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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein integriertes Gyroskop aus Halbleitermaterial.
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Wie
bekannt ist, arbeiten integrierte Gyroskope aus Halbleitermaterial,
die mittels MEMS (mikroelektromechanische Systeme) Technologie hergestellt
werden, auf der Basis des Lehrsatzes von Relativbeschleunigungen,
der die Coriolisbeschleunigung nutzt. Insbesondere „fühlt", wenn eine Lineargeschwindigkeit
auf eine bewegliche Masse ausgeübt
wird, die sich mit Winkelgeschwindigkeit dreht, die bewegliche Masse
eine Scheinkraft, die Corioliskraft genannt wird, welche deren Verschiebung
in einer Richtung senkrecht zu der Lineargeschwindigkeit und zu
der Drehachse bestimmt. Die Scheinkraft kann daher durch Abstützen der
beweglichen Masse mittels Federn erfasst werden, welche deren Verschiebung
in der Richtung der Scheinkraft ermöglichen. Auf der Basis des
Hookeschen Gesetzes ist diese Verschiebung proportional zu der Scheinkraft selbst,
und daher ermöglicht
die Erfassung der Verschiebung der beweglichen Masse eine Erfassung der
Corioliskraft und somit der Winkelgeschwindigkeit.
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Bei
Gyroskopen der in Betracht gezogenen Art wird die Verschiebung der
beweglichen Masse kapazitiv erfasst, indem bei Resonanz die Variationen
der Kapazität
gemessen werden, die durch die Bewegung der beweglichen Messelektroden
verursacht werden, die einstückig
an der beweglichen Masse befestigt und mit ortsfesten Messelektroden verbunden
oder kammfingrig zu diesen sind.
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Beispiele
einer Ausführungsform
von integrierten Gyroskopen, die mittels MEMS-Technologie hergestellt
werden, sind zum Beispiel in den
US 5,604,312 ,
US 5,275,047 und
WO 97/15066 im Namen von
Robert Bosch GmbH, und in den
US 5,955,668 ,
WO 99/19734 und
WO 00/29855 im Namen von
IRVINE SENSORS CORPORATION beschrieben. Jedoch bietet das obige
Gyroskop einige Nachteile.
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Zum
Beispiel beschreibt die
US 5,604,302 ein
Gyroskop, das durch eine schwingende Masse und eine sensitive Masse
gebildet wird, die auf das Antriebselement montiert werden. Dieses
bekannte Gyroskop bedingt einen komplizierten Herstellungsprozess,
welcher zwei unterschiedliche strukturelle Schichten benutzt, mit
daraus folgenden hohen Herstellungskosten, geringer Zuverlässigkeit,
Kompliziertheit der Ausrichtung zwischen den Beschleunigungsmessern
und den schwingenden Massen, und Kompliziertheit in den Verbindungen.
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Die
US 5,955,668 und
WO 99/19734 bieten eine äußere schwingende
Masse, die mit einer inneren sensitiven Masse verbunden ist, d.h.
zwei unabhängige
mechanische Teile, welche entsprechend kalibriert werden können. Jedoch
reagiert im Falle des Gyroskops in Kreisform (in dem Patent
US 5,955,668 beschrieben)
die Struktur empfindlich auf Spannungen infolge der Herstellungsschritte
und auf thermisches Driften, da die Tragfedern des Messelements
innerhalb der äußeren schwingenden
Masse in der Richtung der Achse der Winkelgeschwindigkeit sehr starr
sind, und es ist nicht möglich,
das Messelement zentral zu verankern, sofern das Gyroskop die Geschwindigkeit
einer Anzahl von Achsen gleichzeitig „fühlen" würde
und unbrauchbar werden würde. Stattdessen
ist für
das Gyroskop in Rechteckform (in dem Patent
WO 99/19734 beschrieben) das System nicht
optimiert, da es Tragfedern benutzt, welche unerwünschte Drehbeeinflussungen
bedingen; darüber hinaus
ermöglicht
das beschriebene Gyroskop keine Unterdrückung von Linearbeschleunigungen.
In jedem Falle, jedoch insbesondere im Falle eines umsetzbaren Gyroskops,
sind zahlreiche Verbindungen vorhanden, welche unter der Masse verlaufen,
und die Verbindungen sind ziemlich lang, mit dem Risiko von kapazitiven
Kopplungen mit den Messstrukturen und somit von falschem oder ungenauem
Ablesen.
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Ferner
beschreibt die
europäische Patentanmeldung
01830277.8 , eingereicht am 27. April 2001, die der
EP-A-1 253 399 entspricht,
ein integriertes Gyroskop mit einem Sensor, der durch ein Antriebssystem
gebildet wird, einer sensitiven Masse und einer mechanischen Verbindung.
