DE69320207T2

DE69320207T2 - Dreiachsenmessaufnehmer für drehgeschwindigkeit und beschleunigung

Info

Publication number: DE69320207T2
Application number: DE69320207T
Authority: DE
Inventors: Rand H. Ii Redmond Wa 98052 Hulsing
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: EP0674767B1; JPH08504275A; DE69332294T2; DE69331850T2; EP0845675B1; WO1994014076A1; EP0845675A2; EP0674767A1; DE69332294D1; EP0845676A3; DE69331850D1; CA2151232A1; EP0845676B1; EP0845676A2; US5396797A; DE69320207D1; EP0845675A3

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft mikrostrukturierte Vorrichtungen, die zum Messen von Winkeldrehrate und Beschleunigung verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Dreiachsen-Winkeldrehraten- und Beschleunigungssensor zum Einsatz in Trägheitsmeßeinheiten, die etwa aus einem einzelnen Substrat mikrostrukturiert werden.

BEZUG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Es wird auf die folgenden eigenen Patente Bezug genommen:
1) US 5241861 mit dem Titel "Monolithic Accelerometer" [Monolithischer Beschleunigungsmesser], eingereicht am 6. Juli 1989 auf den Namen Brian L. Norling;
2) US 5005413 mit dem Titel "Accelerometer with Co-Planar Push-Pull Force Transducers" [Beschleunigungsmesser mit coplanaren Gegentakt-Kraftwandlern], eingereicht am 17. Februar 1989 auf den Namen Mitch Novack;
3) US 5168756 mit dem Titel "Coriolis Inertial Rate and Acceleration Sensor" (Coriolis-Trägheitsraten- und Beschleunigungssensor), eingereicht auf den Namen Rand H. Hulsing II;
4) US 5111964 mit dem Titel "Torque Coil Stress Isolator" [Drehmomentspulen-Belastungsisolator], eingereicht auf den Namen S. Foote.
5) EP 0570521 mit dem Titel "mikrostrukturierter Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensor".

