DE60221103T2 - Aus Halbleitermaterial hergestellter integrierter Kreisel mit wenigstens einer empfindlichen Achse in der Sensorebene - Google Patents

Aus Halbleitermaterial hergestellter integrierter Kreisel mit wenigstens einer empfindlichen Achse in der Sensorebene Download PDF

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DE60221103T2 DE2002621103 DE60221103T DE60221103T2 DE 60221103 T2 DE60221103 T2 DE 60221103T2 DE 2002621103 DE2002621103 DE 2002621103 DE 60221103 T DE60221103 T DE 60221103T DE 60221103 T2 DE60221103 T2 DE 60221103T2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
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    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein integriertes Gyroskop aus Halbleitermaterial.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die US-A-6,349,597 offenbart ein integriertes Gyroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gyroskop zu schaffen, welches die Einschränkungen der vorhergehenden Lösungen bewältigt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein integriertes Gyroskop aus Halbleitermaterial vorgesehen, wie in Anspruch 1 definiert ist.
  • 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:
  • 1 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform von oben mit einer einzigen sensitiven Achse ist;
  • 2 einen Abschnitt des Gyroskops aus 1 in einem vergrößerten Maßstab darstellt;
  • 3 ein Querschnitt entlang der Linie III-III aus 1 ist;
  • 4 ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV aus 2 ist;
  • 5 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung von oben mit einer einzigen sensitiven Achse ist;
  • 6 eine schematische Darstellung in perspektivischer Ansicht eines Details aus 5 ist;
  • 7 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung von oben mit einer doppelten sensitiven Achse ist;
  • 8 ein Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII aus 7 ist, und
  • 9 ein Querschnitt entlang der Linie IX-IX aus 7 ist.
  • 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.
  • Der Beschleunigungssensor 23 reagiert empfindlich auf eine Winkelgeschwindigkeit, die parallel zu der Achse Y ausgerichtet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 5 stellt eine Ausführungsform eines Gyroskops 40 dar, welches ein differenziertes Lesen der Winkelgeschwindigkeit liefert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 13 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (14)