Das Antriebssystem wird durch ein Antriebselement mit einer offenen
konkaven Form gebildet und wird einer Lineargeschwindigkeit unterzogen,
die in einer ersten Richtung ausgerichtet ist. Die sensitive Masse
ist auch in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung beweglich
und trägt
bewegliche Messelektroden. Die mechanische Verbindung verbindet
die Antriebselemente mit der sensitiven Masse. Das Gyroskop reagiert
empfindlich auf Drehung um eine dritte Achse senkrecht zu den beiden
vorhergehenden und zu der Ebene der sensitiven Masse. Die sensitive
Masse ist an drei Seiten von dem Antriebselement umgeben und weist
einen peripheren Abschnitt auf, der dem letzteren nicht zugewandt
ist. Die beweglichen Messelektroden erstrecken sich von dem peripheren
Abschnitt der sensitiven Masse, die dem Antriebselement nicht zugewandt
ist, und sind kammfingrig zu den ortsfesten Messelektroden. Dadurch
gibt es keine elektrische Durchkontaktierungen, die sich unter der
sensitiven Masse erstrecken. Außerdem
wird die mechanische Verbindung durch Federn gebildet, die in gleichen
Abständen
in Bezug auf den Schwerpunkt der sensitiven Masse angeordnet sind,
und das Gyroskop ist an dem Substrat mittels Ankerfedern verankert,
die in gleichen Abständen
in Bezug auf den Schwerpunkt des Ensembles angeordnet sind, das durch
das Antriebssystem und die sensitive Masse gebildet wird.
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Dieses
vorhergehende Gyroskop ermöglicht eine
Erfassung der Corioliskraft, die parallel zu der zweiten Richtung
in der Sensorebene und infolge einer Drehung um eine sich in der
dritten Richtung erstreckende Achse (nachfolgend als „sensitive
Achse" bezeichnet)
senkrecht zu der Sensorebene wirkt. Durch Einrichten zweier Gyroskope
eines in Bezug auf das andere um 90° gedreht an einer geeigneten Platte
ist es möglich,
die Scheinkräfte,
die entlang zweier kartesischer Achsen parallel zu der Ebene des
Gyroskops wirken, und somit die entsprechenden Winkelbeschleunigungen
zu erfassen. Es ist jedoch nicht möglich, die Scheinkraft und
die entsprechende Winkelbeschleunigung entlang der dritten kartesischen
Achse zu erfassen, da in diesem Falle das dritte Gyroskop senkrecht
zu der Platte montiert sein sollte.
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Die
US-A-6,349,597 offenbart
ein integriertes Gyroskop gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gyroskop zu schaffen,
welches die Einschränkungen
der vorhergehenden Lösungen
bewältigt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein integriertes Gyroskop aus Halbleitermaterial vorgesehen,
wie in Anspruch 1 definiert ist.
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Für ein Verständnis der
vorliegenden Erfindung werden nun deren bevorzugte Ausführungsformen
bloß anhand
eines nicht beschränkenden
Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
Draufsicht der ersten Ausführungsform
von oben mit einer einzigen sensitiven Achse ist;
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2 einen
Abschnitt des Gyroskops aus 1 in einem
vergrößerten Maßstab darstellt;
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3 ein
Querschnitt entlang der Linie III-III aus 1 ist;
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4 ein
Querschnitt entlang der Linie IV-IV aus 2 ist;
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5 eine
Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung von oben mit einer einzigen sensitiven Achse ist;
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6 eine
schematische Darstellung in perspektivischer Ansicht eines Details
aus 5 ist;
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7 eine
Draufsicht einer dritten Ausführungsform
der Erfindung von oben mit einer doppelten sensitiven Achse ist;
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8 ein
Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII aus 7 ist, und
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9 ein
Querschnitt entlang der Linie IX-IX aus 7 ist.
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Die 1 bis 3 stellen
ein Gyroskop 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dar. Wie in 1 ausführlich gezeigt,
weist das Gyroskop 1 einen Beschleunigungssensor 23 auf,
der durch zwei Teile 2a, 2b gebildet wird, welche
in Bezug auf eine mit A bezeichnete mittlere Symmetrieachse symmetrisch
und durch zwei Mittelfedern 3 miteinander verbunden sind,
die derart konfiguriert sind, dass sie in Bezug auf eine mit B bezeichnete horizontale
Schwerpunktachse symmetrisch sind. Darüber hinaus hat jedes Teil 2a, 2b eine
vertikale Schwerpunktachse, die mit C bezeichnet ist. Die Achsen
A und C sind parallel zu der Achse Y, während die Achse B parallel
zu der Achse X ist. Der Schnittpunkt zwischen der horizontalen Schwerpunktachse B
und der vertikalen Schwerpunktachse C bildet den Schwerpunkt G1
jedes Teils 2a, 2b.