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Trägheitsmeßeinheiten (TME) sind für den richtigen Betrieb von Trägheitsnavigations- und Führungssystemen kritisch. Derartige Systeme werden an Bord von Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen usw. verwendet.
Bei einer typischen TME wird ein Cluster aus drei Beschleunigungsmessern und drei Kreiseln, die an einer stoßisolierten Struktur befestigt sind, verwendet. Mit den drei Beschleunigungsmessern wird die lineare Beschleunigung gemessen, während mit den Kreiseln die Winkeldrehrate gemessen wird.
US Patent Nr. 4920801 betrifft einen monolithischen Beschleunigungsmesser, der in der Lage ist, lineare Beschleunigung in drei orthogonalen Richtungen zu messen. Der Beschleunigungsmesser arbeitet mit drei koplanaren freitragenden Balken. An jedem der Balken ist eine Masse ausgebildet. Die Masse ist zur neutralen Ebene des Balkens asymmetrisch angeordnet, so daß die Meßachse bezüglich der Ebene der Balken unter einem Winkel durch die Masse verläuft. Derartige Balken sind unter 120 Grad zueinander angeordnet, so daß die Meßachsen im wesentlichen orthogonal liegen. Mit diesem Beschleunigungsmesser kann zwar die lineare Beschleunigung gemessen werden, er kann aber nicht die Winkeldrehrate messen.
Die Firma Sundstrand Data Corporation hat bei der Entwicklung eines Einzelnen Coriolis-Trägheitsraten- und Beschleunigungssensors (SCIRASTM = Single Coriolis Inertial Rate and Acceleration Sensor) Pionierarbeit geleistet. In einem Artikel von Rand Hulsing II mit dem Titel "Single Coriolis Inertial Rate and Acceleration Sensor", Journal of the Institute of Navigation, Band 35, Nr. 3 (Herbst 1988), beschreibt der Erfinder auf den Seiten 347-59 einen das Konzept beweisenden Mechanismus, der in der Lage war, mit der gleichen Beschleunigungsmesserstruktur gleichzeitig sowohl die lineare Beschleunigung als auch die Winkeldrehrate zu messen.
Bei dem Mechanismus wurden zwei auf entgegengesetzten Seiten einer flexiblen Parallelogrammstruktur mit ihren Rücken aneinander angeordnete lineare Beschleunigungsmesser verwendet. Die Parallelogrammstruktur wurde mit einer vorbestimmten Zitterfrequenz geschaukelt. Während das Parallelogramm um Biegungen an seinen Ecken geschaukelt wird, wird auf beide Beschleunigungsmesser in gleicher und entgegengesetzter Richtung eine überwiegend lineare Bewegung übertragen. Mit der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Beschleunigungsmesser wird die lineare Komponente gemessen. Mit der Summe der beiden Ausgangssignale werden die linearen Komponenten eliminiert und es bleiben nur die Coriolis-Komponenten übrig. Das mit der Winkeldrehrate verknüpfte kleine Signal der Coriolis- Beschleunigung kann somit durch Anpassen der Skalierungsfaktoren der beiden Beschleunigungsmesser aus einer großen linearen Schwingung gewonnen werden.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft monolithische Sensorsubtrate, die zur Verwendung in Sensoren ausgelegt sind, die gleichzeitige Messung sowohl der linearen Beschleunigung als auch der Winkeldrehrate entlang dreier schräg verlaufender Achsen gestatten. Der Sensor enthält zwei Sätze von jeweils drei Beschleunigungsmessern. Somit kommen insgesamt sechs Beschleunigungsmesser zum Einsatz.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die Beschleunigungsmesser als monolithische Struktur aus einem einzigen Substrat wie beispielsweise Silizium gebildet. Jeder Beschleunigungsmesser enthält eine Prüfmasse, die über wenigstens eine Biegung mit einem Sensorrahmen verbunden ist. Alle sechs Beschleunigungsmesser sind in einer einzigen Ebene angeordnet. Die Meßachse jedes Beschleunigungsmessers ist bezüglich der Ebene gekippt. Eine erste Menge von drei Beschleunigungsmessern ist in der Ebene derart angeordnet, daß ihre Meßachsen zueinander schräg verlaufen. Die übrige zweite Menge von drei Beschleunigungsmessern ist so angeordnet, daß ihre Meßachsen ebenfalls zueinander schräg verlaufen und von der Richtung her zu den Meßachsen der ersten Menge von drei Beschleunigungsmessern entgegengesetzt sind. Der Sensorrahmen jedes Beschleunigungsmessers der ersten Menge von Beschleunigungsmessern ist mit einem entsprechenden Beschleunigungsmesser der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern verbunden. Durch das Verbindungsstück können entsprechende Beschleunigungsmesser mit der gleichen Frequenz zittern, und es wird weiterhin sichergestellt, daß eine auf einen der Beschleunigungsmesser des Paares entlang der Zitterachse des Paares ausgeübte Kraft auch auf den entsprechenden Beschleunigungsmesser in gleicher, aber entgegengesetzter Richtung übertragen wird. Alle Beschleunigungsmesser in der Ebene sind weiterhin mechanisch derart miteinander verbunden, daß ein einzelner Zitteroszillator verwendet werden kann, um die Beschleunigungsmesser in der Ebene mit der gleichen Zitterfrequenz zittern zu lassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine Seitenansicht im Querschnitt und zeigt einen Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensor, der kein Teil der Erfindung ist;
Fig. 1B ist eine Bodenansicht im Querschnitt des Sensors von Fig. 1A.
Fig. 1C ist eine Seitenansicht im Querschnitt entlang der Linie 1C-1C von Fig. 1B.
Fig. 1D ist eine invertierte Ansicht eines Teils von Fig. 1A.
Fig. 1E ist eine Draufsicht auf die im Sensor, wie er in den Fig. 1A, B, C und D gezeigt ist, enthaltene Flußwegbaugruppe.
Fig. 2A ist eine Draufsicht auf das unitäre Substrat, aus dem ein Paar Beschleunigungsmesser mit ihren Seiten aneinander geformt werden, wobei ihre Meßachsen in entgegengesetzte Richtungen zeigen, wie in Fig. 1A, 1C und 1D gezeigt.
Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht eines der in dem Substrat wie in Fig. 2A gezeigt geformten Beschleunigungsmesser.
Fig. 2C ist eine Querschnittsansicht des Substrats und seines Beschleunigungsmessers entlang der Linie 2C-2C von Fig. 2B.
Fig. 3A ist ein Schaltbild einer Oszillatorschaltung zum Liefern von Antriebssignalen an die Antriebsspulen der in Fig. 2A gezeigten Beschleunigungsmesser.
Fig. 3B ist das Bild einer Schaltung, die auf das Geschwindigkeitsausgangssignal der in Fig. 3A gezeigten Schaltung reagiert und die Ausgangssignale von dem Beschleunigungsmesser getaktet in Zähler steuert.
Fig. 3C ist ein Schaltbild einer anderen Oszillatorschaltung zum Messen von Signalen, die von den auf den in Fig. 2A gezeigten Beschleunigungsmessern angeordneten Sondenspulen abgeleitet sind, wobei die Oszillatorschaltung Antriebssignale an die Spulen dieser Beschleunigungsmesser liefert, um deren Zitterbewegung zu bewirken.
Fig. 3D ist ein Funktionsblockschaltbild, das die Verarbeitung der Ausgangssignale von dem innerhalb des Siliziumsubstrats von Fig. 2A geformten ersten und zweiten Beschleunigungsmesser veranschaulicht und insbesondere, wie ein Paar Zähler getaktet gesteuert werden, um die Beschleunigungsmesserausgangssignale wirksam zu demodulieren, um eine Anzeige über die spezielle Kraft- und Drehwinkelrate des sich bewegenden Körpers zu liefern.
Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform des in Fig. 2A gezeigten Substrats, bei der das Sensorsubstrat mit einer Verstärkungsstütze versehen ist, die die Drehmoden der Bewegung der Beschleunigungsmesser auf eine über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser liegende Frequenz bringt.
Fig. 5-13 veranschaulichen alternative Beispiele des in Fig. 2A gezeigten Substrats, bei denen die Beschleunigungsmesser auf rein lineare Weise zittern können.
Fig. 14-16 veranschaulichen alternative Beispiele des in Fig. 2A gezeigten Substrats, bei denen die Beschleunigungsmesser über zwei extern angeordnete Verbindungsstücke miteinander gekoppelt sind.
Fig. 17 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der Erfindung, die ein Substrat für einen Dreiachsen-Winkeldrehraten- und Beschleunigungssensor zeigt, bei dem in einem einzelnen monolithischen Substrat sechs Beschleunigungsmesserstrukturen ausgebildet sind.
Fig. 18 veranschaulicht eine Weise des Kippens der Meßachse eines Beschleunigungsmessers mit einer Massenplatte.
Fig. 19 veranschaulicht eine alternative Konfiguration des Substrats von Fig. 17.
Fig. 20 veranschaulicht noch eine weitere alternative Konfiguration des Substrats von Fig. 17.
Fig. 21 und 22 veranschaulichen zwei Substrate zur Verwendung in einem Dreiachsen- Winkeldrehraten- und Beschleunigungssensor, die so konfiguriert sein können, daß sie übereinanderliegen, um die Empfindlichkeit des Sensors für Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu eliminieren. Diese Beispiele sind kein Teil der vorliegenden Erfindung.
Fig. 23 veranschaulicht die Ausrichtung der in Fig. 21 und 22 gezeigten Substrate.
Fig. 24 und 25 veranschaulichen ein weiteres Beispiel (kein Teil der Erfindung) von zwei Substraten zur Verwendung in einem Dreiachsen-Winkeldrehraten- und Beschleunigungssensor, die so konfiguriert sein können, daß sie übereinanderliegen, um die Empfindlichkeit des Sensors für Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu eliminieren.
Fig. 26-28 veranschaulichen eine Weise, wie die Substrate von Fig. 24 und 25 mit anderen Strukturen des Sensors angeordnet sein können.
Fig. 29 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Stapelverbindungsstücks, mit dem die in Fig. 26 -28 gezeigten Sensorstapel verbunden werden können.
Fig. 30 veranschaulicht die Verwendung von drei der in Fig. 29 gezeigten Stapelverbindungsstücke.
Fig. 31 veranschaulicht einen alternativen Koppler, um das erste und zweite stufenförmige Glied des Stapelverbindungsstücks von Fig. 29 zu koppeln.
Fig. 32-35 veranschaulichen einen einachsigen Beschleunigungs- und Winkeldrehratensensor, der kein Teil der Erfindung ist.
Es versteht sich, daß die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. In bestimmten Fällen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit Einzelheiten, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich sind, weggelassen worden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Beschreibung der Fig. 1-16 betrifft Beispiele, die für das Verständnis der Erfindung nützlich sind, aber kein Teil der Erfindung sind. Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen Fig. 1A, B, C und D die Anordnung eines Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensors 10, der kein Teil der vorliegenden Erfindung ist. Der Sensor 10 enthält ein Gehäuse 12, in dem ein unitäres Substrat 16 untergebracht ist, das beispielhaft aus Silizium hergestellt und in dem beispielhaft durch Mikrostrukturierung ein Paar Beschleunigungsmesser 32a und 32b geformt sind, die derart Seite an Seite angeordnet sind, daß ihre Meßachsen 38a und b in entgegengesetzte Richtungen angeordnet sind (siehe Fig. 1D). Der Sensor 10 enthält auch einen unitären Magneten 20 und eine Flußwegbaugruppe 18, die einen magnetischen Weg zum Richten des vom Magnet 20 ausgehenden Flusses durch das Substrat 16 und seinen ersten und zweiten Beschleunigungsmesser 32a und 32b erzeugt. Wie erläutert wird, gestatten die Auslegung und Anordnung der Beschleunigungsmesser 32a und b innerhalb des Substrats 16 einen einfachen, problemlosen Magnetflußweg, um die Durchführung der Zitterbewegung und die Schwingung eines Sensorelements der Beschleunigungsmesser 32a und b zu bewirken.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2A werden die Einzelheiten des Substrates 16 gezeigt. Der erste und zweite Beschleunigungsmesser 32a und b sind derart aus dem unitären Siliziumsubstrat 16 mikrostrukturiert, daß ihre Meßachsen 38a und 38b parallel, aber in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind. In Fig. 2A ist die Meßachse 38a des Beschleunigungsmessers 32a so angeord net, daß sie aus dem Blatt herausgeht, wohingegen die Meßachsen 38b des Beschleunigungsmessers 32b so angeordnet ist, daß sie in das Blatt hineingeht. Weiterhin sind die Meßachsen 38a und b senkrecht zu einer Zitter- bzw. Schwingachse 41 und einer Geschwindigkeitsachse 39 angeordnet. Wie in der Technik wohlbekannt ist, reagieren die Beschleunigungsmesser 32a und b auf lineare Beschleunigung entlang ihrer Meßachsen 38a bzw. b und auf Drehung des Substrates 16 um seine Geschwindigkeitsachse 39.
Das Substrat 16 enthält einen Zitter- bzw. Befestigungsrahmen 30, an dem jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b jeweils mit einem Paar Biegungen 34 und 36 aufgehängt ist, die bei Anlegen einer Zitterkraft mit einer "S-förmigen" Bewegung schwingen, um die Beschleunigungsmesser 32a und b in eine hauptsächlich lineare Beziehung zueinander zu bringen. Wie noch weiter beschrieben wird, wird ein periodisches Antriebssignal oder ein periodischer Antriebsstrom über die äußeren Anschlüsse 86a und b an einen Leiter bzw. einen leitfähigen Weg 92 angelegt. Vom Magneten 20 geht ein Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Substrates 16 aus, wodurch die Beschleunigungsmesser 32a und b einer periodischen Zitterbewegung entlang ihrer Zitterachse 41 ausgesetzt werden.
Ein Verbindungsstück 72 ist mit dem nicht gestützten Ende jedes Beschleunigungsmessers 32 verbunden, um sicherzustellen, daß die auf den Beschleunigungsmesser 32a übertragene Zitterbewegung genau die gleiche Frequenz und die gleiche Phase aufweist wie die auf den anderen Beschleunigungsmesser 32b übertragene Zitterbewegung. Aufgrund einer geringfügigen Massenfehlanpassung würden die Beschleunigungsmesser 32a und b ohne ein Verbindungs stück 72 zwischen sich dazu neigen, mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen zu schwingen. Selbst wenn die Beschleunigungsmesserbewegungen durch ein Antriebssignal gemeinsamer Frequenz angetrieben würden, würden sie dazu tendieren, zueinander außer Phase zu sein. Das Verbindungsstück 72 ist über eine Biegung 80a mit dem freien, sich bewegenden Ende des ersten Beschleunigungsmessers 32a gegenüber den Biegungen 34a und 36a, mit denen der Beschleunigungsmesser 32a am Zitterrahmen 30 befestigt ist, verbunden. Das Verbindungsstück 72 ähnelt einem Hebel, der so befestigt ist, daß er sich um einen von einer Drehbiegung 82 geschaffenen Drehpunkt 73 drehen kann. Das Verbindungsstück 72 enthält einen ersten und zweiten Hebelarm 74a und b, die sich vom Drehpunkt 73 aus in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Der zweite Hebelarm 74b ist mit einer Biegung 80b mit dem freien sich bewegenden Ende des Beschleunigungsmessers 32b gegenüber dem Ende verbunden, das durch die Biegungen 34b und 36b mit dem Zitterrahmen 30 verbunden ist. Das Verbindungsstück 72 enthält ein Paar parallele Glieder 76a und 76b, die die Dreharme 74a und 74b mit einem mit der Drehbiegung 82 verbundenen Bügel 78 verbinden. Die Drehbiegung 82 wiederum ist durch ein Stützglied 84, das selbst am Zitterrahmen 30 angebracht ist, entlang einer Mittelachse des Substrates 16 befestigt.
Wie ausführlicher in Fig. 2B zu sehen ist, enthält jeder Beschleunigungsmesser 32 ein Element 48, das die auf den Sensor 10 ausgeübte Beschleunigung mißt und ein Paar schwingender Balken 54 und 56 enthält, die so angetrieben sind, daß sie, wie durch die Pfeile 57' bzw. 57" angezeigt, in entgegengesetzte Richtungen schwingen. Es versteht sich, daß die Pfeile 57' und 57" mit der Zitterachse 41 in einer parallelen Beziehung ausgerichtet und senkrecht zu den Meßachsen 38a und b und zu der Geschwindigkeitsachse 39 angeordnet sind (siehe Fig. 2A). Ein Ende jedes der schwingenden Balken 54 und 56 ist in relativ feststehender Beziehung an einem Beschleunigungsmesserstützrahmen 42 angebracht. Die abgewandten Enden der schwingenden Balken 54 und 56 sind mit einer Prüfmasse 40 verbunden, die mit einem Paar von Gelenken 44 und 46 am Rahmen 42 aufgehängt ist. Wie in Fig. 2B gezeigt, definieren die Gelenke 44 und 46 eine Gelenkachse 47, um die sich die Prüfmasse 40 dreht. Wenn entlang der Meßachse 38 jedes Beschleunigungsmessers 32 Beschleunigungskräfte einwirken, neigt seine Prüfmasse 40 dazu, sich um ihre Gelenkachse 47 zu drehen. Das entgegengesetzte Ende der Prüfmasse 40 ist über eine Strebe 52 mit verringertem Querschnitt nachgiebig bzw. flexibel mit dem Beschleunigungsmesserstützrahmen 42 verbunden, wodurch sich die Prüfmasse 40 entlang ihrer Meßachse 38 frei bewegen kann. Wie in Fig. 2C gezeigt, werden die Gelenke 44 und 46 geformt, indem das Siliziumsubstrat 16 zu einer hinsichtlich der Breite des Stützrahmens 42 relativ dünnen Biegung mikrostrukturiert wird, wodurch sich die Prüfmasse 40 um die Gelenkachse 47 drehen kann.
Wie in Fig. 2A, B und C gezeigt, weist jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b eine entsprechende Strebe 52a bzw. b auf, die auf die Prüfmassen 40a bzw. b einwirkende äußere Bewegungen dämpft oder abschwächt. Jedem der Beschleunigungsmesser 32 und seiner Prüfmasse 40 ist eine Pendelachse 53 zugeordnet. Wie am besten in Fig. 2C zu sehen, weist jede Prüfmasse 40 einen Massenschwerpunkt 50 auf. Die Meßachse 38 jedes Beschleunigungsmessers 32 schneidet den Massenschwerpunkt 50 und ist senkrecht zur Pendelachse 53 angeordnet. Die Pendelachse 53 verläuft durch den Massenschwerpunkt 50, die Gelenkachse 47 und die Strebe 52. Bei einem veranschaulichenden Beispiel ist die Meßachse 38 hinsichtlich des unitären Substrats 16 und seines Stützrahmens 42 unter einem spitzen Winkel von etwa 8º geneigt. Auch die Zitterachse 41 schneidet die Massenschwerpunkte 50a und b beider Beschleunigungsmesser 32a und b und ist senkrecht zu deren Meßachsen 38a und b. Unerwünschte Momente können von Beschleunigungskräften erzeugt werden, die entlang der Drehachse 47 wirken und um die Pendelachse 53 herum Momente erzeugen, die gleich dem Produkt aus derartigen Kräften multipliziert mit einem Momentarm bzw. gleichwertigen Radius der Drehung 55 entsprechend dem vertikalen Abstand zwischen der Geschwindigkeitsachse 47 und dem Massenschwerpunkt 50 sind. Bei einer bevorzugten Auslegung ist jede Strebe 52 mit einem Querschnitt mit verringerten Abmessungen ausgebildet, z. B. ein Millizoll im Quadrat. Im rechten Winkel zu der Strebe 52 ist ein Fuß 58 angeordnet, um das Ende der Strebe 52 mit der Prüfmasse 40 zu verbinden. Wenn die Strebe 52 eine Länge L aufweist, kann der Fuß 58 mit einer Länge L/4 konstruiert sein. Ein Ende der Strebe 52 ist mit einem inneren Umfangsrand des Beschleunigungsmesserstützrahmens 42 verbunden, und ihr Fuß 58 ist mit einem Rand desjenigen freien Endes der Prüfmasse 40 verbunden, der von seinen Gelenken 44 und 46 und seiner Gelenkachse 47 abgewandt ist. Durch Maximieren der Länge der Strebe 52 wird ihre Federkonstante reduziert, um der Strebe 52 die größtmögliche Flexibilität zu geben. Der Fuß 58 ist so ausgebildet und dimensioniert, daß er relativ flexibel wird, damit sich der Fuß 58 "S-förmig" biegt und eine Drehung der Prüfmasse 40 im wesentlichen nur um ihre Gelenkachse 47 gestattet.
Die schwingenden Balken 54 und 56 sind ebenfalls aus dem Substrat 16 gearbeitet, doch auf einer der Oberfläche der Gelenke 44 und 46 entgegengesetzten Oberfläche des Substrates 16. Wenn Beschleunigungskräfte die Prüfmasse 40 dazu bringen, wie in Fig. 2C gezeigt sich nach oben zu drehen, werden somit beide schwingenden Balken 54 unter Druck gesetzt, wohingegen, wenn die Prüfmasse 40, wie in Fig. 2C gezeigt, sich nach unten dreht, die schwingenden Balken 54 und 56 unter Zugspannung gesetzt werden. Wenn die schwingenden Balken 54 und 56 unter Zugspannung gesetzt werden, steigt die Frequenz ihrer Eigenschwingung, und wenn sie unter Druck gesetzt werden, sinkt diese Frequenz.