  1. Integriertes Gyroskop (1; 40; 50), das einen Beschleunigungssensor (23) aufweist, welcher aufweist: eine Antriebsanordnung (16); zumindest eine sensitive Masse (6; 42a, 42b), die sich in zumindest einer ersten Richtung (X) und zumindest einer zweiten Richtung (Y) erstreckt, wobei die sensitive Masse durch die Antriebsanordnung 16 in der ersten Richtung (X) bewegt wird; eine kapazitive Messelektrode (20; 48a, 48b), die der sensitiven Masse zugewandt ist; wobei der Beschleunigungssensor (23) eine Drehachse (A) parallel zu der zweiten Richtung (Y) aufweist und die sensitive Masse (6; 42a, 42b) empfindlich auf Kräfte reagiert, die in einer dritten Richtung (Z) senkrecht zu der ersten Richtung und der zweiten Richtung wirken, wobei die kapazitive Messelektrode (20; 48a, 48b) zumindest einen Bereich leitfähigen Materials aufweist, der sich unterhalb und in einem Abstand in der dritten Richtung von der sensitiven Masse (6; 42a, 42b) erstreckt, und die Antriebsanordnung (16) ein mit der sensitiven Masse (6; 42a, 42b) durch eine mechanische Verbindung (24; 46a, 46b) verbundenes Antriebselement (5) aufweist, welches zumindest an einem Teil der sensitiven Masse eine Bewegung ermöglicht, die eine Komponente in der dritten Richtung (Z) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (5) eine offene konkave Form aufweist, die die sensitive Masse (6) teilweise umgibt, und die sensitive Masse (6) einen peripheren Abschnitt aufweist, der dem Antriebselement nicht zugewandt ist.
  2. Gyroskop gemäß Anspruch 1, wobei die sensitive Masse (6) parallel zu der dritten Richtung (Z) verrückt werden kann.
  3. Gyroskop gemäß Anspruch 1, wobei die sensitive Masse (6) und die kapazitive Messelektrode (20) eine gegenseitig zugewandte Fläche aufweisen, die in Gegenwart von Bewegungen der sensitiven Masse in der ersten Richtung (X) und/oder in der zweiten Richtung (Y) konstant ist.
  4. Gyroskop gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die sensitive Masse (6) und die kapazitive Messelektrode (20) eine rechteckige Form aufweisen, wobei eine erste (6) von der sensitiven Masse und der kapazitiven Messelektrode eine Länge (l2) in der ersten Richtung (X) größer als die der anderen (20) von der sensitiven Masse und der kapazitiven Messelektrode aufweist, und wobei eine zweite (20) von der sensitiven Masse und der kapazitiven Messelektrode eine Länge (L1) in der zweiten Richtung (Y) größer als die der anderen (6) von der sensitiven Masse und der kapazitiven Messelektrode aufweist.
  5. Gyroskop gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner bewegliche Messelektroden (18) aufweist, die sich von dem peripheren Abschnitt der sensitiven Masse (6) in der ersten Richtung (X) erstrecken, wobei die beweglichen Messelektroden kammfingrig zu ortsfesten Messelektroden (19a, 19b) zum Erfassen von Bewegungen der sensitiven Masse (6) in der zweiten Richtung (Y) sind.
  6. Gyroskop gemäß Anspruch 1, wobei sich die zumindest eine sensitive Masse (42a) um eine exzentrische Achse (46a) parallel zu der zweiten Richtung (Y) drehen kann.
  7. Gyroskop gemäß Anspruch 6, wobei die zumindest eine sensitive Masse (42a) einen ersten Schwerpunkt (G3) aufweist und die mechanische Verbindung ein erstes Paar Stützarme (46a) aufweist, die zueinander fluchtend sind und die exzentrische Achse definieren, wobei sich die Stützarme (46a) des ersten Paares zwischen dem Antriebselement (5) und der zumindest einen sensitiven Masse (42a) exzentrisch bezüglich des ersten Schwerpunkts erstrecken.
  8. Gyroskop gemäß Anspruch 7, wobei das Antriebselement (5) E-förmig ist und einen ersten Schwingarm (7) und einen zweiten Schwingarm (8) und einen Zwischenarm (45) aufweist, die sich parallel zu der ersten Richtung (X) erstrecken, wobei sich die zumindest eine sensitive Masse (42a) zwischen dem ersten Schwingarm (7) und dem Zwischenarm (45) erstreckt, wobei sich eine zweite sensitive Masse (42b), die einen zweiten Schwerpunkt (G3) aufweist und durch ein zweites Paar Stützarme (46b) abgestützt wird, zwischen dem zweiten Schwingarm (8) und dem Zwischenarm (45) erstreckt, wobei sich die Stützarme (46b) des zweiten Paares exzentrisch bezüglich des zweiten Schwerpunkts erstrecken.
  9. Gyroskop gemäß Anspruch 8, wobei die Stützarme (46b) des zweiten Paares nichtfluchtend bezüglich der Stützarme (46a) des ersten Paares sind.
  10. Gyroskop gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die zumindest eine sensitive Masse (42a) und die zweite sensitive Masse (42b) eine hauptsächlich rechteckige Form haben und einen ersten Abschnitt (43a), der kleiner ist, und einen zweiten Abschnitt (43b), der größer ist, die an entgegengesetzten Seiten bezüglich der jeweiligen Stützarme (46a, 46b) angeordnet sind, aufweisen, und wobei eine Differential-Messelektrode (48a, 48b) einem jeweiligen von dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der zumindest einen sensitiven Masse (42a) und der zweiten sensitiven Masse (42b) gegenüberliegt.
  11. Gyroskop gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antriebselement (5) und die sensitive Masse (6; 42a, 42b) in einer selben Strukturschicht (29) gebildet sind.
  12. Gyroskop gemäß Anspruch 11, wobei sich das Antriebselement (5) und die sensitive Masse (6; 42a, 42b) oben auf einem Körper leitfähigen Materials (30) erstrecken und von diesem durch einen Luftspalt (35) mit Abstand angeordnet sind und die kapazitive Messelektrode (20; 48a, 48b) durch einen Halbleitermaterial-Bereich gebildet ist, der sich oben auf dem Körper leitfähigen Materials (30) erstreckt und von diesem isoliert ist, wobei sich der Halbleitermaterial-Bereich unterhalb des Luftspalts erstreckt.
  13. Gyroskop gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebsanordnung (16) ferner eine Mehrzahl beweglicher Antriebselektroden (13) aufweist, die sich von dem Antriebselement (5) und kammfingrig zu einer Mehrzahl ortsfester Antriebselektroden (15a, 15b) erstrecken.
  14. Gyroskop gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, das zwei durch Mittelfedern (3) verbundene symmetrische Teile (2a, 2b) aufweist und jedes eine eigene Antriebsanordnung (16), eine eigene sensitive Masse (6; 42a, 42b) und eine eigene kapazitive Messelektrode (20; 48a, 48b) aufweist.
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