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Der
Beschleunigungssensor 23 reagiert empfindlich auf eine
Winkelgeschwindigkeit, die parallel zu der Achse Y ausgerichtet
ist.
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Jedes
Teil 2a, 2b weist ein Antriebselement 5 in
konkaver Form, hier eine viereckige C-Form, und eine sensitive Masse 6 auf,
die vollständig
an der Innenseite des von dem Antriebselement 5 begrenzten Raumes
untergebracht ist, jedoch einen peripheren Abschnitt aufweist, der
dem Antriebselement 5 selbst nicht zugewandt ist. Sowohl
das Antriebselement 5 als auch die sensitive Masse 6 sind
perforiert, wie nur teilweise in 2 gezeigt
ist.
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Jedes
Antriebselement 5 wird durch einen ersten und einen zweiten
Schwingarm 7, 8 gebildet, welche parallel zueinander
sind und an dem einen Ende mit einem mittleren Querträger 9 verbunden sind,
der sich senkrecht zu den Schwingarmen 7, 8 erstreckt.
Die beiden Querträger 9 der
Teile 2a, 2b erstrecken sich parallel zueinander,
sind einander zugewandt und sind mit den Mittelfedern 3 verbunden. Die
ersten Schwingarme 7 sind zueinander ausgerichtet, wie
es auch die zweiten Schwingarme 8 sind.
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Ankerfedern 10 erstrecken
sich von jedem Ende der Schwingarme 7, 8 in Richtung
zu der Außenseite
der jeweiligen Antriebselemente 5. Die Ankerfedern 10,
welche deutlicher in dem Ausschnitt von 2 zu sehen
sind, sind von einem gefalteten Typ, d.h. sie weisen zumindest zwei
nichtfluchtende Abschnitte auf, von denen einer mit dem jeweiligen Antriebselement 5 verbunden
ist und einer ein Ankerende 11 aufweist, das an einem ortsfesten
Substrat befestigt ist (wie nachfolgend mit Bezug auf 3 ausführlicher
beschrieben ist). Die Ankerfedern 10 sind gleich und sind
paarweise symmetrisch in Bezug auf die vertikale Schwerpunktachse
C und die horizontale Schwerpunktachse B, so dass die Ankerfedern 10 in
gleichen Abständen
voneinander und in Bezug auf den Schwerpunkt G1 des jeweiligen Teils 2a, 2b des
Gyroskops ausgeglichen sind. Die Ankerfedern 10 bestehen
hier aus vier Abschnitten, die sich senkrecht zu den Armen 7, 8 erstrecken
und paarweise an ihren Enden mit kurzen Verbindungsabschnitten verbunden
sind.
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Langgestreckte
Erweiterungen, nachfolgend als bewegliche Antriebsarme 12 bezeichnet,
erstrecken sich in Richtung zu der Außenseite der Schwingarme 7, 8 senkrecht
zu den Armen zwischen Paaren der Ankerfedern 10 symmetrisch
in Bezug auf sowohl die horizontale Schwerpunktachse B als auch
die vertikale Schwerpunktachse C. Jeder bewegliche Antriebsarm 12 trägt eine
Mehrzahl von beweglichen Antriebselektroden 13, die sich
von jeder Seite der jeweiligen beweglichen Antriebsarme 12 senkrecht
erstrecken.
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Jedem
beweglichen Antriebsarm 12 ist ein erster und ein zweiter
ortsfester Antriebsarm 14a, 14b (siehe 2)
zugeordnet, welche parallel zu den beweglichen Antriebsarmen 12 sind
und jeweilige ortsfeste Antriebselektroden 15a, 15b tragen.
Die ortsfesten Antriebselektroden 15a, 15b erstrecken sich
senkrecht zu den ortsfesten Antriebsarmen 14a, 14b in
Richtung zu den jeweiligen beweglichen Antriebsarmen 12 und
sind kammfingrig zu den beweglichen Antriebselektroden 13.
Die ersten ortsfesten Antriebsarme 14a sind alle an einer
gleichen Seite der jeweiligen beweglichen Antriebsarme 12 (in
dem Beispiel an der rechten Seite) angeordnet und sind alle mit
einem gleichen ersten Potential vorgespannt. Gleichermaßen sind
die zweiten ortsfesten Antriebsarme 14b alle an der anderen
Seite der jeweiligen beweglichen Antriebsarme 12 (in dem
Beispiel an der linken Seite) angeordnet und sind alle mit einem
gleichen zweiten Potential vorgespannt. Zum Beispiel ist es möglich, ein
Druck-Zug-Vorspannschema zu verwendet.
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Das
Antriebselement 5, die beweglichen Antriebsarme 12,
die beweglichen Antriebselektroden 13, die ortsfesten Antriebsarme 14a, 14b und
die ortsfesten Antriebselektroden 15a, 15b bilden
zusammen ein Antriebssystem 16 für jedes Teil 2a, 2b.