Wie in Fig. 2A und B gezeigt, wird über Anschlußkontaktstellen 62 über einen leitfähigen Weg bzw. Leiter 60, der sich in einer ersten Richtung entlang dem schwingenden Balken 54 und in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung entlang dem schwingenden Balken 56 erstreckt, ein Antriebssignal bzw. ein Antriebsstrom angelegt, wodurch bei Vorliegen eines Magnetfeldes, wie es durch den Magnet 20 erzeugt wird, die schwingenden Balken 54 und 56 in entgegengesetzte Richtungen schwingen. In dem Beschleunigungsmesserstützrahmen 42 ist eine Antriebsschaltung 64 eingearbeitet, um dem Leiter 60 den Strom zuzuführen. Die Antriebsschaltung 64 liefert auch ein Ausgangssignal an den äußeren Leiterweg 70, das die Frequenz anzeigt, mit der die schwingenden Balken 54 und 56 schwingen.
Ein bedeutender Vorteil besteht in der Tatsache, daß der erste und zweite Beschleunigungsmesser 32a und b innerhalb des Siliziumsubstrates 16 angeordnet sind, wodurch ein einzelner Magnet 20 eingesetzt werden kann, um magnetischen Fluß durch jeden der Beschleunigungsmesser 32a und b zu leiten, mit der doppelten Aufgabe, die Beschleunigungsmesser 32a und b in eine Zitterbewegung und die Sensorelemente 48 in Form der schwingenden Balken 54 und 56 in eine schwingende Bewegung zu versetzen. Fig. 1E zeigt die Flußwegbaugruppe 18 in ihrem flachen Zustand, bevor sie in die in Fig. 1D gezeigte Konfiguration gefaltet wird. Die Baugruppe 18 stützt und hält das Substrat 16, ein Polstück 22 und den Magneten 20 in den wie in Fig. 1C und D gezeigten Positionen und enthält ein Bodenglied 100, entgegengesetzte Seitenglieder 106a und 106b und obere Glieder 108a und b. Die Baugruppe 18 wiederum ist innerhalb der Gehäuseabdeckung 12 durch ein Paar Stützbeine 110a und b gestützt, die sich nach unten erstrecken, um mit einem Gehäusering 14 und insbesondere einem Vorsprung 15 zusammenzupassen, wodurch die Baugruppe 18 innerhalb der zusammengebauten Gehäuseabdeckung 12 und Basis 14 festgehalten wird.
Wie insbesondere in Fig. 1C gezeigt, stellt die Baugruppe 18 durch sich hindurch einen Flußweg für den von dem Magnet 20 ausgehenden Fluß bereit, wobei der Fluß von dem Polstück 22 konzentriert bzw. fokussiert wird, um hauptsächlich durch den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser 32a und b zu gehen, bevor der Fluß in die eingeschnürten Beine 102a und b zurückkehrt.
Danach geht der Fluß durch die Seitenglieder 106a und b und ihre jeweiligen oberen Glieder 108a und b in den Magnet 20, um den Flußweg zu schließen. Die beschriebene Konstruktion, und insbesondere das Polstück 22 und die eingeschnürten Beine 102a und b, konzentrieren den Fluß derartig, daß er hauptsächlich durch die Beschleunigungsmesser 32a und b geht, so daß, wenn Antriebssignale angelegt werden, um durch die Leiter 92 und 60 zu laufen, die Beschleunigungsmesser 32a und b in eine Zitterbewegung und die schwingenden Balken 54a und b und 56a und b in eine Bewegung mit Eigenschwingung versetzt werden. Das Polstück 22 weist ein Paar Vorsprünge 118a und b mit etwa den gleichen Abmessungen wie die entsprechenden Querschnittsbereiche der Beschleunigungsmesser 32a und b auf, so daß der Fluß hauptsächlich durch die Beschleunigungsmesser 32a und b geht. Wie insbesondere in Fig. 1A und E gezeigt wird, bilden die eingeschnürten Beine 102 eine Öffnung 104 dort hindurch, in der ein lediglich nomineller Fluß auftritt, wobei zu verstehen ist, daß der Fluß größtenteils so konzentriert ist, daß er durch die Beine 102a und b geht. Durch diese Auslegung der Flußwegbaugruppe 18 wird die Stärke des durch die Beschleunigungsmesser 32a und b gehenden Flusses schätzungsweise verdoppelt, wodurch die an den Sondenspulen erscheinende Spannung proportional erhöht wird und somit der Verstärkungsfaktor der bezüglich Fig. 3C noch zu erläuternden Antriebsschaltung 127' reduziert wird. Aufgrund der Tatsache, daß die Beschleunigungsmesser 32a und b Seite an Seite innerhalb eines einzelnen im wesentlichen planaren Substrates 16 angeordnet sind, kann ein einzelner Magnet 20 und eine einfache Flußwegbaugruppe 18 verwendet werden, um den magnetischen Fluß bereitzustellen, damit die Beschleunigungsmesser 32a und b wirksam sowohl in die Zitterbewegung als auch die Schwingungsbewegung versetzt werden.
Wie in Fig. 2A gezeigt, ist der leitfähige Weg 92 auf der oberen Fläche des Substrates 16 abgeschieden und erstreckt sich von dem äußeren Leiter 86a an einem Bein des Zitterrahmens 30 hinunter, horizontal über die Biegung 36a und den unteren Umfangsrand des Beschleunigungsmessers 32a, die vertikale Biegung 80a hinunter, über die Verbindungsarme 74a und 74b, die vertikale Biegung 80b hinunter, über den oberen Umfangsrand des Beschleunigungsmessers 32b und seine Biegung 34b und an dem gegenüberliegenden Bein des Zitterrahmens 30 hinunter zum äußeren Leiter 86b. Der leitfähige Weg 92 weist einen Mittelpunkt auf, der über einen leitfähigen Weg 92c und einen Masseanschluß 88 mit Masse verbunden ist. Um die Wirksamkeit zu maximieren, mit der die Zitterbewegung erzeugt wird, folgt der leitfähige Weg 92 einem Weg entlang dem unteren Abschnitt des Beschleunigungsmessers 32a und seiner Biegung 36a und dem oberen Abschnitt des Beschleunigungsmessers 32b und seiner Biegung 34b, wobei diese Abschnitte der Mitte des Substrates 16 am nächsten liegen, wodurch der von dem Magnet 20 ausgehende und vom Polstück 22 und seinen Vorsprüngen 118a und b fokussierte Magnetfluß so konzentriert wird, daß er durch diese Abschnitte des leitfähigen Weges 92 geht. Der leitfähige Weg 92 enthält einen mit der Zahl 92a bezeichneten ersten Wirkabschnitt, der an der Biegung 36a und am Boden des Beschleunigungsmesserrahmens 42a des Beschleunigungsmessers 32a befestigt ist, und einen zweiten Wirkabschnitt 92b, der auf ähnliche Weise, aber entgegengesetzt am Beschleunigungsmesser 32b befestigt ist. Beide Wirkabschnitte 92a und b sind innerhalb des von dem Magneten 20 und seinem Polstück 22 erzeugten konzentrierten Magnetflusses angeordnet. Durch eine derartige Auslegung des leitfähigen Weges 92 und seiner Wirkabschnitte 92a und b wird die Antriebskraft der Zitterbewegung maximiert.
Wie in Fig. 1A gezeigt, ist das Substrat 16 mit einem Paar Staubschutzabdeckungen 17a und b versehen, die auf jeweils entgegengesetzten Oberflächen des Substrates 16 angeordnet sind. Die Staubschutzabdeckungen 17a und b können ebenfalls aus Silizium hergestellt sein und dienen dazu, die Beschleunigungsmesser 32a und b gegen Staub zu schützen. Als Beispiel sind die Innenflächen der Staubschutzabdeckungen 17a und b abgesenkt (in den Zeichnungen nicht gezeigt), um die Bewegung der Prüfmassen 40a und b zu gestatten und Anschläge für sie vorzusehen.
Wie oben beschrieben, ist die Meßachse 38 hinsichtlich einer senkrecht zur Oberfläche des Substrates 16 verlaufenden Linie unter einem spitzen Winkel ausgerichtet. Bei einem veranschaulichenden Beispiel der vorliegenden Erfindung befestigt die Baugruppe 18 das Substrat 16 hinsichtlich der Achse des unterbringenden Gehäuses 12 unter einem kompensierenden Winkel, wodurch der Sensor 10 und somit die Meßachsen 38 der Beschleunigungsmesser 32a und b hinsichtlich des Fahrzeugs oder des Flugzeugs, das den Sensor 10 trägt, präzise ausgerichtet werden kann.
Wie gezeigt, ist das Substrat 16 auf mehreren Auflagen 114 befestigt. Ein Paar Stützarme 112a und b erstrecken sich von dem Bein 102a aus, um die Ecken der unteren Fläche (wie in Fig. 1E zu sehen) des Substrates 16 zu stützen. Ein Stützarm 116 wiederum verbindet die Auflage 114c mit dem Bein 102b der Baugruppe 18, wodurch die Auflage 114c einen Mittelabschnitt des gegenüberliegenden Randes des Substrates 16 stützt. Die Zahl 113 bezeichnet die Mitte der Öffnung 104 und ist auf den Drehpunkt 73 ausgerichtet, wenn das Substrat 16, wie in Fig. 1A gezeigt, innerhalb der Flußwegbaugruppe 18 befestigt ist. Der Drehpunkt 73 bildet die Mitte des Siliziumsubstrates 16, wie in Fig. 2A gezeigt. Auf ähnliche Weise ist auch die Achse des Permanentmagneten 20, der in Fig. 1B zylindrisch gezeigt ist, auf die Mitte 113 und den Drehpunkt 73 ausgerichtet.
Die Baugruppe 18 löst das Problem der thermischen Belastung, das sich aus den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziumsubstrates 16 und der Flußwegbaugruppe 18 ergibt, d. h. die Baugruppe 18 dehnt sich schneller aus als das Siliziumsubstrat 16. Beispielsweise weist das Siliziumsubstrat 16 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 2,5 PPM/ºC auf, während die Baugruppe 18 aus Siliziumstahl (mit einem Siliziumgehalt von 3%) hergestellt ist, der wiederum einen Temperaturkoeffizienten in der Größenordnung von 11 PPM/ºC aufweist, was wesentlich höher liegt als der Wert für das Substrat 16. Bei mangelnder thermischer Entlastung würde das Substrat 16 im allgemeinen knicken, möglicherweise brechen und/oder sich von der Baugruppe 18 lösen. Falls sich das Substrat 16 wirft, wird die kritische Ausrichtung der Beschleunigungsmesser 32a und b und ihrer verschiedenen Teile durcheinander- gebracht, mit dem Ergebnis, daß die gewünschte Kompensierung von auf den Sensor 10 wirkenden äußeren Bewegungen vereitelt wird. Wie in Fig. 1E gezeigt, ist jeder der Stützarme 112a und b und 116 senkrecht zu jeder einer entsprechenden Mehrzahl von radialen Belastungslinien 111a, b und c angeordnet. Wenn sich also die Baugruppe 16 ausdehnt und im allgemeinen die Arme 112a, b und 116 radial belastet, können sie sich aufgrund ihrer in Fig. 1E gezeigten Auslegung unter der thermischen Belastung ohne weiteres biegen, anstatt das Substrat 16 zu knicken oder zu brechen. Außerdem ist jede der Befestigungsauflagen 114a, b und c über einen nachgiebigen Klebstoff wie zum Beispiel ein Epoxid mit dem Substrat 16 verbunden.
Wenn sich die Temperatur von Permanentmagnet 20, Baugruppe 18 und Substrat 16 verändert, wird durch die durch die Baugruppe 18 und die relativen Positionen des Permanentmagneten 20 und des Substrates 16 dazu gebildete Befestigungskonstruktion sichergestellt, daß bei unterschiedlich schneller Ausdehnung von Substrat 16 und seiner Baugruppe 18 die relativen Positionen dieser Elemente hinsichtlich des Magneten 20 die gleichen bleiben. Die Beschleunigungsmesser 32a und b verbleiben somit mit dem Permanentmagnet 20 in der gleichen relativen Beziehung und werden einem Magnetflußfeld gleicher Stärke ausgesetzt. Wenn der Magnet 20, die Baugruppe 18 und das Substrat 16 so befestigt wären, daß sich der Magnet 20 hinsichtlich der Beschleunigungsmesser 32a und b auch nur geringfügig verschieben könnte, würde sich auch der durch die Wirkabschnitte 92a und b und die den schwingenden Balken 54 und 56 zugeordneten leitfähigen Wege strömende Fluß verändern, wodurch sich alle äußere Bewegung, die auf die Beschleunigungsmesser 32a und b übertragen wird, sowie die von den Leitern 60 jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b abgeleiteten Ausgangssignale voneinander unterscheiden würden.
Durch die in Fig. 2A gezeigte Anordnung der Beschleungigungsmesser 32a und b, ihrer Stützbiegungen 34 und 36 und ihrer Verbindung durch das Verbindungsstück 72 werden die Beschleunigungsmesser 32a und b in gleichgroße und entgegengesetzte Zitterbewegung versetzt und das Substrat 16, sein Zitterrahmen 30 und die Beschleunigungsmesser 32a und b gegenüber äußerer Belastung so isoliert, daß durch die Datenverarbeitung keine Fehlersignale in die sich ergebenden Kraftsignale F und Drehsignale Q eingeführt werden, was die Datenverarbeitung unter Verwendung des Ausgangssignals der Beschleunigungsmesser 32a und 32b durch relativ einfache Techniken der Differenzierung und Skalierung gestattet. Weiterhin kann die Konstruktion von Fig. 2A durch Mikrostrukturierungsverfahren auf einem Siliziumsubstrat 16 realisiert werden, wodurch die sich ergebende Konstruktion mit niedrigen Kosten und mit einer Präzision hergestellt wird, die Beschleunigungsmesser nach dem Stand der Technik einfach nicht erreichen konnten. Die extreme Konstruktionsgenauigkeit wiederum, die von den Mikrostrukturierungsverfahren geboten wird, gestattet die relative Anordnung der Beschleunigungsmesser 32a und b und ihrem Verbindungsstück 72 mit einer Präzision in der Größenordnung von 40 Mikrozoll. Infolge dieser Genauigkeit sind die Beschleunigungsmesser 32a und b so angeordnet, daß sie sich zueinander in präziser Balance befinden, so daß auf den Rahmen 30 wirkende äußere Bewegung diese Balance nicht stört und in die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b keine Fehlersignale einführt, wie dies selbst bei der geringfügigsten Fehlausrichtung der Beschleunigungsmesser 32a und 32b der Fall sein könnte.
Zuerst werden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b über ihre Biegungen 34a und 36a bzw. 34b und 36b an gegenüberliegenden Seiten des Zitterrahmens 30 befestigt. Jede der Biegungen 34 und 36 ist aus dem Siliziumsubstrat 16 mit einer Höhe, die gleich der Breite des Substrates 16 ist, beispielsweise 20 Millizoll, und einer Dicke von 1,4 Millizoll, die der vertikalen Abmessung der Biegungen 34 und 36 entspricht, wie sie in Fig. 2A gezeigt sind, gebildet. Die Länge jeder der Biegungen 34a und b und 36a und b ist so gewählt, daß sich eine Federkonstante relativ zu der Masse der Beschleunigungsmesser von beispielsweise 0,1 Gramm ergibt, die dazu führt, daß sich die Biegungen 34 und 36, wenn sie der Zitterbewegung ausgesetzt werden, "S-förmig" biegen. Die Federkonstante der Biegungen ist proportional zu T³/L³, wobei T die Dicke der Biegungen 34 und 36 und L ihre Länge darstellt. Die Länge L und die Dicke T der Biegungen 34 und 36 sind so eingestellt, daß sich bei Einwirken einer Zitterbewegung die Biegungen 34 und 36 in einer S-förmigen Konfiguration biegen, wie in Fig. 2A gezeigt. Durch derartige "S-förmige" Biegungen 34 und 36 können die Beschleunigungsmesser 32a und b mit hauptsächlich linearer Bewegung umsetzen, d. h. die schwingenden Balken 48a und 48b (sowie die anderen Elemente) der Beschleu nigungsmesser 32a und 32b bleiben, wenn sie entlang der Zitterachse 41 in eine Zitterbewegung versetzt werden, zueinander im wesentlichen parallel. Außerdem können sich die Beschleunigungsmesser 32a und 32b durch die Biegungen 34 und 36 auf vorwiegend lineare Weise bewegen, wobei eine lediglich unbedeutende Komponente nichtlinearer Bewegung darauf überlagert wird.
Das Verbindungsstück 72 verbindet den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser 32a und b mechanisch derart miteinander, daß jede Bewegung einschließlich Zitterbewegung und auf einen der Beschleunigungsmesser 32 einwirkende äußere Bewegungen auf präzise die gleiche starke und entgegengesetzte Weise auch auf den anderen Beschleunigungsmesser 32 wirken. Auf diese Weise können die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b einfach durch Aufsummierungs- und Differenzbildungsverfahren verarbeitet werden, um ein Kraftsignal F und das Drehsignal Ω zu bilden und außerdem Fehlersignale auszugleichen. Ohne das Verbindungsstück 72 würden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b aufgrund einer geringfügigen Fehlanpassung der Prüfmassen 40 mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Bei Antrieb mit gemeinsamer Frequenz würden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b ohne das Verbindungsstück 72 miteinander außer Phase arbeiten (außer bei 180º).
Aufgrund ihrer Auslegung und der Weise, wie es befestigt ist, kann sich das Verbindungsstück 72 wirksam um den Drehpunkt 73 drehen, der eine durch die Hebelarme 74a und b gehende Achse schneidet. Der Drehpunkt 73 ist an einem ausgewählten Punkt entlang der Länge der Drehbiegung 82 angeordnet. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist das untere Ende der Drehbiegung 82 am Stützglied 84 angebracht und erstreckt sich vertikal entlang der Zitterachse 41. Die Länge der Drehbiegung 82 ist mit beispielsweise 100 Millizoll so gewählt, daß sie einfach gebogen werden, wodurch derjenige Teil vom Drehpunkt 73 bis zum Verbindungspunkt zu dem Verbindungsstück 72 sich um den Drehpunkt 73 biegen kann, während der verbleibende Abschnitt der Biegung 82 zwischen dem Drehpunkt 73 und dem Stützglied 84 sich in einem stetigen Bogen biegt. Auf diese Weise sind die Endpunkte des Verbindungsstücks 72 unter einem radialen Abstand vom Drehpunkt 73 beabstandet, der gleich dem effektiven Drehradius ist, den die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 für die Beschleunigungsmesser 32a und 32b bilden.
Wie oben angedeutet, ist die Länge der Drehbiegung 82 so bestimmt, daß sie sich mit lediglich einer einfachen bogenförmigen Krümmung biegt. Um eine Drehbiegung 82 mit der gewünschten Länge unterzubringen, ist es erforderlich, das Verbindungsstück 72 mit einer U- förmigen Konfiguration auszulegen, die die parallelen Glieder 76a und b und das Verbundglied 78 umfaßt. Weiterhin ist ein Abschnitt des Stützgliedes 84 entfernt, um eine Aussparung 85 zu bilden, wodurch die Länge der Drehbiegung 82 so eingestellt ist, daß sich die einfache Biegebewegung ergibt.
Die vertikal ausgerichteten Biegungen 80a und b, wie sie in Fig. 2A gezeigt sind, sind so bemessen und insbesondere ihre Längen sind so eingestellt, daß sie zu 50% eine einfache bogenförmige Krümmung und zu 50% eine "S-förmige" Bewegung aufweisen. Entgegengesetzte Enden der vertikalen Streben 80a und b sind jeweils zwischen einem Rand eines der Beschleunigungsmesser 32a und b und einem Ende eines der Verbindungsglieder 74a und b eingebaut. Abschnitte des Verbindungsstücks 72 und der Beschleunigungsmesser 32 sind entfernt, um Aussparungen 71 bzw. 39 zu bilden, so daß die präzise Länge der Biegungen 80a und b bestimmt wird, um sicherzustellen, daß die Biegungen 80 Charakteristiken von 50% einfacher Bewegung und 50% "S-förmiger" Bewegung aufweisen. Mit derartigen Charakteristiken ist weiterhin sichergestellt, daß jede von den Krümmungen 80 auf einen der Beschleunigungsmesser 32 übertragene Bewegung als sinusförmige Funktion auf den anderen übertragen wird, ohne in die Übertragungsbewegung eine Harmonische höherer Ordnung einzuführen. Ohne derartige Biegungen 80 und das Verbindungsstück 70 könnte die Zitterbewegung sowie andere, auf das Substrat 16 einwirkende äußere Bewegung auf die Beschleunigungsmesser 32a und b eine harmonische Bewegung höherer Ordnung aufprägen, deren Ausgangssignale bei der Demodulierung ein unerwünschtes Versatzsignal tragen würden.
Wie oben angedeutet, sind die Biegungen 34 und 36 mit derartigen Abmessungen hergestellt und ist insbesondere ihre Länge derart, daß sie sich "S-förmig" biegen. Insbesondere ist ein Ende jeder der Biegungen 34 und 36 jeweils an dem inneren Umfang des Zitterrahmens 30 und das andere Ende am Beschleunigungsmesser 32 angebracht. Ein äußerer Randabschnitt des Beschleunigungsmesserstützrahmens 42 ist entfernt, um eine Aussparung 33 zu bilden, so daß die Länge der Biegungen 34 und 36 kritisch eingestellt ist, um für die gewünschte "S-förmige" Biegebewegung zu sorgen und damit die anderen Enden der Biegungen 34 und 36 mit einem Mittelpunkt der horizontalen Ränder der Beschleunigungsmesser 32a und b verbunden sind. Wie in Fig. 2A gezeigt, stützen die Biegungen 34 und 36 die Beschleunigungsmesser 32a und b, so daß ihre Massenschwerpunkte 50 und der Drehpunkt 73 entlang der Mittelachse des Substrates 16 liegen, damit die Mittelachse mit der Zitterachse von 41 zusammenfällt.
Die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 weisen jeweilige Drehpunkte 35 und 37 auf, die unter einem Abstand von dem Innenumfang des Zitterrahmens 30 angeordnet sind, der einem Sechstel der Biegungslänge entspricht. Die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 bilden jeweils einen wirksamen Radius von ihren Drehpunkten 35 und 39 zu ihren Verbindungspunkten mit ihren Stützrahmen 42. Dieser wirksame Radius ist gleich 5/6 der Länge der Biegungen 34 und 36, was wiederum genau gleich dem Radius der Hebelarme 74 von ihrem Drehpunkt 73 zu den Verbindungspunkten der aufrechten Biegungen 80a und b zu den Extremitäten der Hebelarme 74a und b ist. Indem das Verbindungsstück 72 und die Beschleunigungsmesser 32a und b mit gleichen Drehradien um die jeweiligen Drehpunkte 73 und 37 und 35 versehen werden, wird sichergestellt, daß das Verbindungsstück 72 die Beschleunigungsmesser 32a und b in gleichgroße und entgegengesetzte Bewegung versetzt. Wenn somit irgendein Fremdrauschen an einen der Beschleunigungsmesser 32a und b angelegt wird, wird der andere in eine gleichgroße und entgegengesetzte Bewegung versetzt, so daß bei der Verarbeitung jedes Rauschen in den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser 32 durch Summierungs- und Differenzbildungsverfahren wirksam entfernt wird.
