet ist, um die Drehung der ersten und der zweiten festen Masse um die zweite Achse abzutasten; einem zweiten Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene, das durch das Substrat abgestützt ist und in einem Winkel in Bezug auf das erste Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene orientiert ist und umfasst: eine dritte und eine vierte feste Masse, die für eine Schwingungsbewegung entlang einer zur Hauptebene parallelen und zur ersten Achse senkrechten dritten Achse und für eine Drehung um eine zur dritten Achse senkrechte vierte Achse aufgehängt sind, eine zweite Antriebsstruktur in elektrischer Verbindung mit der dritten und der vierten festen Masse, um eine Schwingung entlang der dritten Achse zu bewirken und die Schwingung entlang der dritten Achse abzutasten, und eine zweite Sensorstruktur, die angeordnet ist, um die Drehung der dritten und der vierten festen Masse um die vierte Achse abzutasten; und einem Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene, das durch das Substrat abgestützt ist und umfasst: eine fünfte und eine sechste feste Masse, die für eine Schwingungsbewegung entlang einer zur Hauptebene parallelen fünften Achse und für eine Parallelverschiebung entlang einer zur Hauptebene parallelen und bezüglich der fünften Achse abgewinkelten sechsten Achse aufgehängt sind, eine dritte Antriebsstruktur in elektrischer Verbindung mit der fünften und der sechsten festen Masse, um eine Schwingung entlang der fünften Achse zu bewirken und die Schwingung entlang der fünften Achse abzutasten, und eine dritte Sensorstruktur, die angeordnet ist, um die Parallelverschiebung der fünften und der sechsten festen Masse entlang der sechsten Achse abzutasten.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei die dritte Sensorstruktur des Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene umfasst: Abtastelektroden, die durch das Substrat abgestützt sind, wobei die Abtastelektroden in Paaren vorgesehen sind, wobei die Elektroden von jedem Paar um 180° zueinander phasenverschoben elektrisch angesteuert werden; und Elektroden, die sich von der fünften und der sechsten festen Masse erstrecken, wobei jede sich erstreckende Elektrode so angeordnet ist, dass sie zwischen den Elektroden eines zugehörigen der Paare von Abtastelektroden in Eingriff steht.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei die dritte Sensorstruktur des Stimmgabel-Gyroskops außerhalb der Ebene umfasst: Abtastelektroden mit parallelen Streifen, die durch das Substrat gegenüber den ersten und zweiten festen Massen abgestützt sind und in Paaren angeordnet sind, die sich parallel zur fünften Achse erstrecken, wobei ein Streifen von jedem Paar in Bezug auf den anderen der Streifen von jedem Paar um 180° phasenverschoben elektrisch anregbar ist; und Öffnungen, die durch die fünfte und die sechste feste Masse hindurch angeordnet sind, wobei Kanten der Öffnungen so angeordnet sind, dass sie über den Streifen jedes Paars liegen.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei die erste, die zweite und die dritte Antriebsstruktur jeweils einen Kammantrieb umfassen, der erste angesteuerte Elektroden, die sich von einer zugehörigen der ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten festen Massen erstrecken, und zweite Ansteuerelektroden, die sich vom Substrat erstrecken und mit den ersten angesteuerten Elektroden in Eingriff stehen, umfasst.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei das erste Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene, das zweite Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene und das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene auf einem einzelnen Wafer vorgesehen sind.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei das erste Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene, das zweite Stimmgabel-Gyroskop in der Ebene und das Stimmgabel-Gyroskop außerhalb der Ebene auf einem einzelnen Chip vorgesehen sind.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 12, wobei die Frequenz der Schwingung der ersten und der zweiten festen Masse entlang der ersten Achse von der Frequenz der Schwingung der dritten und der vierten festen Masse entlang der dritten Achse ausreichend verschieden ist und beide dieser Schwingungsfrequenzen von der Frequenz der Schwingung der fünften und der sechsten festen Masse entlang der sechsten Achse ausreichend verschieden sind, so dass ein Nebensprechen zwischen den drei Gyroskopen im Wesentlichen vermieden wird.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 18, wobei die Differenz der jeweiligen Schwingungsfrequenzen an einer Differenz zwischen der Masse der ersten und der zweiten festen Masse und der Masse der fünften und der sechsten festen Masse liegt.
Trägheitsmesssystem nach Anspruch 18, wobei die Differenz der jeweiligen Schwingungsfrequenzen an einer Differenz zwischen der Federkonstante der Aufhängung für die erste und die zweite feste Masse und der Federkonstante für die Aufhängung der dritten und der vierten festen Masse und der Federkonstante für die Aufhängung der fünften und der sechsten festen Masse liegt.