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Die
sensitive Masse 6 hat eine im Wesentlichen ebene Form mit
der Haupterstreckung in der Richtung der Achsen X und Y. In dem
dargestellten Beispiel ist jede sensitive Masse 6 rechteckig
in der Form mit der Länge
l1 in der Richtung Y, der Breite l2 in der Richtung X und mit einem
Schwerpunkt G2, und ist an drei Seiten von dem jeweiligen Antriebselement 5 umgeben.
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Vier
Kupplungsfedern 24 (siehe auch 2) erstrecken
sich vor allem parallel zu den Schwingarmen 7, 8 und
sind derart konfiguriert, dass sie die sensitive Masse 6 mit
dem Antriebselement 5 in einer Richtung parallel zu der
Achse X starr verbinden, um eine begrenzte Bewegung der sensitiven
Masse 6 in dem Fall der Aufbringung einer Kraft in der
Richtung parallel zu der Achse Y zu ermöglichen, wie nachfolgend erläutert ist,
und um deren Verschiebung in einer Richtung parallel zu der Achse
Z unter der Wirkung der Scheinkraft infolge der Coriolisbeschleunigung
zu ermöglichen.
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Unterhalb
jeder sensitiven Masse 6 erstreckt sich eine Messelektrode 20 aus
aufgetragenem, dotierten polykristallinen Silizium (zum Beispiel
Polysilizium, das durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung
LPCVD aufgetragen wird), wobei der Umfang der Messelektrode 20 durch
eine gestrichelte Linie in 1 dargestellt
ist.
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Wie
aus 3 zu sehen ist, ist jede sensitive Masse 6 durch
einen Luftspalt 35, der durch Entfernen eines Opfermaterials,
wie eines abgeschiedenen Oxids, erzielt wird, von der jeweiligen
Messelektrode 20 getrennt. Die sensitive Masse 6 und
die Messelektrode 20 bilden daher die Platten eines Kondensators 22 (durch
gestrichelte Linien in 3 dargestellt), dessen Dielektrikum
durch den Luftspalt 35 gebildet wird.
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Jede
Messelektrode 20 in rechteckiger Form hat eine Länge L1 in
der Richtung Y, die größer als die
Länge l1
ist, und eine Breite L2 in der Richtung X, die kleiner als die Länge l2 der
jeweiligen sensitiven Masse 6 ist. Insbesondere überschreitet
die Länge L1
der Messelektrode 20 die Länge l1 der sensitiven Masse 6 um
einen Betrag derart, dass irgendeine Verschiebung in der Richtung
Y der sensitiven Masse 6 (infolge von Kräften, die
in dieser Richtung wirken) den gegenüberliegenden Bereich zwischen
der sensitiven Masse 6 und der Messelektrode 20 nicht
reduziert. Außerdem
ist die Breite L2 der Messelektrode 20 kleiner als die
Breite l2 der sensitiven Masse 6 um einen Betrag derart,
dass irgendeine Verschiebung der letzteren in der Richtung X (infolge
des Antriebssystems 16 und/oder anderer Kräfte, die
in dieser Richtung wirken) den gegenüberliegenden Bereich zwischen
der sensitiven Masse 6 und der Messelektrode 20 nicht
reduziert. Auf diese Weise ändert
sich die kapazitive Kopplung zwischen der sensitiven Masse 6 und
der Messelektrode 20 nicht im Anschluss an Bewegungen in
den Richtungen X und Y; stattdessen ändert sie die Bewegungen entlang
der Achse Z, wie unten beschrieben ist.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch das Gyroskop 1. Wie angemerkt werden
kann, ist die sensitive Masse 6 (wie auch das Antriebselement 5,
die Federn 10, 24, die beweglichen Antriebsarme 12 und die
ortsfesten Antriebsarme 14a, 14b) in einer strukturellen
Schicht ausgebildet, die hier durch eine epitaktische Schicht 29 gebildet
wird, die an der Oberseite eines Substrats 30 aus monokristallinem
Silizium ausgebildet ist. Die Messelektrode 20 ist an der Oberseite
einer isolierenden Schicht 31, zum Beispiel einer abgeschiedenen
Oxidschicht, ausgebildet, welche wiederum an der Oberseite des Substrats 30 ausgebildet
ist.