Bei Einwirken der Zitterbewegung auf die Beschleunigungsmesser 32a und b bewegen sich die "S- förmigen" Biegungen 34 und 36 aufgrund des "S-förmigen" Biegens ihrer Biegungen 34 und 36 im wesentlichen parallel zueinander hoch und runter. Jede Biegung 34 und 36 weist einen Mittelpunkt 39 bzw. 40 auf. Die Biegebewegung ähnelt zwei stetigen Krümmungen, wobei die erste am Mittelpunkt in einer Richtung abschließt und die zweite Krümmung mit einer entgegengesetzten Krümmung die erste am Mittelpunkt trifft. Die "S-förmigen" Biegungen stellen sicher, daß die horizontalen und vertikalen Ränder der Stützrahmen 42a und b zu den inneren horizontalen und vertikalen peripheren Rändern des Zitterrahmens 30 präzise parallel bleiben.
Wie oben angedeutet, sorgen die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 für eine wirksame Drehung der Beschleunigungsmesser 32a und b um ihre Drehpunkte 35 und 37. Bei einem veranschaulichenden Beispiel bewegen die gemeinsam angelegten Zitterkräfte die Beschleunigungsmesser 32a und b hinsichtlich ihrer Ruhepositionen durch eine positive und negative Winkeldrehung, wodurch sich die Mitte der Schwerpunkte 50a und b bei einer Zitterbewegung mit einer Amplitude von einem Millizoll entlang der Zitterachse 41 um nur 37 Mikrozoll von der Mittelachse des Substrats 16 entfernen.
Der Aufbau der Beschleunigungsmesser 32a und b aus dem Siliziumsubstrat 16 führt zu einer extrem engen Ausrichtung der Beschleunigungsmesser 32. Dies resultiert aus dem hohen Flachheitsgrad des Siliziumsubstrates 16 und der relativen Nähe der aus dem Substrat 16 mikrostrukturierten Beschleunigungsmesser 32a und b. Die Biegungen 34, 36, 80 und 82 werden durch Ätzen nahe der Oberfläche des Substrates 16 erzeugt. Durch diese Mikrostrukturierung wird sichergestellt, daß die Meßachsen 38a und b zu der Zitterachse 41 ganz genau senkrecht sind, was zumindest so gut wie die Flachheit und die Parallelität der Oberflächen des Siliziumsubstrates 16 sein wird, was in der Regel bis zu einem hohen Grad erreicht werden kann. Die vorliegende Auslegung erreicht somit eine enge Ausrichtung der Meßachsen 38 und der Zitterachse 41 und überwindet das Problem von Coriolis-Sensoren nach dem Stand der Technik hinsichtlich derartiger Ausrichtung. Das Aufhängen der Beschleunigungsmesser 32a und b an ihren Biegungen 34a und 36a und 34b und 36b von entgegengesetzten Seiten des Zitterrahmens 30, so daß ihre Meßachsen 38a und b in entgegengesetzte Richtungen zeigen, und die Verwendung des Verbindungsstücks 72 sorgt für eine exzellente Aufhebung nichtlinearer Bewegung.
Die wohlbekannten Euler-Buckling-Kurven stellen die strukturmäßigen Zugspannungs- und Druckcharakteristiken der schwingenden Balken 54 und 56 der Beschleunigungsmesser dar. Durch die Ausrichtung Rücken an Rücken wird sichergestellt, daß, wenn die schwingenden Balken 54 und 56 des Beschleunigungsmessers 32a Zugspannung ausgesetzt sind, die Balken des anderen Beschleunigungsmessers 32b unter Druck stehen und umgekehrt. Wie erläutert wird, werden die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und 32b aufsummiert, um eine Anzeige der linearen Beschleunigung zu liefern. Durch diese Ausrichtung wird sichergestellt, daß die Balken 54 und 56 in komplementären Abschnitten dieser Kurven arbeiten und die aufsummierten Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b eine genaue Anzeige der linearen Beschleunigung liefern, indem sie die Nichtlinearitäten höherer Ordnung der schwingenden Balken 54 und 56 auslöschen. Außerdem löschen auch auf die Beschleunigungsmesser 32a und b einwirkende äußere Bewegungen einander mindestens bis zu einer ersten Meßgrößenordnung aus bzw. dämpfen sich gegenseitig, wodurch die Störsignale in den aufsummierten Beschleunigungsmesserausgangssignalen nicht erscheinen. Auf analoge Weise stellen die auslöschenden Charakteristiken dieser Kurven bei Differenzbildung der Beschleunigungsmesserausgangssignale sicher, daß Nichtlinearitäten zweiter Ordnung in dem resultierenden Winkeldrehsignal sich ebenfalls mitteln.
Der Aufbau der beiden Beschleunigungsmesser 32a und b aus dem Siliziumsubstrat 16 bietet weitere Vorteile. Erstens können die Auslegung und die Abmessungen der Beschleunigungsmesser 32, die verschiedenen Biegungen und das Verbindungsstück 72 mit einem Höchstgrad an Genauigkeit bestimmt werden, z. B. 40 Mikrozoll, so daß die relative Position dieser Elemente mit einer gleichgroßen Genauigkeit gesteuert wird. Zweitens wird durch die Konstruktion der Biegungen in der Ebene des Siliziumsubstrates 16 sichergestellt, daß die Beschleunigungsmesser 32 in dieser Ebene zittern. Wie oben bemerkt, stellt das Verbindungsstück 72 sicher, daß sich die Beschleunigungsmesser 32a und b unter dem Einfluß der einwirkenden Zitterbewegung in gleichgroße und entgegengesetzte Richtungen bewegen. Somit sind die Massenschwerpunkte 50a und b der Beschleunigungsmesser 32a und b präzise auf der Mittelachse des Substrates 16 angeordnet, die mit hoher Präzision auf die Zitterachse 41 ausgerichtet ist, wodurch die Zitterbewegung, die durch den durch die Antriebsspulen a und b fließenden Strom hervorgerufen wird, bewirkt, daß die Zitterbewegung präzise entlang der Mittelachse des Substrates 16 ausgeübt wird. Durch diese Genauigkeit wird sichergestellt, daß die ansonsten aus der Zitterbewegung resultierenden äußeren Bewegungen nicht auf die Beschleunigungsmesser 32a und b einwirken.
Zweitens erzeugt die Aufhängung der Beschleunigungsmesser 32a und b durch die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36, die ebenfalls in der Ebene des Siliziumsubstrates 16 ausgebildet sind, infolge dieser Zitterbewegung eine Bewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b mit relativ kleinen, entgegengesetzten Bögen. Bei einem veranschaulichenden Beispiel werden die Beschleunigungsmesser 32a und b durch ein Zittern mit maximaler Auslenkung (Amplitude) von 1 Millizoll (entsprechend 1 Grad der gesamten Spitze-zu-Spitze-Winkelbewegung) von ihrer Mittelachse um lediglich 37 Mikrozoll ausgelenkt. Während eines einzelnen Bewegungszyklusses jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b auf und ab entlang der Zitterachse 41 wird jeder Beschleunigungsmesser 32 bei seiner Drehung um seinen durch seine Biegungen 34 und 36 gebildeten wirksamen Radius zwei Translationen unterzogen. Da diese doppelten Translationen oder "Schaukelbewegungen" innerhalb der Ebene des Siliziumsubstrates 16 und nicht entlang den Meßachsen 38a und b stattfinden, werden die Probleme, die bei den Sensoren mit Auslegung in Form eines Parallelogramms nach dem Stand der Technik auftreten, vermieden. Erstens wird auf die Eingänge der Beschleunigungsmesser 32 kein entsprechendes Fehlersignal doppelter Frequenz aufgeprägt, was, wie in dem US-Patent Nr. 4,799,385 beschrieben, bei der Verarbeitung eine Phasennachführung erforderte. Zweitens ist es nicht notwendig, die Schwingungsmitte zu versetzen oder eine Umkehrbeschleunigung in die Beschleunigungsmessermeßachsen einzukoppeln. Infolgedessen wird für jede Position der Beschleunigungsmesser 32a und b während ihrer Zitterbewegung nur sehr wenig Bewegung doppelter Frequenz auf ihre Meßachse 50 ausgeübt. Daher ist es nicht erforderlich, die Fehlausrichtung durch Addieren eines Versatzes zu dem Zitterantriebssignal "auszusteuern".
Die verschiedenen Komponenten des Siliziumsubstrates 16 können durch verschiedene, in der Technik wohlbekannte Verfahren wie z. B. naßchemisches Ätzen, trockenchemisches Ätzen, Plasmaätzen, Sputterätzen oder reaktives Ionenätzen mikrostrukturiert werden. Für eine ausführliche Erörterung derartiger Verfahren wird auf die folgenden Veröffentlichungen verwiesen: VLSI Fabrication Principles [Grundlagen der VLSI-Fertigung] von Sorab K. Ghandi und Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1 - Process Technology [Siliziumbearbeitung für das VLSI-Zeitalter, Band 1 - Verfahrenstechnik] von S. Wolf & R. J. Tauber.
Bei diesem veranschaulichenden Beispiel des Siliziumsubstrates 16 würde die maximale Fehlausrichtung der Beschleunigungsmesser 32 von der Mittelachse des Substrates unter 0,1 mrad liegen. Dies hat den Vorzug, daß die von dem Zitterantrieb hervorgerufene zweite harmonische Verzerrung nicht vollständig in das von den Beschleunigungsmessern 32a und b ausgegebene Signal mit Drehkomponente übertragen wird. Ansonsten könnte, wie in den parallelogrammförmigen Antriebsanordnungen des Standes der Technik offenbart, diese zweite harmonische Antriebsverzerrung mit der quadrierenden Wirkung des doppelten Eintauchens multipliziert werden, um erste und dritte Harmonische zu erzeugen, die als Fehler in die Geschwindigkeitskanäle eingekoppelt werden können. Durch die Anordnung Seite an Seite und die präzise Mikrostrukturierung der Beschleunigungsmesser 32a und b innerhalb des Substrates 16 werden diese Fehler vermieden.
Wie oben erwähnt, ist jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b an "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 aufgehängt, die wirksame Drehradien bilden, die gleich dem von den Verbindungsarmen 74a und b gebildeten Radius sind. Ohne einen derartigen Aufbau würden die Beschleunigungsmesser 32a und b mit einer nichtsinusförmigen Bewegung zittern, was in das Geschwindigkeitssignal eine Verzerrung mit einer Harmonischen höherer Ordnung einführen würde. Es wird in Betracht gezogen, daß es aufgrund des Versatzes der Meßachse 50, der sich daraus ergibt, daß die Massenschwerpunkte 50 oberhalb der Biegungen angeordnet sind, zu einer gewissen Ankopplung kommt; im Vergleich zu der Ankopplung, die durch die parallelogrammförmigen Konstruktionen des Standes der Technik eingeführt werden, ist eine derartige Kopplung jedoch unbedeutend.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3A wird eine Zitterantriebsschaltung 127 zum Liefern einer an die Wirkabschnitte 92a und b anzulegenden sinusförmigen Spannung gezeigt. Der leitfähige Weg 92 bildet den ersten Wirkabschnitt 92a zum Mitteilen einer Schwingbewegung auf den Beschleunigungsmesser 34a und den zweiten Wirkabschnitt 92b zum Mitteilen einer Schwingbewegung auf den Beschleunigungsmesser 32b. Der Mittelpunkt des Leiters 92 ist über den Leiter 92c und einen Masseanschluß 88 mit Masse verbunden. Wie, in Fig. 1A und 1D gezeigt, wird senkrecht zu den Oberflächen des Substrates 16 ein Magnetfeld erzeugt und von dem Polstück 22 durch die Beschleunigungsmesser 34a und 34b fokussiert. Der Leiter 92 kann beispielhaft die Form einer Abscheidung aus Gold aufweisen. Bei einem veranschaulichenden Beispiel, bei dem die Länge des sich zwischen den Anschlüssen 86a und 88 (bzw. 86b und 88) erstreckenden Leiters 92 etwa 1 Zoll beträgt und mit einer Tiefe von 1 u-Meter und einer Breite von 10 u- Metern aufgetragen ist, liegt der von dem Leiter 92 mit einer derartigen Länge gebildete Widerstand in der Größenordnung von 100 Ohm. Wenn der Magnetfluß den leitfähigen Weg 92 kreuzt, wird darüber eine Spannung von etwa 0,5 Volt induziert, die etwa 2500 mal so groß ist wie die Spannungsamplitude des von der Zitterantriebsschaltung 127 von Fig. 3A an ihrem Ausgang 86-91 ausgegebenen Geschwindigkeitssignals. Um diese am Widerstand anliegende Spannung wirksam zu beseitigen, wird eine in Fig. 3A gezeigte Brücke 125 eingesetzt, deren eines Bein durch die parallelgeschalteten Wirkabschnitte 92a und b gebildet wird und ein zweites Bein durch einen Referenzleiter 93, der an dem Zitterrahmen 30 angeordnet ist und dessen Enden mit den Anschlüssen 91 und 95 verbunden sind, wie in Fig. 2A gezeigt. Die Wirkabschnitte 92a und b sind durch Verbinden der Anschlüsse 86a und b parallelgeschaltet; der Anschluß 88 wiederum bildet einen Knoten der Brücke 125 und die verbundenen Anschlüsse 86a und b einen weiteren Knoten. Der leitfähige Weg 92 bildet die beiden verbundenen Wirkabschnitte 92a und b, wobei der zusammengeschaltete Abschnitt des Leiters 92 über den leitfähigen Weg 92c mit dem Masseanschluß 88 verbunden ist. Die Wirkabschnitte 92a und 92b sind parallel geschaltet, um ein Bein der Brücke 125 zu bilden. Das andere Bein der Brücke 125 wird aus dem Referenzleiter 93 gebildet, dessen Länge halb so groß ist wie die Länge des Leiters 92 zwischen den Anschlüssen 86a und 88 (bzw. 86b und 88), z. B. ein halbes Zoll. Der Referenzleiter 93 ist aus dem gleichen Material hergestellt wie der Leiter 92, z. B. Gold, und ist bis zu einer gleichen Tiefe abgeschieden, wodurch eine gleiche Spannung, z. B. 0,5 V, sowohl an den parallelgeschalteten Wirkabschnitten 92a und b und am Referenzleiter 93 entsteht. Eine einzelne Antriebsspannung wird von einem ersten Brückenknoten 129 an Masse angelegt, wohingegen ein Ausgangssignal der Brücke 125, wie es an den Brückenknoten 86 und 91 entsteht, genommen und an einen ersten Operationsverstärker 128 angelegt wird, der die am Referenzleiter 93 entstandene Spannung von der an den parallelgeschalteten Wirkabschnitten 92a und b entstandenen subtrahiert. Ein zweiter Operationsverstärker 130 liefert die restliche Verstärkung, um das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers 128 bis auf etwa 2,5 V Spitze am Ausgang 132 zu verstärken. Mit der Brückenschaltung 125 ist ein Rückkopplungsweg verbunden, der eine Rückkopplung über die Position liefert sowie eine übermäßige Phasenverschiebung aufgrund der Pole hoher Ordnung des Operationsverstärkers, wodurch ein Schwingkreis aufgebaut wird, um das sinusförmige Signal zum Antreiben der Wirkabschnitte 92a und b zu liefern. Der Ausgang 132 wird durch ein zwischen dem Ausgang 132 und Masse geschaltetes Paar entgegengesetzt angeschlossener Zener-Dioden D1 und D2 geklemmt, um den Ausgang 132 zu klemmen und dadurch das an die Wirkabschnitte 92a und b angelegte Antriebssignal zu stabilisieren.
Wie in Fig. 3B gezeigt, wird das an dem Ausgang 132 der Zitterantriebsschaltung 127 erscheinende Geschwindigkeitssignal an eine Nulldurchgangs-Detektorschaltung 133 angelegt, mit deren Ausgangssignalen die Zähler zum Zählen des Quarzuhrsignals getaktet gesteuert werden, um das Coriolis-Geschwindigkeitssignal und das Beschleunigungskraftsignal zu demodulieren. Das Geschwindigkeitssignal wird über einen Kondensator C1 und einen Widerstand R10 an einen Operationsverstärker 134 angekoppelt, um ein Nulldurchgangssignal zu erzeugen. Die Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers 134 "quadriert" das Geschwindigkeitssignal und legt das "quadrierte" Signal an ein Paar von CMOS-Logikgattern 136 und 138 an, die zueinander parallelgeschaltet sind; diese Gatter bewirken eine Verschiebung der Spannung des Signals auf Pegel, die mit den Zählern kompatibel sind, z. B. 0 auf + oder -5 V. Ein weiteres, invertierendes Logikgatter 140 invertiert das Signal. Die in Fig. 3B dargestellten Signale werden an die Zähler 152 und 154 angelegt, wie in Fig. 3D gezeigt, um ein die Resonanzfrequenz für jede Halbperiode der Zitterfrequenz f anzeigendes Signal zu zählen, wodurch die Coriolis- Geschwindigkeitskomponente durch Invertieren jedes zweiten Abtastwertes demoduliert wird. Wie ausführlich in dem US-Patent Nr. 4,590,801 beschrieben wird, ist die Beschleunigung die Summe aller derartigen Abtastwerte.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3C wird eine alternative Auslegung der Zitterantriebsschaltung 127' gezeigt, die ein Zitterantriebssignal an den äußeren Anschlüssen 86a und 86b an die Wirkabschnitte 92a und b liefert. Wie oben beschrieben, wird von dem Magnet 20 und seiner Flußwegbaugruppe 18 ein Magnetfeld erzeugt und senkrecht zu den Oberflächen des Substrates 16 und den darauf angeordneten Wirkabschnitten 92a und b gerichtet, wodurch durch den durch die Wirkabschnitte 92a und b fließenden Strom eine Kraft erzeugt wird, um die Beschleunigungsmesser 32a und b in einer im wesentlichen geradlinigen, schwingenden Bewegung auf und ab entlang den Zitterachsen 41 zu bewegen, wie in Fig. 2A gezeigt. Die Beschleunigungsmesser 32a und b schwingen bzw. zittern mit der Frequenz f, die durch die mechanische Eigenschaft einschließlich der Federkonstanten der Biegungen 34, 36, 80 und 82 und der Masse der Beschleunigungsmesser 32a und b bestimmt ist. Das von der Zitterantriebsschaltung 127' abgegebene Zitterantriebssignal weist eine Frequenz auf, die der Frequenz f der Zitterschwingung entspricht und, wie oben erläutert, bei der weiteren Verarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale zum Demodulieren dieser Signale, um ein Kraftsignal F und ein Drehsignal Ω zu bilden, verwendet wird. Weiterhin 'ist ein nicht gezeigter Draht auf der Seite des Substrates 16, die der in Fig. 2A gezeigten Seite entgegengesetzt ist, angeordnet und bildet einen ersten und zweiten Sondenabschnitt 92a' und 92b'. In Fig. 3C wird der Anschluß der Sondenabschnitte 92a' und 92b' an Masse deutlicher gezeigt. Wenn die Beschleunigungsmesser 32a und b schwingen, bewegen sich die Sondenabschnitte 92a' und b' durch das von dem unitären Magnet 20 und seiner Baugruppe 18 erzeugte Magnetfeld und ein Strom wird darin induziert. Die entstehende Spannung wird über Widerstände R11 und R12 an ein Paar Operationsverstärker 142 und 144 angelegt, um daraufhin mit einem relativ hohen Verstärkungsfaktor verstärkt zu werden, bevor sie als das Zitterantriebssignal an die Wirkabschnitte 92a und b angelegt wird. Mit Hilfe der Zenerdioden D4 und D5 wird das Zitterantriebsspannungsausgangssignal des Operationsverstärkers 144 auf einen bekannten Spannungspegel geklemmt.
Durch die Auslegung der Beschleunigungsmesser 32a und b innerhalb ihres Siliziumsubstrates 16 und der Flußwegbaugruppe 18 und ihres unitären Magneten 20 wird eine erhebliche Kraft entwickelt, die über der kleinsten Umkehrbeschleunigung liegt, die erforderlich ist, um die Zitterbewegungen der Beschleunigungsmesser 32a und b zu bewirken. Es versteht sich in der Technik, daß eine kleinste Umkehrbeschleunigung erforderlich ist, um zu bewirken, daß jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b seine Bewegung in einer Richtung anhält und in die entgegengesetzte beschleunigt, wodurch die Zitterbewegung auftreten kann. Die Beschleunigungskraft F, die allgemein die Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b bewirkt, wird durch folgende Gleichung beschrieben:
F = mg = l · i · B, (1)
wobei i der Strom ist, der durch den leitfähigen Weg 92 fließt, der sich aus den Wirkabschnitten 92a und b zusammensetzt, l die effektive Länge desjenigen Abschnittes des leitfähigen Weges 92 innerhalb des Magnetflusses ist, der durch die Beschleunigungsmesser 32a und b verläuft, d. h. die Länge der Wirkabschnitte 92a und b, und B die Größe des Flusses ist. Bei einem veranschaulichenden Beispiel kann ein Strom von 5 Milliampere an jeden der Wirkabschnitte 92a und b angelegt werden, wobei die Wirkabschnitte 92a und b eine effektive Länge 1 von 6 mm aufweisen können und von dem Magneten 20 und seiner Baugruppe 18 ohne weiteres 8 Kilogauß geliefert werden können. Wenn die Gleichung (1) nach der Masse m hin aufgelöst wird, wobei g die allgemeine Gravitationskonstante ist, so zeigt sich, daß bei diesem Beispiel ohne weiteres eine Kraft von 2,4 Milligramm entwickelt werden kann. Bei einem derartigen Beispiel liegt die Resonanzfrequenz der auf die Beschleunigungsmesser 32a und b ausgeübten Zitterbewegung bei etwa 500 Hz und einer Auslenkung D der Beschleunigungsmesser bei 1 Millizoll. Die Antriebsbeschleunigung a kann aus folgender Gleichung berechnet werden:
wobei D die Auslenkung, f die Zitterfrequenz und K ein Umwandlungsfaktor ist. Die berechnete Kraft für eine Auslenkung D von 1 Millizoll bei 500 Hz beträgt 25 g Spitzenbeschleunigung. Wo der durch den Gütefaktor der Beschleunigungsmesser gebildete mechanische Verstärkungsfaktor des Federmassensystems auf einen bescheidenen Wert von 1000 eingestellt ist, entspricht die durch die Wechselwirkung eines durch den leitfähigen Weg 92 gehenden Stroms und des durch die Beschleunigungsmesser 32 gerichteten Magnetflusses entwickelte Kraft 0,025 g (25 g/1000). Diese Kraft reicht aus, um die berechnete Massenkraft von 0,024 Gramm zu beschleunigen. Es wird darauf hingewiesen, daß der Gütefaktor reiner Quarze bis zu 10,000 betragen kann, was zeigt, daß das oben beschriebene Zittersystem mehr als in der Lage ist, genügend Kraft zu entwickeln, um die erforderliche zitternde Antriebsbewegung zu bewirken.
Die folgenden Berechnungen zeigen, daß die Werte von &epsi;, die in den Sondenabschnitten 92a' und 92b' induzierte Spannung, im Vergleich zu dem Rauschen, wie man es in solchen Operationsverstärkern findet, die sonst in die Antriebsschaltung 127', wie sie in Fig. 3C gezeigt ist, eingebaut würden, relativ, hoch sind. Werte für &epsi; werden durch folgende Gleichung geliefert:
e = v · B · l, (3)
wobei v die Amplitude des Geschwindigkeitsausgangssignals der Beschleunigungsmesser 32, B die Stärke des die Wirkabschnitte 92a und b kreuzenden Magnetfeldes, l die effektive Länge des Leiters innerhalb des Magnetflußfeldes ist. Bei einer Zitterauslenkung D von 1 Millizoll, einer Resonanzfrequenz des Beschleunigungsmessers von 500 Hz, einem Geschwindigkeitssignal v von etwa 8 cm/s, einer Länge 1 der Wirkabschnitte 92a und b von 6 mm und einer Flußstärke von 8 Kilogauß hat das Ausgangssignal eines einzelnen Sondenabschnitts 92a' eine Größe von 0,4 mV. Wenn die Ausgänge der Beschleunigungsmesser 32a und b in Reihe geschaltet sind, wird die Ausgangsspannung auf 0,8 mV verdoppelt. Ein Operationsverstärker, wie er in den Antriebsschaltungen von Fig. 3A und C enthalten sein kann, weist in der Regel ein Rauschen von 0,1 uV bei einer Bandbreite von 10 kHz auf. Wenn der Operationsverstärker einen Verstärkungsfaktor von 3 · 103 aufweist, kann sein Ausgangssignal in der Regel bei 2,4 V Spitze liegen, was ein Rausch- Spitzensignalverhältnis von 0,01% liefert, was ein gutes Anzeichen dafür ist, daß der Sensor 10 bei dem in den zur Verfügung stehenden Operationsverstärkern anzutreffenden inhärenten Rauschpegel ein guter Geschwindigkeitssensor ist.
Die Genauigkeit, mit der der Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensor 10 hergestellt werden kann, die Symmetrie der Beschleunigungsmesser 32a und b und ihre Aufhängung an den Biegungen 34 und 36 und die Verbindung durch das Verbindungsstück 72, um die Beschleunigungsmesser 32a und b in gleichgroße und entgegengesetzte Bewegungen zu versetzen, weisen dahingehend einen kumulativen Effekt auf, daß sie die Verarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale wesentlich vereinfachen, indem sie sie auf einen Schritt der Cosinus-Demodulation reduzieren. Dies kann in jeder Halbperiode geschehen, da im Gegensatz zu den parallelogrammförmigen Konstruktionen des Standes der Technik weder eine Sinus- noch eine Doppelfrequenz- Sinus-Demodulation erforderlich ist. Im Grunde genommen werden die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b voneinander subtrahiert, um das Linearbeschleunigungssignal zu erhalten und beide Signale zu mitteln, während jeder zweite Abtastwert invertiert wird, um zur Erzeugung eines Drehgeschwindigkeitssignals ω nach Cosinus zu demodulieren. Für eine derartige Verarbeitung wird weder eine Ausrichtungsnachführung noch eine Phasennachführung benötigt, wodurch bei einem veranschaulichenden Beispiel die Bandbreite des Drehbeschleunigungssignals Ω auf 1 kHz vergrößert wird.
Der Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensor 10 ist gegenüber der um seine Geschwindigkeitsachse 39 auferlegten Drehbeschleunigung, d. h. dem Moment jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b um die Geschwindigkeitsachse 39, empfindlich, wobei die Beschleunigungsempfindlichkeit in die nachfolgende Demodulationsverarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale eine unerwünschte Rauschkomponente einführt. Diese Rauschkomponente kann durch Differenzieren und Skalieren des Drehgeschwindigkeitssignals ω wirksam eliminiert werden. Wie oben angedeutet, sind die demodulierten Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32 letztendlich ein Maß für sein Drehgeschwindigkeitssignal ω, das differenziert werden kann, um eine Anzeige der Winkelbeschleunigung jedes Beschleunigungsmessers 32 zu erhalten. Da die Abmessungen und insbesondere der Abstand zwischen der Geschwindigkeitsachse 39 und jedem der Massenschwerpunkte 50a und b mit einem hohen Grad an Präzision bekannt ist, z. B. 40 Mikrozoll, wird dieser äquivalente Drehradius mit einer gemessenen Winkelbeschleunigungskraft multipliziert, um eine genaue Anzeige davon von der von der Winkelbeschleunigung hervorgerufenen linearen Beschleunigung zu erhalten. Das berechnete Beschleunigungsmoment wird von den Beschleunigungsmesserausgangssignalen subtrahiert, um derartige Beschleunigungsempfindlichkeit zu reduzieren oder im wesentlichen zu eliminieren.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3D wird gezeigt, wie die Ausgangssignale f1 und f2, wie sie von den jeweiligen Antriebsschaltungen 127a und c abgeleitet sind, verarbeitet und insbesondere jeweils an die Zähler 152 und 154 angelegt werden. Wie oben erläutert, verändern sich die Frequenzen der Ausgangssignale f1 und f2, wenn die schwingenden Balken 54 und 56 aufgrund von Beschleunigungen, die entlang der Kraftmeßachsen 38 der jeweiligen Beschleunigungsmesser 32 einwirken, in Zugspannung oder unter Druck gesetzt werden. Die Zitterantriebsschaltung 127b kann vorzugsweise die Form der in Fig. 3C oder alternativ Fig. 3A gezeigten Schaltung aufweisen. Die Antriebsschaltungen bzw. Signalgeneratoren 127a und c können beispielsweise die Form dieser in Fig. 3A gezeigten Schaltung aufweisen.
Die Zitterantriebsschaltung 127b liefert ein Ausgangssignal, das an die Gatterschaltung 133, wie sie oben mit Bezug auf Fig. 3B erörtert wurde, angelegt wird. Das Ausgangssignal der Gatterschaltung 133 ist ein Paar quadrierter Gattersteuersignale, die an die Zähler 152 und 154 angelegt werden. Dieses Paar von Gattersteuersignalen tritt an den Geschwindigkeits-Nulldurchgängen auf, um die Zähler 152 und 154 getaktet zu steuern. Dies ist etwa eine Ablesung bei 1 kHz oder der beiden Ränder der Geschwindigkeits-Nulldurchgänge. Die Zähler 152 und 154 zählen die Frequenzen der Beschleunigungsmesserausgangssignale f1 und f2 bezüglich eines Referenztaktsignals, das von einem Referenztaktgeber 150 erzeugt und an jeden der Zähler 152 und 154 angelegt wird. Ein Mikroprozessor wiederum liest das Ausgangssignal der Zähler 152 und 154 bei einer beispielhaften Frequenz von 1 kHz und verarbeitet diese Zählwerte, um eine Anzeige von ωv und ω zu geben.
Wie in dem eigenen US-Patent Nr. 4,786,861 ausführlich erläutert, erhält man Δv durch folgende Gleichung:
Δvi = A [(N1i - N2i) + FT + B (N1i + N2i)] (4)
wobei vi der "i-te" Abtastwert des Geschwindigkeitssignals, A und F Skalierungsfaktoren, N1i der vom Zähler 152 über eine Periode von 1 kHz (1 ms) für den "i-ten" Abtastwert abgeleitete Zählwert, N2i der vom Zähler 154 für den "i-ten" Abtastwert erhaltene Zählwert, T die Zeitperiode und B der Versatzkorrekturausdruck ist. Wie in der Technik wohlbekannt, erhält man Δθi durch folgende Gleichung:
Δθi = a (cos N1i + cos N2i + b (cos N1i - cos N2i) (5)
wobei a ein Skalierungsfaktor und b ein Versatz- /Korrekturausdruck ist, und
cos (N1i) = N1i - N1(i-1), über jede Periode von 500 Hz oder (6)
cos (N1i) = (-1)i N1i, bei einer Geschwindigkeit von 1 kHz. (7)
Die Winkelbeschleunigung α ist gleich der linearen Beschleunigung, abgeleitet vom Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 32a oder b, dividiert durch den Äquivalenten Drehradius req gemäß folgender Gleichung:
Die Winkelbeschleunigung α wiederum ist eine Funktion der gemessenen Drehgeschwindigkeit ω gemäß folgender Gleichung:
Die Drehgeschwindigkeit wiederum kann wie folgt ausgedrückt werden:
Da die Ableitung der Drehgeschwindigkeit ω gleich der Beschleunigung α ist, kann die Beschleunigung durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Die Korrektur für die lineare Beschleunigung Alinear erhält man somit durch folgende Gleichung:
Der Mikroprozessor 156 wiederum ist auf herkömmliche Weise programmiert, um Werte für ALinearkorrektur von den Beschleunigungsmesserausgangssignalen f1 und f2 zu subtrahieren, um das Ergebnis hinsichtlich der Winkelbeschleunigung zu bereinigen.
Ein alternativer Zitterantrieb ist ebenfalls realisierbar. Beispielsweise können an dem Stützrahmen fingerartige Verlängerungen mit darauf abgeschiedenen Metallisierungen angebracht sein. Derartige Verlängerungen würden entsprechende Aufnahmekanäle im Zitterrahmen in Eingriff nehmen. Weitere Einzelheiten einer derartigen Antriebsanordnung finden sich in Tang et al., "Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures" (Seitlich angetriebene Polysiliziumresonanzmikrostrukturen), IEEE Katalog Nr. 89TH0249-3 (Februar 1989).
In einigen Situationen kann das Substrat 16 Torsionsbewegungsmoden erfahren, die innerhalb des Bereichs der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser 32a und 32b liegen. Derartige Torsionsmoden können dazu führen, daß die Beschleunigungsmesser 32a und 32b und ihre zugeordneten Komponenten, die sie an den Zitterrahmen 30 und aneinander anhängen, sich aus der Ebene des unitären Substrats 16 wegbewegen, wodurch sie eine Bewegungskomponente entlang der Kraftmeßachsen 38 ausüben. Das Verbindungsstück 72 wird eine derartige Torsionsbewegung möglicherweise nicht vollständig kompensieren. Infolgedessen sind die Bewegungskomponenten entlang der Meßachsen möglicherweise nicht notwendigerweise gleich und können so eine Fehlerquelle für die Berechnungen der Beschleunigung und der Winkeldrehrate sein.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des Substrats 16, das seine Torsionsmoden bei einer Frequenz aufweist, die wesentlich über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser 32a und 32b liegt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden die Biegungen 170 und 175 gebildet, indem Randteile des Beschleunigungsmesserstützrahmens 42 entfernt werden, um eine Aussparung zu bilden, so daß die Längen der Biegungen 170 und 175 kritisch so eingestellt sind, daß sich die erwünschte "S-förmige" Biegungbewegung ergibt. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2A gezeigten Beispiel jedoch halten die Biegungen 170 und 175 die jeweiligen Beschleunigungsmesser in einer Konfiguration, die zu der in Fig. 2A gezeigten invertiert ist. Außerdem sind auf jeder Seite der Beschleunigungsmesser weitere Randteile entfernt, um Verlängerungsfahnen 180, 185 zu schaffen. Jeder Beschleunigungsmesser enthält weiterhin eine Verstärkungsbiegung 190, die von der äußeren Fahne 180 aus verläuft. Die Verstärkungsbiegungen 190 enthalten jeweils einen ersten Biegungsteil 195, der sich von der Fahne 180 aus in der entgegengesetzten Richtung der Biegung 170 erstreckt, und einen zweiten Biegungsteil 200, der den Biegungsteil 195 mit dem Zitterrahmen 30 verbindet und der im wesentlichen senkrecht zum Biegungsteil 195 verläuft.
Durch das weitere Entfernen von Material von dem Stützrahmen 42 und dem Zitterrahmen 30 zur Schaffung der Verstärkungsbiegungen 190 werden der Masseschwerpunkt und der Schwingungsmittelpunkt jedes Beschleunigungsmessers verändert. Es müssen folglich weitere Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, daß das Substrat von der Masse her ausgeglichen bleibt, damit die Positionen der Meßachsen und der Drehpunkt in der gewünschten Ausrichtung bleiben. Der Teil des Stützrahmens 42, der sich nahe an der Strebe 52 befindet, ist zwar bei dem in Fig. 2A gezeigten Beispiel breit, doch ist der entsprechende Teil des Stützrahmens 42 in dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel verengt. Diese Verengung ist das Ergebnis des Entfernens von Material von dem breiten Teil des Stützrahmens 42, um das Material zu kompensieren, das entfernt ist, um die Verstärkungsbiegung 190 zu schaffen, und gleicht somit die Masse der Beschleunigungsmesser aus. Analog können die Bauteile, die das Verbindungsstück 72 ausmachen, von der Masse her ausgeglichen und verändert sein, damit die gewünschte Ausrichtung beibehalten wird. Bei der bevorzugten Auslegung sind die Bauteile so angeordnet, daß der Drehpunkt im Masseschwerpunkt des Substrats liegt und der Drehpunkt und der Schwingungsmittelpunkt jedes Beschleunigungsmessers alle entlang einer einzigen Achse liegen, die parallel zu dem Zitterantrieb ist.
Wie oben angemerkt, erzeugt die Aufhängung der Beschleunigungsmesser 32a und b durch die "S-förmigen" Biegungen 34 und 36 von Fig. 2A infolge der zitternden Bewegung eine Bewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b von relativ kleinen, entgegengesetzten Bögen. Obwohl die bogenförmige Bewegung bei vielen Anwendungen meist vernachlässigt werden kann, so kann sie doch bei Anwendungen, bei denen die Meßachsen bezüglich der Ebene des Substrats 16 gekippt sind, ein Fehlersignal hervorrufen. Derartige Anwendungen erfordern deshalb möglicherweise eine mehr lineare Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser.
Fig. 5 und 6 bestehen in eine rein lineare Zitterbewegung aufweisenden Stützkonfigurationen für Beschleunigungsmesser. Auch die Beispiele von Fig. 5 und 6 weisen einen Vorteil auf, insofern als die Frequenz der Torsionsmoden über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser liegt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel weisen die Beschleunigungsmesser 32 eine Beziehung Seite-an- Seite auf. Jeder Beschleunigungsmesser 32 weist eine äußere Fahne 180 und eine innere Fahne 185 auf, die sich von dem Stützrahmen 42 aus erstreckt. S-förmige Biegungen 205 erstrecken sich jeweils von der äußeren Fahne 180a des Beschleunigungsmessers 32a und der inneren Fahne 185b des Beschleunigungsmessers 32b, um mit einer ersten Seite 210 des Zitterrahmens 30 eine Verbindung einzugehen. Analog erstrecken sich S-förmige Biegungen 215 von der inneren Fahne 185a des Beschleunigungsmessers 32a und der äußeren Fahne 180b des Be schleunigungsmessers 32b, um mit einer zu der ersten Seite 210 entgegengesetzten und zu ihr im allgemeinen parallelen zweiten Seite 220 des Zitterrahmens 30 eine Verbindung einzugehen.
Obwohl die Konfiguration von Fig. 5 ein rein lineares Zittern hervorruft und nicht die bogenförmige Bewegung erfährt, die den zuvor beschriebenen Beispielen zu eigen ist, so neigt die Konfiguration doch dazu, jeden Beschleunigungsmesser um seine Meßachse drehen zu lassen. In Fig. 6 wird eine alternative, rein lineare Zitterkonfiguration gezeigt, die nicht den gleichen Grad an Drehung erfährt und deren Torsionsmoden bei einer Frequenz über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser liegen.
Wie in Fig. 6 dargestellt, sind die Beschleunigungsmesser 32 in einer Beziehung Seite-an-Seite angeordnet. Jeder Beschleunigungsmesser 32 enthält eine äußere Fahne 180 und eine innere Fahne 185, die sich von dem jeweiligen Stützrahmen 42 aus erstreckt. Die äußere Fahne 180 jedes Beschleunigungsmessers ist mit zwei in entgegengesetzte Richtungen zeigenden L-förmigen Biegungen 225, 230 verbunden. Die innere Fahne 185 jedes Beschleunigungsmessers 32 ist mit einer einzelnen L- förmigen Biegung 235 verbunden. Jede L-förmige Biegung 225, 230, 235 enthält einen mit der jeweiligen Fahne verbundenen, sich in Längsrichtung erstreckenden Teil 240 und einen sich in Querrichtung erstreckenden Teil 245, der sich von dem sich in Längsrichtung erstreckenden Teil 240 aus erstreckt, um an den Zitterrahmen 30 anzuschließen. Die sich in Querrichtung erstreckenden Teile 245 werden durch Ausschneiden eines Teils des Zitterrahmens 30 gebildet, so daß die sich in Querrichtung erstreckenden Teile die gewünschte Länge aufweisen. Bei einer bevorzugten Auslegung weisen die sich in Längsrichtung erstreckenden Teile 240 jeder L- förmigen Biegung alle eine Länge L auf. Die sich in Querrichtung erstreckenden Teile 245b, c, d und e weisen alle eine Länge gleich L/2 auf, während die sich in Querrichtung erstreckenden Teile 245a und f auf eine Länge gleich L/2,52 geschnitten sind.
Fig. 7-13 betreffen Beschleunigungsmesserstützkonfigurationen mit einer rein linearen Zitterbewegung, die keine unerwünschte Drehung der Beschleunigungsmesser 32 um ihre Meßachsen erfahren. Bei dem Beispiel von Fig. 7 sind die Beschleunigungsmesser 32 mit dem Zitterrahmen 30 über eine Konfiguration aus Rücken-an-Rücken angeordneten S-förmigen Biegungseinheiten 250 verbunden. Jede der Rücken-an- Rücken angeordneten S-förmigen Biegungseinheiten 250 enthält eine erste S-förmige Biegung 255, die mit einer Fahne an dem Stützrahmen 42 verbunden ist, und eine zweite S-förmige Biegung 260, die zu der ersten Biegung 255 allgemein parallel ist und die mit einer sich von dem Zitterrahmen 30 erstreckenden Fahne 265 verbunden ist. Die erste und die zweite S-förmige Biegung sind miteinander über eine Überkreuzungsbiegung 270 verbunden.
Wie dargestellt, weist jeder Beschleunigungsmesser 32 ein Paar Rücken-an-Rücken angeordnete S- förmige Biegungseinheiten 250 auf. Die äußeren Biegungen 260a, 260d sind mit dem Zitterrahmen 30 über Fahnen verbunden, die sich von entgegengesetzten parallelen Seiten 275 und 280 des Zitterrahmens aus erstrecken. Die inneren Biegungen 260b und 260c sind mit Fahnen verbunden, die sich von Stützgliedern 84 und 285 aus erstrecken, die sich von entgegengesetzten parallelen Seiten 210 und 220 des Zitterrahmens 30 aus erstrecken.
Fig. 8 stellt ein Beispiel dar, das zu Fig. 7 im wesentlichen ähnlich ist. Der Hauptunterschied besteht in dem Verbindungsstück 72. Insbesondere wird die lineare Resonanz in den durch Pfeil 295 gezeigten Richtungen verstärkt, indem eine kreisbogenförmige Biegung 300 an dem Mittelteil 302 verwendet wird, der mit einem sich senkrecht von dem Stützglied 84 erstreckenden Drehpunkt 305 verbunden ist. Bei Herstellung aus Silizium können die Ränder der kreisbogenförmigen Biegung, je nach Art der zur Herstellung der Biegungen verwendeten Verarbeitung, viele Facetten aufweisen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, reaktives Ionenätzen zu verwenden, um die kreisbogenförmige Biegung zu bilden. Durch reaktives Ionenätzen wird die Facettenbildung, zu der es ansonsten kommen würde, auf ein Minimum reduziert bzw. eliminiert. Ein Paar Hebelarme 310, 315 erstrecken sich von dem Mittelteil 302 aus in entgegengesetzte Richtungen.
Im Idealfall begrenzen die Rücken-an-Rücken angeordneten Biegungseinheiten 250 das Zittern der Beschleunigungsmesser auf eine lineare Bewegung in der durch Pfeil 320 bezeichneten Richtung. Unter gewissen Umständen jedoch können die Biegungen in der durch Pfeil 325 bezeichneten Richtung einen Weichmodus erfahren und erfahren somit möglicherweise in den durch Pfeil 325 gezeigten Richtungen eine Blockdrehung. Fig. 9 stellt eine weitere Modifikation von Fig. 8 dar, die derartige Blockdrehung korrigiert. Bei diesem Beispiel weist jedes entsprechende Paar von Rücken-an-Rücken angeordneten, S- förmigen Biegungseinheiten 250 ihre eigenen Überkreuzungsbiegungen 270 auf, die durch einen Schwingbalken 330 miteinander verbunden sind.