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4 zeigt
den Querschnitt des Gyroskops 1 an dem einen Ankerende 11 einer
Ankerfeder 10. Insbesondere weist das Ankerende 11 an
der Unterseite einen reduzierten Abschnitt 11a auf, der über und
in direktem elektrischen Kontakt mit einem ersten Verbindungsabschnitt 33 aus
leitfähigem
Material liegt, der in der Schicht aus polykristallinem Silizium der
Messelektrode 20 ausgebildet und durch eine gestrichelte
Linie in 1 angezeigt ist. Der erste Verbindungsabschnitt 33 ermöglicht das
Vorspannen der Ankerfeder 10 und allgemeiner des Antriebselements 5 und
der sensitiven Masse 6 mit dem gewünschten Potential. 4 zeigt
auch die nicht entfernten Abschnitte 32 einer Opferschicht,
welche, wo sie entfernt ist, den Luftspalt 35 bildet. In 4 erstrecken sich
die isolierende Schicht 31 und die Opferschicht 32 nur
unterhalb des Ankerendes 11 und wurden unterhalb der beweglichen
Teile (hier die Ankerfeder 10) entfernt. Ähnliche
Lösungen
der Verbindung werden für
die ortsfesten Antriebselemente 14a, 14b verwendet,
wo jedoch der Opferbereich 22 nicht generell entfernt ist.
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Das
Gyroskop 1 ist in der Lage, die Größe der Winkelgeschwindigkeit
zu erfassen, welche eine Drehung des Gyroskops um die Achse Y und
daher in der Ebene der sensitiven Masse 6 bewirkt. In dieser
Situation ist in der Tat, wie zuvor erläutert ist, die Corioliskraft
entlang der Achse Z ausgerichtet und bewirkt eine Verschiebung der
sensitiven Masse 6 in derselben Richtung. Da die Kapazität des Kondensators 22,
der durch die sensitive Masse 6 und durch die Messelektrode 20 gebildet
wird, in einer bekannten Weise von dem Abstand zwischen den Platten abhängt, ist
eine spezielle Betriebsschaltung (nicht gezeigt) in der Lage, die
Variation der Kapazität
zu erfassen und die Größe der Winkelgeschwindigkeit
zu finden.
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Wegen
der oben beschriebenen Bemessung der sensitiven Masse 6 und
der Messelektrode 20 ist es darüber hinaus möglich, irgendwelche
Beschleunigungen oder Kräfte
auszuschließen,
die in der Ebene der sensitiven Masse 6 und parallel zu
der Achse Y liegen. In der Tat bestimmen, wie angezeigt, die in der
Richtung Y wirkenden Kräfte
keine Modifikation des gegenüberliegenden
Bereichs zwischen den Platten des Kondensators 22 und daher
dessen Kapazität,
und werden von der zu dem Gyroskop 1 gehörigen Schaltung
nicht gefühlt.
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Auf
diese Weise, wenn zwei Gyroskope 1 des oben beschriebenen
Typs in einem einzigen Chip verfügbar
sind, wobei die beiden Gyroskope um 90° gedreht sind (das eine mit
Antriebsrichtung parallel zu der Achse X und das andere mit Antriebsrichtung parallel
zu der Achse Y) und daher zwei sensitive Achsen in der Ebene der
sensitiven Masse 6 haben, jedoch um 90° in Bezug zueinander versetzt
sind, und wenn darüber
hinaus ein Gyroskop eines bekannten Typs in demselben Chip verfügbar ist,
wobei dieses Gyroskop eine sensitive Achse senkrecht zu der Ebene der
sensitiven Masse 6 hat, ist es mit einer einzigen Vorrichtung
möglich,
die Winkelgeschwindigkeiten entlang aller drei karthesischen Achsen
zu erfassen.
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Das
Gyroskop 1 hat eine hohe Empfindlichkeit wegen dem großen gegenüberliegenden
Bereich zwischen der sensitiven Masse 6 und der Messelektrode 20 und
liefert eine Ausgabe eines unsymmetrischen Typs.
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5 stellt
eine Ausführungsform
eines Gyroskops 40 dar, welches ein differenziertes Lesen
der Winkelgeschwindigkeit liefert.
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Das
Gyroskop 40 aus 5 weist noch ein Antriebssystem 16 des
mit Bezug auf 1 beschriebenen Typs auf, jedoch
ist jedes Antriebselement 5 hier E-förmig und ist mit zwei nach
außen
gerichteten Aushöhlungen 41a, 41b versehen.
In der Praxis weist jedes Antriebselement 5 zusätzlich zu den
Schwingarmen 7, 8 und dem mittleren Querträger 9 einen
Zwischenarm 45 auf, der sich parallel zu der Achse X erstreckt.
Jedes Antriebselement 5 ist auch hier durch eine Ankerfeder 10 eines
gefalteten Typs abgestützt
und vorgespannt, wobei die Federn ein Ankerende 11 haben
und symmetrisch in Bezug auf die vertikale Schwerpunktachse C angeordnet sind.
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Eine
sensitive Masse 42a, 42b ist an der Innenseite
jeder Aushöhlung 41a, 41b angeordnet,
hat eine im Allgemeinen rechteckige Form und ist in einer exzentrischen
Weise abgestützt.