Fig. 10 stellt ein weiteres Beispiel mit linearem Zittern dar. Bei diesem Beispiel wird jeder Beschleunigungsmesser 32 von vier Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten gestützt. Jede Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 250 bildet mit einer entsprechenden, in die entgegengesetzte Richtung zeigenden, Rücken-an- Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheit 250' ein Paar. Die in entgegengesetzte Richtungen zeigenden, Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten sind an Fahnen 180, 185, 335, 340 miteinander verbunden.
Wie unter Bezug auf Fig. 7 beschrieben, können die Biegungen eine Blockdrehung erfahren. Um die Blockdrehung zu korrigieren und die Beschleunigungsmesser entlang ihrer Pendelachsen weiter zu verstärken, können Schwingbalken 330 zwischen einem Paar von ähnlich gerichteten, Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten angeordnet sein.
Eine derartige Konfiguration wird in Fig. 11 gezeigt. Als Alternative kann, wie in Fig. 12 dargestellt, jedes Paar von ähnlich gerichteten, Rücken- an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten über einen Schwingbalken 330 verbunden sein.
Das Verbindungsstück 72 und zugeordnete Strukturen müssen in Fig. 12 verändert werden, da die Schwingbalken 330 die Verbindung zwischen dem Verbindungsstück 72 und dem Stützrahmen 42 jedes Beschleunigungsmessers 32 abschneiden. Wie dargestellt, sind die Hebelarme 310, 315 gekürzt. Eine Biegung 345 erstreckt sich jeweils von dem Ende jedes Hebelarms 310, 315 und ist mit einer L-förmigen Verlängerung 350 verbunden, die von dem Überkreuzungsbalken 270 einer innen angeordneten, Rücken-an-Rücken angeordneten, S- förmigen Biegungseinheit aus verläuft. Dieses Beispiel gestattet somit dem Verbindungsstück 72, im Gegensatz zu einer direkten Übertragung der Kraft auf den Stützrahmen 42, eine Zitterbewegung auf die Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 250b' und 250c auszuüben.
Fig. 13 zeigt eine weitere Konfiguration mit einem rein linearen Zittern, bei der eine Kopf-an-Kopf- Anordnung von Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 250 verwendet wird. Wie dargestellt, hat jeder Beschleunigungsmesser 32 vier Fahnen 335 bzw. 360, die von jeder der vier Ecken ihres jeweiligen Stützrahmens 42 aus verlaufen. Jeder Beschleunigungsmesser enthält zwei Paar Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheiten 250, wobei jedes Paar in einer Kopf-an-Kopf-Anordnung konfiguriert ist. Die äußeren Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 250a, 250a', 250d und 250d' verlaufen zwischen den jeweiligen äußeren Fahnen 355 und ausgeschnittenen Teilen 370 am Zitterrahmen 30.
Stützglieder 375 verlaufen von entgegengesetzten Seiten 210, 220 des Zitterrahmens 30 in den inneren Teil des Zitterrahmens und enden in einer Fahne 380. Jede innere Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 250b, 250b', 250c, 250c' weist eine Seite auf, die von der jeweiligen inneren Fahne 360 aus verläuft, während die andere Seite mit dem jeweiligen Stützglied 375 verbunden ist. Wie dargestellt, ist eine Menge von inneren Biegungseinheiten 250b' und 250c an der Fahne 380 mit dem jeweiligen Stützglied 375 verbunden, während die andere Menge von inneren Biegungseinheiten 250b und 250c' an ausgeschnittenen Teilen 385 im Stützrahmen mit dem Stützrahmen 42 verbunden sind.
Bei den oben offenbarten Beispielen war das Verbindungsstück 72 in einem Innenbereich zwischen den Beschleunigungsmessern 32 angeordnet und trennte sie voneinander. Allerdings muß das Verbindungsstück nicht notwendigerweise so angeordnet sein. Vielmehr können außerhalb der Beschleunigungsmesser 32 zwei Verbindungsstücke angeordnet sein, um für die erforderliche Steuerung der Zitterbewegung zu sorgen. In Fig. 14- 16 werden verschiedene Sensorsubstrate gezeigt, bei denen Paare von äußeren Verbindungsstücken zum Einsatz kommen.
Fig. 14 stellt ein Sensorsubstrat mit Beschleunigungsmessern 32 dar, die Kopf-an-Kopf angeordnet sind. Die Beschleunigungsmesser 32 sind über Biegungen 170, 175 mit entgegengesetzten Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 verbunden und verlaufen derart aufeinander zu, daß ihre Streben 52 nahe beieinander liegen. Auf entgegengesetzten Seiten der Beschleunigungsmesser 32 ist ein Paar äußerer Verbindungsstücke 72 angeordnet. Jedes Verbindungsstück 72 enthält ein Paar von parallelen Gliedern 76a und 76b, die die Hebelarme 74a und 74b mit einem Versteifungsglied 78 verbinden, das mit der Drehbiegung 82 verbunden ist. Die Drehbiegungen 82 wiederum sind mit entgegengesetzten Seiten 210, 220 des Zitterrahmens 30 verbunden. Von dem Ende jedes Hebelarms 74 aus verläuft jeweils eine Biegung 390 zu dem jeweiligen Beschleunigungsmesser 32, wodurch jedes Verbindungsstück einen Hebelarm aufweist, der mit dem einen Beschleunigungsmesser verbunden ist, während der andere Hebelarm mit dem anderen Beschleunigungsmesser verbunden ist. Da die Beschleunigungsmesser Kopf-an-Kopf angeordnet sind, zittern sie entlang von parallelen, durch Pfeile 392 und 393 angezeigten Zitterachsen.
Fig. 15 zeigt zwei Beschleunigungsmesser 32 in einer Beziehung Seite-an-Seite, die über ein Paar äußerer Verbindungsstücke miteinander verbunden sind. Ein Paar von entgegengesetzt gerichteten, Rücken-an- Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 250a und b sind zwischen inneren parallelen Seiten 395 der Stützrahmen 42 der Beschleunigungsmesser 32 angeordnet und sind mit Fahnen verbunden, die von dem Stützrahmen 42 aus verlaufen. Eine einzelne, Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 405 ist zwischen einer Fahne auf der Außenseite 410 des Stützrahmens 42 jedes Beschleunigungsmessers 32a und dem Zitterrahmen 30 verbunden. Die mit dem Beschleunigungsmesser 32 verbundene, Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 405a zeigt in eine Richtung, die der der Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheit 405b, die mit dem Beschleunigungsmesser 32b verbunden ist, entgegensetzt ist.
Zwei äußere Verbindungsstücke 72 sind aus entgegengesetzten Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 42 ausgeschnitten. Die entgegengesetzten Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 sind allgemein parallel zu den Außenseiten 410 der Stützrahmen 42, wenn der Sensor sich in Ruhe befindet. Jedes äußere Verbindungsstück enthält einen mittleren Teil 415 mit einer kreisbogenförmigen Biegung, die mit einem Drehpunkt 420 verbunden ist, der sich von der jeweiligen Seite 275, 280 des Zitterrahmens 30 senkrecht erstreckt. Die Verbindungsstücke 72 enthalten weiterhin Hebelarme 425, die von dem mittleren Teil 415 aus in entgegengesetzte Richtungen verlaufen. Eine Biegung 430 erstreckt sich von dem Ende jedes Hebelarms 425 aus. Eine Biegung ist direkt mit dem Stützrahmen des unmittelbar benachbarten Beschleunigungsmessers verbunden, während die anderen Biegungen mit einem Verlängerungsarm 435 verbunden ist, der von dem Stützrahmen 42 des entfernten Beschleunigungsmessers aus verläuft.
Bei Fig. 16 wird ein Paar äußerer Verbindungsstücke verwendet, die miteinander verbunden sind. Wie dargestellt, sind Beschleunigungsmesser 32 in einer Anordnung Seite-an-Seite plaziert. Die Beschleunigungsmesser sind über ein jeweiliges Paar von Biegungen 170 und 175 mit der gleichen Seite 210 des Zitterrahmens verbunden. Die Biegungen 170 und 175 verlaufen von Fahnen am Stützrahmen 42 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 32 und der Seite 210 des Zitterrahmens 30 aus.
Zwei äußere Verbindungsstücke 72 sind auf entgegengesetzten Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 42 angeordnet. Die entgegengesetzten Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 verlaufen im wesentlichen parallel zu den Außenseiten 410 der Stützrahmen 42, wenn der Sensor sich in Ruhe befindet. Jedes äußere Verbindungsstück enthält einen mittleren Teil 415 mit einer kreisbogenförmigen Biegung, die mit einem Drehpunkt 420 verbunden ist, der sich von der jeweiligen Seite 275, 280 des Zitterrahmens 30 senkrecht erstreckt. Die Verbindungsstücke 72 enthalten weiterhin ein Paar von im wesentlichen senkrechten Hebelarmen 445, 450. Ein erster Hebelarm 445 verläuft im wesentlichen parallel zu der Außenseite des jeweiligen Stützrahmens 42, während ein zweiter Hebelarm 450 sich von dem mittleren Teil 415 aus in einer Richtung senkrecht zum ersten Hebelarm 445 erstreckt. Eine Biegung 445 verläuft jeweils von jedem ersten Hebelarm 445 aus und ist mit der äußeren Fahne des unmittelbar benachbarten Beschleunigungsmessers verbunden. Die zweiten Hebelarme 450 jedes Verbindungsstücks 72 verlaufen aufeinander zu und sind durch ein Paar von in fast gleiche Richtungen weisenden, Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 460 und einen Verbindungsbalken 465, der zwischen den Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 460 verläuft, miteinander verbunden.
Die Beispiele von Fig. 14 und 16 erfahren die zuvor erwähnte bogenförmige Zitterbewegung, da die Biegungen, die die Beschleunigungsmesser mit dem Zitterrahmen verbinden, den in Fig. 2A gezeigten ähnlich sind. Wo eine derartige bogenförmige Bewegung nicht toleriert werden kann, kann das Beispiel von Fig. 15 zur Anwendung kommen, da es so ausgelegt ist, daß es eine rein lineare Zitterbewegung aufweist.
Die obigen Sensorsubstrate können modifiziert und in ein einzelnes Substrat, beispielsweise ein kristallines Quarzsubstrat, eingearbeitet werden, mit drei Sensoren, die ausgelegt sind, Winkeldrehrate und Beschleunigung entlang dreier schräg verlaufender Achsen zu messen, um einen Dreiachsen-Sensor zu bilden. Eine Ausführungsform der Erfindung, die ein Dreiachsen- Sensor-Substrat umfaßt, ist in Fig. 17 gezeigt.
Wie in Fig. 17 dargestellt, enthält das Substrat 500 drei koplanare Sensoren 505a, 505b und 505c, die in der gemeinsamen Ebene des Substrats zueinander unter etwa 120 Grad angeordnet sind. Jeder Sensor 505 enthält einen ersten Beschleunigungsmesser 510a und einen zweiten Beschleunigungsmesser 510b.
Wie bezüglich der Sensorsubstrate nach dem Stand der Technik beschrieben, enthält jeder Beschleunigungsmesser eine Prüfmasse, die über ein Paar paralleler Biegungen mit einem Sensorrahmen verbunden ist, und ein Paar schwingender Balken, mit denen eine Kraft auf die Prüfmasse erfaßt werden kann. Eine Querstrebe verläuft von der Prüfmasse zum Sensorrahmen, um die Querbewegung der Prüfmasse zu begrenzen. Im Gegensatz zu dem mit Bezug auf Fig. 2A oben beschriebenen Substrat jedoch sind die Beschleunigungsmesser 510 besonders ausgelegt, so daß ihre jeweiligen Meßachsen 515a und 515b bezüglich der Normalen 520 der Ebene des Substrats gekippt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Achsen bezüglich der Substratnormalen 520 unter einem Winkel von 35,26 Grad gekippt.
Fig. 18 zeigt eine Prüfmasse 530 und ihre zugeordneten Elemente ausführlicher. Wie gezeigt, enthält die Prüfmasse 530 ein Pendel 535, das beispielsweise aus dem Substrat hergestellt ist. Eine Massenplatte 540 ist mit dem Pendel 535 verbunden. Die Massenplatte 540 ist hinzugefügt, um den Massenmittelpunkt 545 der Prüfmasse 530 zu justieren, so daß die Meßachse 515 des Beschleunigungsmessers bezüglich der Normalen 520 der Ebene des Substrats unter einem Winkel von etwa 35,26 Grad gekippt ist. Der Eingangsbereich der Beschleunigung über die volle Skala hängt beim Beschleunigungsmesser von der Dichte des Materials der Massenplatte ab. Der Eingangsbereich kann somit durch Wahl des Materials der Massenplatte verändert werden. So kann beispielsweise das Pendel 535 aus Silizium hergestellt sein (das heißt, wenn für das Substrat Silizium verwendet wird) und 0,06 Zoll breit mal 0,06 Zoll lang mal 0,02 Zoll dick sein. Eine aus beispielsweise Wolfram hergestellte entsprechende Massenplatte würde ebenfalls etwa 0,02 Zoll dick sein und die gleichen Längen- und Breitenabmessungen aufweisen (1 Zoll = 2,54 cm). Der Eingangsbereich eines derartigen Beschleunigungsmessers würde im Vergleich mit einem Beschleunigungsmesser mit einer Prüfmasse, die vollständig aus Silizium hergestellt ist, in der Größenordnung von 9 : 1 abnehmen. Ein Beschleunigungsmesser, der bei Konstruktion mit einer vollständig aus Silizium bestehenden Prüfmasse üblicherweise einen Eingangsbereich von 90 G aufweisen würde, hätte somit einen Eingangsbereich von 10 G, wenn er mit einer Silizium-Wolfram-Prüfmasse konstruiert wäre. Im Vergleich wäre auch der Gütefaktor des Beschleunigungsmessers erheblich gesenkt. Es können auch andere Materialen für die Massenplatte verwendet werden, einschließlich Quarz oder eine Legierung auf Kobaltbasis wie beispielsweise Elgiloy oder Havar.
Der erste Beschleunigungsmesser 510a und der zweite Beschleunigungsmesser 510b jedes Sensors sind so angeordnet, daß ihre Meßachsen 515a und 515b allgemein parallel sind und in entgegengesetzte Richtungen weisen. Für die vorliegenden Zwecke soll eine derartige Auslegung als "antiparallel" bezeichnet werden. Die Meßachse des ersten Beschleunigungsmessers 510a ist somit unter einem Winkel in Richtung des Mittelpunkts 550 gekippt, während die Meßachse 515b des zweiten Beschleunigungsmessers 510b unter einem Winkel vom Mittelpunkt 550 weg gekippt ist. Die Achsen können aber auch allgemein parallel sein und in die gleiche Richtung weisen. Für die vorliegenden Zwecke soll eine derartige Auslegung als "parallel" bezeichnet werden. Da die parallele Auslegung nicht von sich aus das Linearbeschleunigungssignal aufhebt, kann es zusätzliche elektronische Verarbeitung erfordern, um die gewünschten Signale zu gewinnen (das heißt, die Linearbeschleunigungssignale von den Beschleunigungsmesserpaaren werden statt einer Summierung einer Subtraktion voneinander unterzogen).
Ein Verbindungsstück 555 verbindet die Sensorrahmen 560a, 560b des ersten und zweiten Beschleunigungsmessers 510a, 510b, so daß ein beliebiges Zittern des ersten Beschleunigungsmessers 510a ein entsprechendes Zittern des zweiten Beschleunigungsmessers 510b hervorruft und umgekehrt. Jeder Sensor kann somit dafür verwendet werden, die Linearbeschleunigung entlang der Meßachsen seines jeweils ersten und zweiten Beschleunigungsmessers zu messen, und er kann weiterhin dafür verwendet werden, gleichzeitig die Winkeldrehrate in Richtung des Kreuzprodukts zwischen einem Zittereinheitsvektor und einem Einheitsvektor entlang der Meßachsen zu messen.
Das Dreiachsen-Sensor-Substrat enthält auch einen Hauptrahmen 565. Ein Paar paralleler Biegungen 570a, 570b und eine Verstärkungsbiegung 575 verbinden den Sensorrahmen jedes Beschleunigungsmessers mit dem Hauptrahmen 565. Das Verbindungsstück 555 ist über eine Drehbiegung 580 mit einem Stützglied 585 verbunden, das von dem Hauptrahmen 565 aus verläuft. Ein radiales Nabenglied 590 verbindet jeweils die Verbindungsstücke 555 jedes Sensors mit einer Nabe 595. Jedes radiale Nabenglied 590 enthält zwei starre Teile 595a und 595b, die auf entgegengesetzten Seiten einer Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheit 600 angeordnet sind. Die Verbindungsstücke 555, die radialen Nabenglieder 590 und die Nabe 595 stellen zusammen sicher, daß alle Beschleunigungsmesser in der Ebene des Substrats mit der gleichen Frequenz zittern.
Fig. 19 stellt ein weiteres Beispiel eines Dreiachsen-Sensor-Substrats 500 dar. Wie dargestellt, enthält die Nabe 605 drei radiale Arme 610, die zueinander unter Winkeln von 120 Grad angeordnet sind. Jeder Arm 610 endet in einem Stützglied 615, das über eine Drehbiegung 620 mit dem entsprechenden Verbindungsstück 625 verbunden ist. Außerdem ist die Nabe 605 über Speichen 635, die von der Nabe 605 aus radial zu einem Hauptrahmen 630 verlaufen und die zueinander unter einem Winkel von 120 Grad angeordnet sind, mit dem Hauptrahmen 630 verbunden. Die jeweils jedem Beschleunigungsmesser 510 zugeordneten parallelen Biegungen 640, 645 sind, statt direkt mit dem Hauptrahmen 630 verbunden zu sein, mit einer entsprechenden Speiche 635 verbunden.
Wie aus Fig. 19 ersichtlich, ist jede äußere Biegung 640 mit einer an einem Mittelteil einer Außenseite des jeweiligen Stützrahmens angeordneten äußeren Fahne verbunden. Jede innere Biegung 645 ist mit einer inneren Ecke des Beschleunigungsmessers verbunden. Dies gestattet, die Biegungen im gleichen gewünschten Modus mit der gleichen Länge und Krümmung auszubilden. Die Meßachsen der Beschleunigungsmesser 510 dieses Sensors sind auf die gleiche Weise angeordnet wie der Sensor von Fig. 18.
Fig. 20 zeigt ein weiteres Beispiel des Dreiachsen-Sensors 500. Bei diesem Beispiel liegt die Nabe 650 in Form eines gleichseitigen Dreiecks vor. Jeder Seitenteil 655 der Nabe 650 weist einen Arm 660 auf, der in einem Stützglied 665 endet, das wiederum mit einer Dreharmbiegung 670 verbunden ist, die von dem jeweiligen Verbindungsstück 675 aus verläuft. Wie dargestellt, verlaufen Speichen 680 von den Scheitelteilen 685 der Nabe und verbinden die Nabe 650 mit einem Hauptrahmen 690.
Jedem Seitenteil 655 der Nabe 650 ist jeweils ein Sensor 695 zugeordnet. Jeder Beschleunigungsmesser 510 jedes Sensors ist über ein Paar von parallelen Biegungen 700, 705, die von den Ecken des jeweiligen Sensorrahmens 560 aus verlaufen, mit dem jeweiligen Seitenteil 655 der Nabe 650 verbunden. Die gemeinsame Verbindung zwischen den Beschleunigungsmessern 510 und der Nabe 650 stellt sicher, daß alle Beschleunigungsmesser in der Ebene des Substrats zittern.
Die Dreiachsen-Sensoren der obigen Ausführungsformen können funktionsmäßig in zwei Mengen von drei Beschleunigungsmessern unterteilt werden. Eine erste Menge von drei Beschleunigungsmessern ist in der Ebene derart angeordnet, daß ihre Meßachsen zueinander schräg verlaufen und in Richtung der senkrecht auf der Nabe stehenden Mittelachse weisen. Die verbleibende zweite Menge von drei Beschleunigungsmessern ist so angeordnet, daß ihre Meßachsen ebenfalls zueinander schräg verlaufen und eine Richtung aufweisen, die den Meßachsen der ersten Menge von drei Beschleunigungsmessern entgegengesetzt ist, so daß sie von der senkrecht auf der Nabe stehenden Mittelachse aus nach außen weisen. Bei Antrieb durch einen Zitteroszillator bewirken die Verbindungsstücke und die zugeordneten Bauteile, daß die erste Menge von Beschleunigungsmessern in einer Richtung zittert, die dem Zittern der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern entgegengesetzt ist, was ein gleichzeitiges Messen von Linearbeschleunigung und Winkeldrehrate gestattet.
Die Ausführungsformen der aus einem einzigen Substrat gebildeten Dreiachsen-Sensoren sind für Winkelbeschleunigung empfindlich, da die Meßachsen der Beschleunigungsmesser jedes einzelnen Sensors Seite an Seite liegen, wodurch sie tatsächlich einen Winkelbeschleunigungsmesser um die Geschwindigkeitsachsen mit niedriger Empfindlichkeit bilden. Um eine derartige Empfindlichkeit für die Winkeldrehrate zu reduzieren oder zu beseitigen, können die Meßachsen der entsprechenden Beschleunigungsmesser jedes Sensors ausgerichtet sein. Fig. 21-31 betreffen Beispiele eines Dreiachsen-Sensors, bei dem die Eingangsachsen ausgerichtet sind, um die Empfindlichkeit für die Winkeldrehrate zu reduzieren oder zu beseitigen. Fig. 32-35 zeigen eine alternative Verbindung für eine einzelne Achse. Fig. 21-35 betreffen nicht die vorliegende Erfindung.