Im Einzelnen wird jede sensitive Masse 42a, 42b durch
einen ersten kleineren rechteckigen Abschnitt 43a und einen
zweiten größeren rechteckigen
Abschnitt 43b gebildet, wobei diese Abschnitte durch einen
schmalen Abschnitt 44 miteinander verbunden sind. Jede
sensitive Masse 42a, 42b hat einen eigenen Schwerpunkt G3.
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Die
sensitive Masse 42a ist durch zwei Stützarme 46a abgestützt, die
sich parallel zu dem Querträger 9 von
dem schmalen Abschnitt 44 in Richtung zu dem Schwingarm 7 und
in Richtung zu dem Zwischenarm 45 erstrecken. Gleichermaßen ist
die sensitive Masse 42b durch zwei Stützarme 46b abgestützt, die
sich parallel zu dem Querträger 9 von
dem schmalen Abschnitt 44 in Richtung zu dem Schwingarm 8 und
in Richtung zu dem Zwischenarm 45 erstrecken. Die Stützarme 46a und 46b bilden
Torsionsfedern.
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Die
Stützarme 46a jeder
sensitiven Masse 42a sind fluchtend zueinander, wie es
die Schwingarme 46b jeder sensitiven Masse 42b sind,
jedoch sind in jedem Teil 2a, 2b die Stützarme 46a der
sensitiven Masse 42a nichtfluchtend bezüglich der Stützarme 46b der
sensitiven Masse 42b. Alle Stützarme 46a, 46b erstrecken
sich in einem Abstand von dem Schwerpunkt G3 der jeweiligen sensitiven
Masse 42a, 42b. Auch hier sind die aufgehängten Massen 42a, 42b der
beiden Teile 2a, 2b des Gyroskops 40 symmetrisch
in Bezug auf die mittlere Symmetrieachse A angeordnet.
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Entsprechende
Messelektroden 48a, 48b erstrecken sich unterhalb
jedes Abschnitts 43a, 43b der vier aufgehängten Massen 42a, 42b.
Im Einzelnen sind die Messelektroden 48a den kleineren
Abschnitten 43a zugewandt, und die Messelektroden 48b sind
den größeren Abschnitten 43b zugewandt. Auch
hier werden die Messelektroden 48a, 48b durch eine
polykristalline Siliziumschicht gebildet, die durch einen Luftspalt
von dem jeweiligen Abschnitt 43a, 43b getrennt
ist, und sind mit einer Betriebsschaltung (nicht gezeigt) verbunden.
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Bei
dem Gyroskop 40 aus 5 bestimmt, wie
in 6 dargestellt ist, die an dem Schwerpunkt G3 jeder
sensitiven Masse 42a, 42b wirkende Corioliskraft
F entgegengesetzte Drehungen der aufgehängten Massen 42a, 42b,
die mit demselben Antriebselement 5 verbunden sind, da
sie den Schwerpunkt G3 an entgegengesetzten Seiten in Bezug die jeweiligen
Stützelemente 46a, 46b haben.
Diese Drehung bestimmt eine entgegengesetzte Variation der Kapazität der Kondensatoren,
die durch jeden Abschnitt 43a, 43b der aufgehängten Massen 42a, 42b und
die jeweilige Messelektrode 46a, 46b gebildet
werden.
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Mit
der beschriebenen Struktur ist es möglich, den Einfluss von äußeren Momenten
auszuschließen,
die an den aufgehängten
Massen 42a, 42b wirken. In der Tat hat, wie in
dem vereinfachten Diagramm aus 6 gezeigt
und wie oben erläutert ist,
das von der Corioliskraft F erzeugte Moment, das mit M1 bezeichnet
ist, denselben Wert, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen, in
den beiden Beschleunigungsmessern 42a, 42b, die
von demselben Antriebselement 5 getragen werden. Stattdessen wirkt
ein mögliches äußeres Moment,
das mit M2 bezeichnet ist, in einer übereinstimmenden Richtung an den
beiden aufgehängten
Massen 42a, 42b.
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Folglich
wird durch Subtrahieren der durch die Messelektroden 48a, 48b jedes
Teils 2a, 2b des Gyroskops 40 gelieferten
Signale voneinander die Wirkung infolge des äußeren Moments M2 aufgehoben,
während
die Wirkung infolge der Corioliskraft summiert wird. Auf diese Weise
ist es möglich,
die Größe der Winkelgeschwindigkeit
in der Richtung Y zu bestimmen, was das Geräusch infolge äußerer Momente
ausschließt.
Außerdem
wird ein symmetrischeres Lesen erreicht, welches einen nicht unbedeutenden
Vorteil während
des Kalibrierens und Abgleichens der Messresonanzfrequenzen schafft.