Fig. 21-23 betreffen eine Ausführungsform eines derartigen Dreiachsen-Sensors. Der Dreiachsen- Sensor enthält ein erstes und zweites Substrat 705 bzw. 710, die in Fig. 21 und 22 gezeigt sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 21 enthält das erste Substrat 705 eine erste Menge von drei Beschleunigungsmessern 715, die zueinander unter einem Winkel von 120 Grad angeordnet sind und deren Meßachsen 720 in die Seite hinein und von der durch 725 gehenden Mittelachse weg gekippt sind, so daß die Meßachsen schräg zueinander liegen. Jeder Beschleunigungsmesser 715 ist über ein Paar von Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Bie gungseinheiten 735 mit einem Hauptrahmen 730 verbunden, wobei sich jeweils eine Biegungseinheit 735 von jeder der zwei entgegengesetzten Seiten des jeweiligen Sensorrahmens 740 erstreckt.
Wie dargestellt, enthält das erste Substrat 705 eine zentrale Nabe 745. Die Nabe enthält drei Arme 750, die zueinander unter einem Winkel von 120 Grad angeordnet sind. Die in dem ersten Substrat 705 gebildeten Beschleunigungsmesser 715 sind im Gegensatz zu denen des unten beschriebenen zweiten Substrats 710 nicht direkt mit der Nabe verbunden. Vielmehr sind zwischen der Nabe 745 und dem Stützrahmen 740 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 715 ein Verbindungsstück 755 und seine zugeordneten Bauteile angeordnet.
Jedes Verbindungsstück 755 enthält einen allgemein U-förmigen Teil 760, der über eine Drehbiegung 765 mit dem Hauptrahmen 730 verbunden ist. Ein Paar Hebelarme 770a und 770b verlaufen von dem U-förmigen Teil 760 jedes Verbindungsstücks 755 aus in entgegengesetzte Richtungen. Ein Hebelarm 770a ist mit einer senkrecht verlaufenden Biegung 775 verbunden, die den Hebelarm 770a mit einer Seite des Stützrahmens 740 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 715 verbindet. Der andere Hebelarm 770b jedes Verbindungsstücks 755 ist mit einer weiteren senkrecht verlaufenden Biegung 780 verbunden, die den Hebelarm 770b mit einem jeweiligen Arm 750 der Nabe 745 verbindet. Die Biegung 780 verläuft allgemein senkrecht zu dem jeweiligen Arm 750.
Das zweite Substrat 710 enthält eine zweite Menge von drei Beschleunigungsmessern 785, die zueinander unter einem Winkel von 120 Grad angeordnet sind und deren Meßachsen 790 aus der Seite heraus und in Richtung der durch 725 gehenden Mittelachse gekippt sind, so daß die Meßachsen schräg zueinander liegen.
Jeder Beschleunigungsmesser 785 ist über ein Paar von Rücken-an-Rücken angeordneten, S-förmigen Biegungseinheiten 795 mit einem Hauptrahmen 792 verbunden, wobei sich jeweils eine Biegungseinheit 795 von jeder der zwei entgegengesetzten Seiten des jeweiligen Sensorrahmens 800 erstreckt. Die in die Mitte weisende Seite 805 des Sensorrahmens 800 jedes Beschleunigungsmessers 785 ist mit einer zentralen Nabe 810 über ein radiales Nabenglied 815 verbunden, das einen starren Teil 820 enthält, der über eine Rücken-an-Rücken angeordnete, S- förmige Biegungseinheit 825 mit dem jeweiligen Arm 822 verbunden ist.
Die Hauptrahmen 730 und 792 des ersten und zweiten Substrats 705, 710 sind zueinander in fester Beziehung plaziert, damit die Beschleunigungsmesser richtig ausgerichtet sind. Außerdem sind die Naben miteinander verbunden, beispielsweise an den Nabenteilen der Dämpfungsplatten, die diejenigen Abschnitte des ersten und zweiten Substrats bedecken, die einander zugewandt sind.
Wie in der Querschnittsansicht von Fig. 23 gezeigt, sind das erste und das zweite Substrat so zueinander zusammengesetzt, daß jeder Beschleunigungsmesser des ersten Substrats 705 unter einem entsprechenden Beschleunigungsmesser des zweiten Substrats 710 liegt. Jeder Beschleunigungsmesser 715 des ersten Substrats ist so ausgerichtet, daß die jeweilige Meßachse 720 von der Mitte des Dreiachsen-Sensors abweicht. Die Substrate 705 und 710 sind so angeordnet, daß die Meßachse 790 jedes Beschleunigungsmessers 785 des zweiten Substrats 710 in eine Richtung zeigt, die der Meßachse 720 des entsprechenden Beschleunigungsmessers 715 im ersten Substrat 705 entgegengesetzt ist. Außerdem sind, wie in der Zeichnung gezeigt, die Meßachsen 720 und 790 so ausgerichtet, daß die Empfindlichkeit für Winkelbeschleunigung reduziert oder beseitigt wird. Um dies zu erreichen, befinden sich die Beschleunigungsmesser 785 des zweiten Substrats 710 in einem kleineren radialen Abstand vom Mittelpunkt als die entsprechenden Beschleunigungsmesser 715 des ersten Substrats 705.
In Fig. 23 werden auch weitere Gesichtspunkte des Dreiachsen-Sensors gezeigt. Wie dargestellt, weist jedes Substrat eine entsprechende Massenplatte 830 auf, die das Kippen der Meßachsen der Beschleunigungsmesser unterstützt und außerdem mit den Dämpfungsplatten 835 ihr Ansprechen dämpft. Außerdem ist jedes Substrat 705 und 710 von einem jeweiligen Paar von Abdeckplatten 835 eingeschlossen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 21 und 22, erzeugt eine beispielsweise an einen der Beschleunigungsmesser des ersten Substrats in der in Fig. 21 durch Pfeil 840 bezeichneten Richtung angelegte Zitterbewegung in den anderen Beschleunigungsmessern des ersten Substrats in der durch Pfeile 850 bezeichneten Richtung eine entsprechende Zitterbewegung. Die Verbindungsstücke 755 kehren diese Bewegung effektiv um, während sie auf die Nabe 745 übertragen wird. Die Nabe 745 dreht sich somit in der durch Pfeil 855 bezeichneten Richtung. Da die Naben des ersten und zweiten Substrats miteinander verbunden sind, erzeugt eine Drehung der Nabe des ersten Substrats eine entsprechende Drehung der Nabe des zweiten Susbtrats in der gleichen Richtung, hier in Fig. 22 durch Pfeil 860 bezeichnet. Diese Drehbewegung der Nabe des zweiten Substrats wird entlang den radialen Nabengliedern 815 übertragen und erzeugt ein lineares Zittern jedes Beschleunigungsmessers in der durch Pfeil 865 bezeichneten Richtung. Wie gezeigt, verläuft die lineare Zitterbewegung jedes Beschleunigungsmessers des zweiten Substrats entgegensetzt zur linearen Zitterbewegung des entsprechenden Beschleunigungsmessers des ersten Substrats.
Eine weitere Ausführungsform eines Dreiachsen- Sensors wird in Fig. 24-31 gezeigt. Diese Ausführungsform enthält ein erstes Substrat 870 mit einer ersten Menge von drei darin ausgebildeten koplanaren Beschleunigungsmessern 875, deren Stützrahmen 880 einstückig durch einen sechseckigen Hauptrahmen 885 miteinander verbunden sind, der die Beschleunigungsmesser zueinander unter einem Winkel von 120 Grad beabstandet. Der sechseckige Hauptrahmen 885 ist um eine sechseckige Nabe 890 herum konzentrisch angeordnet, die ebenfalls aus dem Substrat 870 gebildet ist. Die in dem Substrat gebildeten drei Biegungen 895 verbinden die Nabe 890 mit dem Hauptrahmen 885. Die Beschleunigungsmesser dieser ersten Menge, plus die unten ausführlicher beschriebene Massenplatte, sind derart ausgelegt, daß ihre Meßachsen 900 bezüglich der Normalen der Substratebene in Richtung der Mitte 905 gekippt sind und aus der Seite heraus zeigen. Die Meßachsen verlaufen deshalb schräg zueinander.
Eine zweite Menge von drei koplanaren Beschleunigungsmessern 910 ist in einem zweiten Substrat 915 gebildet, hier in Fig. 25 gezeigt. Die Stützrahmen 920 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 sind ebenfalls einstückig über einen sechseckigen Hauptrahmen 925 miteinander verbunden, der um eine sechseckige Nabe 930 herum konzentrisch angeordnet ist, die ebenfalls aus dem Substrat 915 gebildet ist. Der sechseckige Hauptrahmen 925 beabstandet die Beschleunigungsmesser 910 zueinander unter einem Winkel von 120 Grad. Drei Biegungen 935 sind in dem Substrat 915 gebildet und verbinden die Nabe 930 mit dem Hauptrahmen 925. Die Beschleunigungsmesser der zweiten Menge, plus die in der Baugruppe unten gezeigte Massenplatte, sind derart ausgelegt, daß ihre Meßachsen 937 bezüglich der Ebene des Substrats unter einem Winkel von der Mitte 905 weg gekippt sind und in die Seite hinein zeigen. Die Meßachsen verlaufen deshalb schräg zueinander. Außerdem sind die Nabe 930 und der Hauptrahmen 925 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 größer als die Nabe 890 und der Hauptrahmen 885 der ersten Menge von Beschleunigungsmessern 875. Wie aus der Beschreibung unten deutlicher hervorgeht, werden durch diese Anordnung die Meßachsen 900 der ersten Menge von Beschleunigungsmessern 875 zu den Meßachsen 937 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 ausgerichtet, wenn die erste und zweite Menge von Beschleunigungsmessern übereinander gestapelt sind (siehe Fig. 26).
Fig. 27 zeigt weitere Strukturen, die den Dreiachsen-Sensor der vorliegenden Ausführungsform umfassen. Die erste Menge von Beschleunigungsmessern ist, wie gezeigt, in einem ersten geschichteten Stapel 935, der eine erste Dämpfungsplatte 940, das erste Substrat 870, eine Massenplatte 945 und eine zweite Dämpfungsplatte 950 enthält, angeordnet. Die Massenplatte 945 ist über der unteren Fläche 955 der ersten Menge von Beschleunigungsmessern angeordnet und enthält eine Verlängerung des Materials, das über den Prüfmassen der Beschleunigungsmesser angeordnet ist. Dies wird zwar nur bezüglich der zweiten Dämpfungsplatte 950 gezeigt, doch enthalten sowohl die erste als auch die zweite Dämpfungsplatte 940, 950 Dämpfungslücken 960, die zurückgeätzt sind, um eine Bewegung der Prüfmassen der Beschleunigungsmesser zu gestatten.
Die zweite Menge von Beschleunigungsmessern 910 ist in einem zweiten geschichteten Stapel 965, der eine erste Dämpfungsplatte 970, eine Massenplatte 975, das zweite Substrat 915 und eine zweite Dämpfungsplatte 980 enthält, angeordnet. Die Massenplatte 975 ist über der oberen Fläche 985 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern angeordnet und enthält eine Verlängerung des Materials, das über den Prüfmassen der Beschleunigungsmesser angeordnet ist. Sowohl die erste als auch die zweite Dämpfungsplatte 970, 980 enthalten Dämpfungslücken 990, die zurückgeätzt sind, um eine Bewegung der Prüfmassen der Beschleunigungsmesser zu gestatten.
Der erste und der zweite geschichtete Stapel 935, 965 sind übereinander angeordnet, um einen vollständigen Dreiachsen-Sensor-Stapel 995 zu bilden. Der Nabenteil 1005 der ersten Dämpfungsplatte 970 des zweiten geschichteten Stapels 965 und der Nabenteil 1000 der zweiten Dämpfungsplatte 950 des ersten geschichteten Stapels 935 sind so konstruiert, daß sie geringfügig dicker sind als die Teile der Dämpfungsplatten, die jeweils den Hauptrahmen und die Beschleunigungsmesser bedecken. Mit den Nabenteilen 1000, 1005 der Dämpfungsplatten 950, 970 wird somit der Hauptrahmenteil 1007 des ersten geschichteten Stapels von den Hauptrahmenteilen 1009 des zweiten geschichteten Stapels beabstandet. Wenn eine Zitterbewegung angelegt wird, um die geschichteten Stapel anzutreiben, führt der natürliche Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten geschichteten Stapels dazu, daß der erste geschichtete Stapel sich bezüglich des zweiten geschichteten Stapels außer Phase und mit einer gemeinsamen Frequenz dreht, die sich von den Resonanzfrequenzen des ersten und zweiten Stapels geringfügig unterscheidet.
Eine Ansicht, teilweise im Querschnitt, des vollständigen Stapels wird in Fig. 28 gezeigt. Der Nabenteil 1010 und der Hauptrahmenteil 1009 des zweiten geschichteten Stapels 965 sind größer als der Nabenteil 1015 und der Hauptrahmenteil 1007 des ersten geschich teten Stapels 935, und zwar um einen Betrag, der ausreicht, die Meßachsen jedes Beschleunigungsmessers der ersten Menge von Beschleunigungsmessern 875 zu den Meßachsen der entsprechenden zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 auszurichten. Diese Auslegung gestattet somit, daß ein auf diese Weise gebildeter Dreiachsen-Sensor arbeitet, ohne für Winkelbeschleunigung empfindlich zu sein.
Der erste und der zweite geschichtete Stapel können durch Biegungen oder dergleichen miteinander verbunden sein, um eine Gegendrehung des ersten und zweiten geschichteten Stapels zu erleichtern. Ein Stapelverbindungsstück, das sich zur Verwendung beim Verbinden des ersten und zweiten geschichteten Stapels eignet, wird in Fig. 29 gezeigt.
Wie dargestellt, kann das Stapelverbindungsstück 1025 beispielsweise als Verlängerung von einer Seite 1028 des Nabenteils 1005 der zweiten Dämpfungsplatte 950 des ersten geschichteten Stapels 965 ausgebildet sein. Sowohl das Stapelverbindungsstück als auch die Nabe können aus einem einzigen Substratmaterial wie beispielsweise Quarz gebildet sein. Das Stapelverbindungsstück 1025 enthält ein erstes und ein zweites abgestuftes Glied 1030 und 1035, die in entgegengesetzte Richtungen weisen und jeweils einen ersten Stufenteil 1040 und einen zweiten Stufenteil 1045 aufweisen. Das erste und das zweite abgestufte Glied sind über eine Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 1050 miteinander verbunden, die als Koppler dient. Eine Biegung 1055 verläuft vom Endteil 1057 jedes abgestuften Glieds 1030, 1035 aus. Die Biegungen 1055 verlaufen aufeinander zu und sind mit jeweiligen L-förmigen Gliedern 1060 und 1065 verbunden. Während das L-förmige Glied nach innen in Richtung des Nabenteils 1005 verläuft, verläuft das L-förmige Glied 1065 vom Nabenteil 1005 aus nach außen. Winkelförmige Biegungen 1070 verlaufen von dem ersten und zweiten abgestuften Glied 1030 und 1035 aus beim Übergang der ersten und zweiten Stufe 1040 und 1045 und verbinden die erste und zweite Stufe mit dem Nabenteil 1005. Die winkelförmigen Biegungen 1070 biegen sich in einem einfachen Biegemodus.
Die abgestuften Glieder wirken effektiv als Mechanismen, in die die Rücken-an-Rücken angeordnete, S- förmige Biegungseinheit 1050 eingreift. Der durch das erste abgestufte Glied 1030 gebildete Mechanismus weist ein effektives Drehzentrum um Punkt 1075 auf, während das zweite abgestufte Glied 1035 ein effektives Drehzentrum um Punkt 1080 aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen drei Stapelverbindungsstücke 1025 von dem Nabenteil 1005 aus, wie in Fig. 30 gezeigt. Jedes Stapelverbindungsstück ist jeweils einem entsprechenden Paar von Beschleunigungsmessern zugeordnet und zu ihm ausgerichtet. Das L-förmige Glied 1060 ist mit dem ersten geschichteten Stapel 935 verbunden, während das L- förmige 1060 Glied 1065 mit dem zweiten geschichteten Stapel 965 verbunden ist. Die von einem Beschleunigungsmesser eines der Sensorenstapel angelegte Zitterbewegung wird auf die Stapelverbindungsstücke 1025 übertragen und führt zu einer Bewegung der Biegungseinheit 1050 und der abgestuften Glieder 1030, 1035 in den in Fig. 29 von den Pfeilen 1085 gezeigten Richtungen. Diese Bewegung wiederum bewirkt, daß die Stapel in entgegengesetzten Richtungen zittern.
Auf verschiedene Abmessungen sollte hingewiesen werden. Wie dargestellt, weist das erste abgestufte Glied 1030 eine zugeordnete Länge c auf, die dem Abstand zwischen dem Drehzentrum 1075 und der Mitte der Biegung 1055a entspricht. Analog dazu weist das zweite abgestufte Glied 1035 eine zugeordnete Länge d auf, die dem Abstand zwischen dem Drehzentrum 1080 und der Mitte der Biegung 1055b entspricht. Das Verhältnis c : d stellt das Übersetzungsverhältnis dar, das bei Auslegung des Stapelverbindungsstücks 1025 berücksichtigt werden sollte. Das Übersetzungsverhältnis sollte die Tatsache betrachten, daß die Hauptrahmenteile der geschichteten Stapel mit unterschiedlichen Radien angeordnet sind. Das Übersetzungsverhältnis c : d kann so gewählt werden, daß dies kompensiert wird, so daß entsprechende Beschleunigungsmesser den gleichen linearen Weg zurücklegen.
Die Abmessung b stellt die Entfernung vom Drehzentrum 1080 und dem Mittelpunkt zwischen den L- förmigen Gliedern dar (das heißt, b = (c + d)/2). Wenn das Stapelverbindungsstück 1025 und der Nabenteil 1005 aus kristallinem Quarz hergestellt sind, sollte das Verhältnis a : b folgender Gleichung genügen:
30 = Tan&supmin;¹ (a/b).
Bei Ausbildung auf diese Weise wird die Auslegung die dem kristallinen Quarz eigene Symmetrie der Kristallebenen nutzen.
Die Rücken-an-Rücken angeordnete, S-förmige Biegungseinheit 1050 wird möglicherweise einer Blockdrehung unterworfen. Um eine derartige Blockdrehung zu vermeiden, kann die Biegungseinheit 1050 durch den in Fig. 31 gezeigten Inline-Koppler 1090 ersetzt werden. Der Inline-Koppler 1090 enthält eine einzige Biegung 1095, die über in entgegengesetzte Richtungen weisende L-förmige Teile 1095 und 1100 mit den abgestuften Gliedern 1030 und 1035 verbunden ist.
Fig. 32-35 betreffen einen Einachsen- Beschleunigungs- und Winkeldrehratensensor, der für Winkelbeschleunigung unempfindlich ist. Der Sensor enthält einen ersten Beschleunigungsmesser 1105, der über eine Biegungskonfiguration, wie z. B. die, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 4 gezeigt und beschrieben worden ist, mit einem Zitterrahmen 1110 verbunden ist. Der Beschleunigungsmesser 1105 ist so innerhalb des Zitterrahmens 1110 angeordnet, daß er einen offenen Bereich a115 läßt. Der Beschleunigungsmesser 1105 enthält weiterhin eine empfindliche Achse 1120, die von der Seite aus nach außen verläuft.
Es wird auch ein zweiter, mit einem entsprechenden Zitterrahmen 1130 verbundener Beschleunigungsmesser 1125 (Fig. 34) verwendet, der eine empfindliche Achse 1135 aufweist, die nach innen in Richtung der Seite verläuft. Der zweite Beschleunigungsmesser 1125 ist innerhalb des Zitterrahmens 1130 angeordnet und läßt einen Bereich 1140 offen.
Fig. 33 stellt ein Verbindungsstück 1145 dar, das über eine Drehbiegung 1155 mit einem Verbindungsrahmen 1150 verbunden ist. Der Verbindungsrahmen 1150 enthält einen vorstehenden Teil 1160, der an seinen entgegengesetzten Seiten Kanäle 1170 definiert. Biegungen 1175 sind mit entgegengesetzten Armen 1180 des Verbindungsstücks 1145 verbunden und enden in Bondgliedern 1185 und 1190, die jeweils in den Kanälen 1170 angeordnet sind.
Ein zusammengebauter Sensor wird in Fig. 35 gezeigt. Wie dargestellt, wird der Sensor durch Bonden der Zitterrahmen 1110 und 1130 an entgegengesetzte Seiten des Verbindungsrahmens 1150 in einer Stapelstruktur gebildet. Das Bonden wird unter Verwendung eines standardmäßigen Bondverfahrens, das dem Fachmann bekannt ist, bewerkstelligt. Die empfindlichen Achsen 1120 und 1135 sind ausgerichtet, um die Empfindlichkeit für Winkelbeschleunigung zu begrenzen. Obwohl gezeigt wird, daß die Achsen in entgegengesetzte Richtungen zeigen (antiparallel), so können die Achsen auch entlang der gleichen Richtung liegen (parallel).
Unter Verwendung bekannter Bondtechniken ist eine erste Dämpfungsplatte 1195 an den ersten Zitterrahmen 1110 und eine zweite Dämpfungsplatte 2000 an den zweiten Zitterrahmen 1130 gebondet. Der vorstehende Teil 1160 des Verbindungsrahmens 1150 dient als weitere Dämpfungsplatte, die sowohl dem ersten als auch dem zweiten Beschleunigungsmesser 1105 und 1125 gemein ist.
Die Beschleunigungsmesser 1105 und 1125 sind über das Verbindungsstück 1145 miteinander verbunden, das in der Kammer, die offene Gebiete 115 und 1140 enthält, angeordnet ist. Bondglied 1185 ist mit dem Boden des Bondgebiets 2005 verbunden, hier mit Schraffierung des ersten Beschleunigungsmessers 1105 gezeigt. Analog dazu ist Bondglied 1190 mit dem Bondgebiet 2010 verbunden, hier mit Schraffierung des zweiten Beschleunigungsmessers 1125 gezeigt. Bei Betrieb gestattet das Verbindungsstück gleichgroße, aber entgegengesetzte Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser.
Im Zusammenhang mit Fig. 17-20 sind oben verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, doch wird der Durchschnittsfachmann erkennen, daß die Ausführungsformen modifiziert und geändert werden können. Die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind deshalb in jeder. Hinsicht als beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen, wobei der Schutzumfang der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche und nicht durch die vorangegangene Beschreibung angedeutet wird. Es ist deshalb die Absicht des Erfinders, hier alle Änderungen mit einzuschließen, die von Bedeutung und Umfang her den Ansprüchen gleichwertig sind.