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Das
in 5 dargestellte Gyroskop 40 ist weniger
empfindlich als das Gyroskop 1 aus 1, da die
Variation der Kapazität
infolge der Drehung der aufgehängten
Massen 42a, 42b geringer als die Variation ist,
die infolge der Verschiebung in der Richtung Z der aufgehängten Massen 6 angesichts
derselben äußeren Kraft
F erreicht werden kann. Das Gyroskop 40 ist jedoch weniger
einer elektrostatischen Anziehung infolge mechanischer Stöße ausgesetzt.
In der Tat kann es bei dem Gyroskop aus 1 wegen
der Vorspannung der Antriebselemente 5 und der Messelektroden 20 vorkommen,
dass im Anschluss an einen mechanischen Stoß die Antriebselemente 5 mit
den jeweiligen Messelektroden 20 zusammenhängen und
durch diese angezogen bleiben, wobei dies durch den großen gegenüberliegenden
Bereich erleichtert wird. Stattdessen bewirkt bei dem Gyroskop 40 ein
möglicher
mechanischer Stoß, wie
ihn eine Drehung der aufgehängten
Massen 42a, 42b bewirken könnte, nicht generell einen
Zustand des „Festhaltens" angesichts dessen,
dass in diesem Falle jede sensitive Masse 42a, 42b die
jeweilige Messelektrode 48a, 48b nur entlang eines
Randes anstelle der gesamten Fläche
berührt.
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7 stellt
eine Ausführungsform
des Gyroskops 50 mit einer doppelten sensitiven Achse dar. Insbesondere
weist das Gyroskop 50 eine erste sensitive Achse, die sich
in der Ebene der sensitiven Masse 6 parallel zu der Achse
Y wie in der Ausführungsform
aus 1 erstreckt, und eine zweite sensitive Achse auf,
die sich in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der sensitiven
Masse 6 und parallel zu der Achse Z erstreckt.
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Das
Gyroskop 50 hat eine Grundstruktur wie die des Gyroskops 1 aus 1,
mit Ausnahme der Tatsache, dass sich in jedem Teil 2a, 2b bewegliche Messelektroden 18 von
der Seite der sensitiven Masse 6 nach außen gerichtet
parallel zu den Schwingarmen 7, 8 erstrecken.
Die beweglichen Messelektroden 18 sind kammfingrig zu den
ortsfesten Messelektroden 19a, 19b. Im Einzelnen
ist jede bewegliche Messelektrode 18 zwischen einer ortsfesten
Messelektrode 19a und einer ortsfesten Messelektrode 19b angeordnet.
Die ortsfesten Messelektroden 19a sind alle an einer ersten
Seite der beweglichen Messelektroden 18 angeordnet und
sind an ihren äußeren Enden
durch einen ersten Ankerbereich 51 elektrisch miteinander
verbunden. Die ortsfesten Messelektroden 19b sind alle
an einer zweiten Seite der beweglichen Messelektroden 18 angeordnet
und sind durch jeweilige zweite Ankerbereiche 21 elektrisch
miteinander verbunden, die an ihren äußeren Enden ausgebildet sind
und durch einen zweiten Verbindungsbereich 55, der durch
eine gestrichelte Linie in 7 gezeigt
und in 8 dargestellt ist, miteinander verbunden sind.
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Die
ortsfesten Messelektroden 19a, 19b bilden mit
den beweglichen Messelektroden 18 Kondensatoren, deren
Kapazität
in bekannter Weise von dem Abstand zwischen ihnen abhängig ist.
Folglich bewirkt irgendeine Verschiebung in der Richtung Y der sensitiven
Masse 6 eine Variation eines entgegengesetzten Vorzeichens
in den Spannungen der ortsfesten Messelektroden 19a und 19b,
welches in bekannter Weise von einer geeigneten Schaltung (nicht
gezeigt) erfasst und verarbeitet wird.
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8 ist
eine Querschnittsansicht durch das Gyroskop in dem zweiten Ankerbereich 21 der
ortsfesten Messelektroden 19b. Hier weisen die zweiten Ankerabschnitte 21,
welche in derselben strukturellen Schicht wie die Ankerfedern 10,
d.h. in der epitaktischen Schicht 29 ausgebildet sind,
an der Unterseite einen durch die epitaktische Schicht 29 selbst
gebildeten reduzierten Abschnitt 21a auf, welcher über und
in direktem elektrischen Kontakt mit dem zweiten Verbindungsbereich 55 liegt,
der in derselben Schicht wie die Messelektroden 20 ausgebildet
ist. Der zweite Verbindungsbereich 55 ist an der Oberseite
der isolierenden Schicht 31 und unterhalb der Opferschicht 32 ausgebildet,
von welcher nur einige Abschnitte sichtbar sind, die übrig geblieben
sind, nachdem die beweglichen Teile des Gyroskops 50 freigegeben
wurden. Der Querschnitt aus 8 zeigt
auch die ortsfesten Messelektroden 19a, und in einer Ebene,
die in Bezug auf die Querschnittsebene zurückgesetzt ist, die beweglichen
Messelektroden 18, die mit einer gestrichelten Linie gezeichnet
sind.