Claims

1. Allgemein planares Substrat zur Verwendung in einem Dreiachsen-Winkelraten- und Beschleunigungssensor, folgendes umfassend:

eine erste Menge von drei in dem Substrat ausgebildeten koplanaren Beschleunigungsmessern, wobei jeder der ersten Menge von Beschleunigungsmessern eine Meßachse aufweist, die bezüglich der Ebene des Substrats unter einem Winkel gekippt ist, wobei die erste Menge von Beschleunigungsmessern so in der Ebene des Substrats angeordnet ist, daß die Meßachsen der ersten Menge von Beschleunigungsmessern orthogonal zueinander plaziert sind;

eine zweite Menge von drei in dem Substrat ausgebildeten koplanaren Beschleunigungsmessern, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern eine Meßachse aufweist, die bezüglich der Ebene des Substrats unter einem Winkel gekippt ist, wobei die zweite Menge von Beschleunigungsmessern so in der Ebene des Substrats angeordnet ist, daß die Meßachsen der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern orthogonal zueinander plaziert sind, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern mit einem entsprechenden Beschleunigungsmesser der ersten Menge von Beschleunigungsmessern ein Paar bildet, wobei entsprechende Beschleunigungsmesserpaare in entgegengesetzte Richtungen gerichtete Meßachsen aufweisen;

Vereinigungsmittel, die jeweils jedem entsprechenden, in dem Substrat ausgebildeten Beschleunigungsmesserpaar zugeordnet sind, zum Verbinden der ersten und zweiten Menge von Beschleunigungsmessern miteinander, damit alle Beschleunigungsmesser der ersten und zweiten Menge von Beschleunigungsmessern mit der gleichen Frequenz zittern können;

Verbindungsmittel, die die Vereinigungsmittel jedes jeweiligen Beschleunigungsmesserpaares mit einem gemeinsamen Nabenglied verbinden.

2. Allgemein planares Substrat nach Anspruch 1, bei dem das Vereinigungsmittel folgendes umfaßt:

ein jeweils jedem entsprechenden Beschleunigungsmesserpaar zugeordnetes Verbindungsstück zum Verbinden jedes Beschleunigungsmessers des entsprechenden Beschleunigungsmesserpaars miteinander, so daß eine Zitterbewegung an einem Beschleunigungsmesser des entsprechenden Beschleunigungsmesserpaars am anderen Beschleunigungsmesser des entsprechenden Beschleunigungsmesserpaars eine entgegengesetzte Zitterbewegung hervorruft;

eine zentrale Nabe;

ein radiales Nabenglied, jeweils jedem der entsprechenden Beschleunigungsmesserpaare zugeordnet, wobei jedes der radialen Nabenglieder das jeweilige Verbindungsstück mit der zentralen Nabe verbindet.