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9 ist
ein Querschnitt durch das Gyroskop 50 entlang einer ortsfesten
Messelektrode 19a. Wie angemerkt werden kann, ist der erste
Ankerbereich 51 in der epitaktischen Schicht 29 ausgebildet und
weist an der Unterseite einen durch die epitaktische Schicht 29 gebildeten
reduzierten Abschnitt 51a auf, welcher über und in direktem elektrischen
Kontakt mit einem dritten Verbindungsbereich 37 aus leitfähigem Material
liegt, der in derselben Schicht wie die Messelektroden 20 und
der zweite (Polysilizium) Verbindungsbereich 55 an der
Oberseite der isolierenden Schicht 31 und unterhalb der
Opferschicht 32 ausgebildet ist.
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Das
Gyroskop 50 aus den 7 bis 9 ist in
der Lage, Kräfte
zu erfassen, die in der Richtung Z (sensitive Achse parallel zu
der Achse Y) wirken, wie mit Bezug auf 1 beschrieben
wurde. Außerdem ist
das Gyroskop in der Lage, Kräfte
zu erfassen, die in der Richtung der Achse Y (sensitive Achse parallel zu
der Achse Z) wirken, sofern irgendeine Verschiebung in der Richtung
Y als eine Variation in der Kapazität zwischen den beweglichen
Messelektroden 18 und den ortsfesten Messelektroden 19a, 19b erfasst wird.
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Bei
dem Gyroskop 50 ist es möglich, die Wirkungen von Kräften oder
von deren Komponenten, die in den drei Richtungen wirken, zu unterscheiden. Tatsächlich werden
die Verschiebungen in der Richtung X (infolge von Antriebs- oder äußeren Kräften) durch
die Messelektroden 20 nicht erfasst, wie mit Bezug auf 1 erwähnt ist,
und bewirken dieselbe kapazitive Variation an den ortsfesten Messelektroden 19a und 19b und
können
daher verworfen werden. Die Verschiebungen entlang der Achse Y werden
durch die Messelektroden 20 nicht erfasst, wie zuvor mit
Bezug auf die Ausführungsform
aus 1 erwähnt
ist, werden jedoch durch die ortsfesten Elektroden 19a und 19b erfasst,
wie oben erläutert
ist. Die Verschiebungen entlang der Achse Z werden durch die Messelektroden 20 erfasst,
wie zuvor mit Bezug auf die 1–3 erwähnt ist.
Ihre Wirkung auf die ortsfesten Messelektroden 19a und 19b kann
stattdessen verworfen werden, da sie dieselbe kapazitive Variation
in Bezug auf die beweglichen Messelektroden 18 wie für die Verschiebungen
in der Richtung X erfassen.
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Die
Vorteile des beschriebenen Gyroskops sind die Folgenden. Erstens
ist es möglich,
in einer einzigen Ebene die sensitiven Elemente zu haben, die in
der Lage sind, Kräfte
zu erfassen, die in drei kartesischen Achsen wirken, was eine Reduzierung der
Gesamtabmessungen eines dreiachsigen Gyroskops ermöglicht.
Der Vorteil ist umso größer im Falle der
dritten Ausführungsform,
wo ein einziger Sensor 23 in der Lage ist, Kräfte zu messen,
die in zwei senkrechte Richtungen wirken, und daher sind nur zwei Sensoren
für eine
dreidimensionale Messung notwendig. Die Kompaktheit der Sensoren
und die Reduzierung ihrer Anzahl ermöglicht eine weitere Reduzierung
der Kosten für
die Herstellung des Gyroskops.
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Jeder
Sensor 23 und jeder Sensorsatz reagiert darüber hinaus
nur auf Kräfte
empfindlich, die in den jeweiligen Richtungen wirken, und weist
Aktionen in einer senkrechten Richtung ab. Daher wird eine hohe
Messgenauigkeit erreicht. Die Messgenauigkeit kann sogar durch Gestalten
der Dicke der verschiedenen Schichten weiter erhöht werden, um verschiedene
Empfindlichkeitsgrade in den unterschiedlichen Richtungen insbesondere
in der dritten Ausführungsform
zu bestimmen.
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Die
erste und die dritte Ausführungsform
haben eine hohe Empfindlichkeit und sind daher im Falle von geringen
Winkelgeschwindigkeiten besonders geeignet; stattdessen ermöglicht die
zweite Ausführungsform,
wie zuvor erwähnt,
die Verwendung einer einfacheren Schaltung und macht es möglich, das
Risiko von elektrostatischer Anziehung zu vermeiden.
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Schließlich ist
es klar, dass an dem hierin beschriebenen und darstellten Gyroskop
zahlreiche Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, die
alle in den Bereich der Erfindung fallen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist.