DE69331850T2

DE69331850T2 - Dreiachsenmessaufnehmer für Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung

Info

Publication number: DE69331850T2
Application number: DE69331850T
Authority: DE
Inventors: Hulsing
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1992-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: EP0674767B1; DE69320207T2; US5396797A; EP0845676A3; EP0674767A1; DE69332294T2; EP0845675B1; EP0845675A3; DE69332294D1; JPH08504275A; EP0845676A2; CA2151232A1; DE69320207D1; WO1994014076A1; DE69331850D1; EP0845675A2; EP0845676B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft mikrobearbeitete Bauelemente zur Verwendung bei Winkelgeschwindigkeit- und Beschleunigungsmessungen und insbesondere einen triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor zur Verwendung in Trägheitsmeßeinheiten, der aus einem einzigen Substrat mikrobearbeitet werden kann.

Bezug auf verwandte Anmeldungen

Es wird auf die folgenden gemeinsam übertragenen Patente Bezug genommen:
1) US 5241861 mit dem Titel "Monolithic Accelerometer", registriert am 6.07.1989 im Namen von Brian L. Norling;
2) US 5005413 mit dem Titel "Accelerometer with Co- Planar Push-Pull Force Transducers", registriert am 17.02.1989 im Namen von Mitch Novack;
3) US 5168756 mit dem Titel "Coriolis Inertial Rate and Acceleration Sensor", registriert im Namen von Rand H. Hulsing II;
4) US 5111694 mit dem Titel "Torque Coil Stress Isolator", registriert im Namen von S. Foote;
5) EP 0570521 mit dem Titel "Micromachined Rate and Acceleration Sensor".

Allgemeiner Stand der Technik

Trägheitsmeßeinheiten (IMUs) sind kritisch für den ordnungsgemäßen Betrieb von Trägheitsnavigations- und -leitsystemen. Solche Systeme werden auf Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrzeugen usw. verwendet.
Eine typische IMU verwendet ein Cluster von drei Beschleunigungsmessern und drei Kreiseln, die an einer schockisolierten Struktur angebracht sind. Die drei Beschleunigungsmesser dienen zur Messung der linearen Beschleunigung, während die Kreisel zur Messung der Winkelgeschwindigkeit dienen.
Das U.S.-Patent Nr. 4920801 betrifft einen monolithischen Beschleunigungsmesser, der lineare Beschleunigung in drei orthogonalen Richtungen messen kann. Der Beschleunigungsmesser verwendet drei koplanare Freiträger. Auf jedem der Freiträger ist eine Masse ausgebildet. Die Masse ist asymmetrisch um die neutrale Ebene des Trägers angeordnet, so daß die Meßachse in einem Winkel im Bezug auf die Ebene der Träger durch die Masse verläuft. Die Träger sind in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet, so daß die Meßachsen im wesentlichen orthogonal sind. Obwohl dieser Beschleunigungsmesser zur Messung der linearen Beschleunigung verwendet werden kann, kann er keine Winkelgeschwindigkeit messen.
Die Sundstrand Data Corporation waren die Pioniere bei der Entwicklung des SCIRASTM (Single Coriolis Inertial Rate and Acceleration Sensor). 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, Nummer 4, Seiten 347-59 (Herbst 1988), beschreibt der Erfinder einen Demonstrationsmechanismus, der gleichzeitig sowohl lineare Beschleunigung als auch Winkelgeschwindigkeit mit derselben Beschleunigungsmesserstruktur messen konnte. Der Mechanismus verwendete zwei Rücken an Rücken angeordnete Linear-Beschleunigungsmesser, die auf gegenüberliegenden Seiten einer flexiblen Parallelogrammstruktur angeordnet waren. Die Parallelogrammstruktur wurde mit einer vorbestimmten Zitterfrequenz geschüttelt. Während das Parallelogramm um flexible Bänder an seinen Ecken geschüttelt wird, wird auf beide Beschleunigungsmesser in gleichen und entgegengesetzten Richtungen eine vorherrschend lineare Bewegung angewandt. Durch Verwendung der Differenz zwischen den beiden Beschleunigungsmesserausgangssignalen wird die lineare Komponente gemessen. Durch Verwenden der Summe der beiden Ausgangssignale heben sich die linearen Komponenten auf, und es bleiben nur die Coriolis-Komponenten. Somit kann das kleine Coriolis-Beschleunigungssignal, das der Winkelgeschwindigkeit zugeordnet ist, durch Vergleichen der Skalierungsfaktoren der beiden Beschleunigungsmesser aus einer großen linearen Vibration extrahiert werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensorsubstrate, die zur Verwendung in Sensoren ausgelegt sind, die eine gleichzeitige Messung sowohl der linearen Beschleunigung als auch der Winkelgeschwindigkeit entlang dreier schräger Achsen ermöglichen. Der Sensor enthält zwei Mengen von jeweils drei Beschleunigungsmessern. Somit werden insgesamt sechs Beschleunigungsmesser verwendet.
Die Erfindung liefert eine Struktur zur Verwendung in einem triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor, umfassend:
eine erste Menge koplanarer Beschleunigungsmesser, die in einem ersten im allgemeinen planaren Substrat ausgebildet ist, wobei jeder der ersten Menge von Beschleunigungsmessern eine Meßachse aufweist, die relativ zu der Ebene des ersten Substrats in einem Winkel abgekantet ist, wobei die erste Menge von Beschleunigungsmessern in der Ebene des ersten Substrats angeordnet ist, um die Meßachsen der ersten Menge von Beschleunigungsmessern schräg zueinander zu plazieren;
eine zweite Menge koplanarer Beschleunigungsmesser, die in einem zweiten im allgemeinen planaren Substrat ausgebildet ist, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern eine Meßachse aufweist, die relativ zu der Ebene des zweiten Substrats in einem Winkel abgekantet ist, wobei die zweite Menge von Beschleunigungsmessern in der Ebene des zweiten Substrats angeordnet ist, um die Meßachsen der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern schräg zueinander zu plazieren, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern mit einem entsprechenden Beschleunigungsmesser der ersten Menge von Beschleunigungsmessern gepaart ist, wobei entsprechende Beschleunigungsmesserpaare Meßachsen aufweisen, die koaxial ausgerichtet sind;
ein Verbindungsmittel zum Verbinden der ersten und der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern miteinander, damit die Beschleunigungsmesser der ersten und der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern mit derselben Frequenz zittern können.
Obwohl die erste und die zweite Menge von Beschleunigungsmessern miteinander verbunden sind, so daß sie mit derselben Frequenz zittern, kann eine Phasendifferenz zwischen ihnen bestehen. Bei einer Ausführungsform ist die Phasendifferenz das Ergebnis eines Verbindungselements, das jedem Paar entsprechender Beschleunigungsmesser der ersten und der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern zugeordnet ist. Während die zweite Menge von Beschleunigungsmessern einer Zitterkraft in einer ersten Richtung ausgesetzt wird, bewirken die jeweiligen Verbindungselemente das Anwenden einer Gegenkraft, um die erste Menge von Beschleunigungsmessern in der entgegengesetzten Richtung zittern zu lassen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Phasendifferenz lediglich das Ergebnis der natürlichen Bewegung der Beschleunigungsmesser. Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Substrat, das die erste Menge von Beschleunigungsmessern bildet, und dem Substrat, das die zweite Menge von Beschleunigungsmessern bildet, ein Verbindungselement angeordnet. Das Verbindungselement bewirkt, daß die erste und die zweite Menge von Beschleunigungsmessern mit derselben Frequenz zittern, aber mit einer Phasendifferenz, die sich 180 Grad nähert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensors, der nicht Teil der Erfindung ist;
Fig. 1B ist eine Querschnitts-Draufsicht von unten des Sensors von Fig. 1A.
Fig. 1C ist eine seitliche Querschnittsansicht entlang der Linie 1C-1C von Fig. 1B.
Fig. 1D ist eine umgekehrte Ansicht eines Teils von Fig. 1A.
Fig. 1E ist eine obere Draufsicht der in dem Sensor, wie in Fig. 1A, B, C und D gezeigt, enthaltenen Flußwegbaugruppe.
Fig. 2A ist eine obere Draufsicht des unitären Substrats, aus dem ein Paar von Beschleunigungsmessern ausgebildet wird, die in einer nebeneinanderliegenden Beziehung angeordnet sind, wobei ihre Eingangsachsen in entgegengesetzte Richtungen zeigen, wie in Fig. 1A, 1C und 1D gezeigt.
Fig. 2B ist eine perspektivische Ansicht eines der in dem Substrat ausgebildeten Beschleunigungsmesser, wie in Fig. 2A gezeigt.
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 zur Bereitstellung von Ansteuersignalen für die Ansteuerspulen der in Fig. 2A gezeigten Beschleunigungsmesser.
Fig. 3B ist ein Schaltbild, das auf das Geschwindigkeitsausgangssignal der in Fig. 3A gezeigten Schaltung reagiert, um eine Torschaltung der Ausgangssignale des Beschleunigungsmessers in Zähler bereitzustellen.
Fig. 3C ist ein Schaltbild einer weiteren Oszillatorschaltung zum Messen von Signalen, die aus den Abnahmespulen, die auf den in Fig. 2A gezeigten Beschleunigungsmessern angeordnet sind, abgeleitet werden, um Ansteuersignale für die Spulen dieser Beschleunigungsmesser bereitzustellen, um deren Zitterbewegung zu bewirken.
Fig. 3D ist ein Funktionsblockschaltbild der Verarbeitung der Ausgangssignale der ersten und zweiten Beschleunigungsmesser, die in dem Siliziumsubstrat von Fig. 2A ausgebildet sind, und zeigt insbesondere, wie ein Paar von Zählern torgeschaltet wird, um die Beschleunigungsmesserausgangssignale effektiv zu demodulieren, um eine Anzeige der spezifischen Kraft und der Winkeldrehgeschwindigkeit des sich bewegenden Körpers bereitzustellen.
Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform des in Fig. 2A gezeigten Substrats, wobei das Sensorsubstrat mit einer Versteifungsunterstützung versehen ist, die die Torsionsmoden der Bewegung der Beschleunigungsmesser in eine Frequenz oberhalb der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser setzt.
Fig. 5-13 zeigen alternative Beispiele für das in Fig. 2A gezeigte Substrat, wobei die Beschleunigungsmesser auf rein lineare Weise zittern dürfen.
Fig. 14-16 zeigen alternative Beispiele für das in Fig. 2A gezeigte Substrat, wobei die Beschleunigungsmesser durch zwei extern angeordnete Verbindungen aneinander angekoppelt sind.
Fig. 17 zeigt ein Beispiel für ein Substrat für einen triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor, wobei sechs Beschleunigungsmesserstrukturen in einem einzigen monolithischen Substrat ausgebildet sind. Dieses Beispiel ist kein Teil der Erfindung.
Fig. 18 zeigt ein Verfahren zum Abkanten der Eingangsachse eines Beschleunigungsmessers mit einer Massenplatte.
Fig. 19 zeigt eine alternative Konfiguration des Substrats von Fig. 17.
Fig. 20 zeigt eine weitere alternative Konfiguration des Substrats von Fig. 17.
Fig. 21 und 22 zeigen zwei Substrate zur Verwendung in einem triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor gemäß der Erfindung, die so konfiguriert werden können, daß sie übereinander liegen, um die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu beseitigen.
Fig. 23 zeigt die Ausrichtung der in Fig. 21 und 22 gezeigten Substrate.
Fig. 24 und 25 zeigen eine weitere Ausführungsform zweiter Substrate zur Verwendung in einem triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor, die so konfiguriert werden können, daß sie übereinander liegen, um die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu beseitigen.
Fig. 26-28 zeigen ein Verfahren zur Anordnung der Substrate von Fig. 24 und 25 mit weiteren Strukturen des Sensors.
Fig. 29 zeigt eine Ausführungsform einer Stapelverbindung, die zum Verbinden der in Fig. 26-28 gezeigten Sensorstapel verwendet werden kann.
Fig. 30 zeigt die Verwendung dreier der in Fig. 29 gezeigten Stapelverbindungen.
Fig. 31 zeigt einen alternativen Koppler zum Koppeln der ersten und zweiten abgestuften Elemente der Stapelverbindung von Fig. 29.
Fig. 32-35 zeigen einen Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssensor mit einer einzigen Achse, der nicht Teil der Erfindung ist.
Es versteht sich, daß die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. In bestimmten Fällen wurden Einzelheiten, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht notwendig sind, der Klarheit halber weggelassen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Beschreibung der Fig. 1-16 betrifft Beispiele, die für ein Verständnis der Erfindung nützlich sind, aber kein Teil der Erfindung sind. Nunmehr mit Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen Fig. 1A, B, C und D die Anordnung eines Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensors 10, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Der Sensor 10 enthält eine Schale 12, in der ein unitäres Substrat 16 untergebracht ist, das beispielsweise aus Silizium hergestellt wird, und in dem beispielsweise durch Mikrobearbeitung ein Paar von Beschleunigungsmessern 32a und 32b ausgebildet ist, die in nebeneinanderliegender Beziehung angeordnet sind, so daß ihre Eingangsachsen 38a und b in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind (siehe Fig. 1D). Der Sensor 10 enthält außerdem einen unitären Magneten 20 und eine Flußwegbaugruppe 18, die einen magnetischen Weg zum Richten des aus dem Magneten 20 austretenden Flusses durch das Substrat 16 und seinen ersten und zweiten Beschleunigungsmesser 32a und b bereitstellt. Wie noch erläutert werden wird, gestattet die Konfiguration und Anordnung der Beschleunigungsmesser 32a und b in dem Substrat 16 einen einfachen unkomplizierten Magnetflußweg zur Bewirkung der Operation der Zitterbewegung und der Vibration eines Sensorelements der Beschleunigungsmesser 32a und b.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 2A sind die Einzelheiten des Substrats 16 gezeigt. Der erste und zweite Beschleunigungsmesser 32a und b werden aus dem unitären Siliziumsubstrat 16 durch Mikrobearbeitung ausgebildet, so daß ihre Eingangsachsen 38a und 38b in parallelen, aber entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind. In Fig. 2A ist die Eingangsachse 38a des Beschleunigungsmessers 32a aus der Seite heraus angeordnet, während die Eingangsachsen 38b des Beschleunigungsmessers 32b in die Seite hinein zeigt. Weiterhin sind die Eingangsachsen 38a und b senkrecht zu einer Zitter- oder Vibrationsachse 41 und einer Geschwindigkeitsachse 39 angeordnet. Wie in der Technik wohl verstanden ist, reagieren die Beschleunigungsmesser 32a und b auf eine lineare Beschleunigung entlang ihren Eingangsachsen 38a bzw. b und auf eine Drehung des Substrats 16 um ihre Geschwindigkeitsachse 39.
Das Substrat 16 enthält einen Zitter- oder Montagerahmen 30, von dem jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b jeweils durch ein Paar flexibler Bänder 34 und 36 aufgehängt ist, die bei Anwendung einer Zitterkraft mit einer "S-Kurven"-Bewegung vibrieren, um die Beschleunigungsmesser 32a und b in einer vorherrschend linearen Beziehung miteinander zu verschieben. Wie später weiter beschrieben, wird ein periodisches Ansteuersignal bzw. ein periodischer Ansteuerstrom über die externen Verbinder 86a und b an einen Leiter oder einen leitfähigen Weg 92 angelegt. Der Magnet 20 sendet ein im wesentlichen zu der Oberfläche des Substrats 16 senkrechtes Magnetfeld aus, wodurch die Beschleunigungsmesser 32a und b einer periodischen Zitterbewegung entlang ihrer Zitterachse 41 ausgesetzt sind.
Eine Verbindung 72 ist mit dem ungestützten Ende jedes Beschleunigungsmessers 32 verbunden, um sicherzustellen, daß die dem einen der Beschleunigungsmesser 32a vermittelte Zitterbewegung genau dieselbe Frequenz und dieselbe Phase aufweist, wie die an den anderen Beschleunigungsmesser 32b angelegte. Ohne eine Verbindung 72 dazwischen würden die Beschleunigungsmesser 32a und b tendenziell aufgrund einer geringfügigen Massenfehlanpassung mit etwas verschiedenen Frequenzen vibrieren. Auch bei Ansteuerung durch ein Ansteuersignal mit gemeinsamer Frequenz wären die Beschleunigungsmesserbewegungen tendenziell zueinander phasenverschoben. Die Verbindung 72 ist durch ein flexibles Band 80a mit dem sich frei bewegenden Ende des ersten Beschleunigungsmessers 32a gegenüber den flexiblen Bändern 34a und 36a verbunden, die den Beschleunigungsmesser 32a an dem Zitterrahmen 30 anbringen. Die Verbindung 72 gleicht einem Hebel, der schwenkbar um einen Schwenkpunkt 73, der durch ein flexibles Schwenkband 82 bereitgestellt wird, angebracht ist. Die Verbindung 72 enthält einen ersten und einen zweiten Hebelarm 74a und b, die sich in entgegengesetzten Richtungen von dem Schwenkpunkt 73 aus erstrecken. Der zweite Hebelarm 74b ist durch ein flexibles Band 80b mit dem sich frei bewegenden Ende des Beschleunigungsmessers 32b gegenüber seinem durch die flexiblen Bänder 34b und 36b mit dem Zitterrahmen 30 verbundenen Ende verbunden. Die Verbindung 72 enthält ein Paar von parallelen Gliedern 76a und 76b, die die Schwenkarme 74a und 74b mit einer Klammer 78 verbinden, die mit dem flexiblen Schwenkband 82 verbunden ist. Das flexible Schwenkband 82 ist wiederum entlang einer Mittelachse des Substrats 16 durch ein Stützglied 84 angebracht, das wiederum an dem Zitterrahmen 30 befestigt ist.
Wie in Fig. 2B ausführlicher gezeigt ist, enthält jeder Beschleunigungsmesser 32 ein Element 48, das die dem Sensor 10 auferlegte Beschleunigung mißt und ein Paar vibrierender Balken 54 und 56 enthält, die so angesteuert werden, daß sie in entgegengesetzten Richtungen vibrieren, wie durch die Pfeile 57' bzw. 57" angedeutet. Es versteht sich, daß die Pfeile 57' und 57" in einer parallelen Beziehung mit der Zitterachse 41 ausgerichtet sind und senkrecht zu den Eingangsachsen 38a und b und zu der Geschwindigkeitsachse 39 (siehe Fig. 2A) angeordnet sind. Ein Ende jedes der vibrierenden Balken 54 und 56 ist in einer relativ stationären Beziehung an einem Beschleunigungsmesser-Stützrahmen 42 befestigt. Die fernen Enden der vibrierenden Balken 54 und 56 sind mit einer Bezugsmasse 40 verbunden, die durch ein Paar von Gelenken 44 und 46 an dem Rahmen 42 aufgehängt ist. Wie in Fig. 2B gezeigt, definieren die Gelenke 44 und 46 eine Gelenkachse 47, um die sich die Bezugsmasse 40 dreht. Wenn entlang der Eingangsachse 38 jedes Beschleunigungsmessers 32 Beschleunigungskräfte angelegt werden, wird seine Bezugsmasse 40 tendenziell um seine Gelenkachse 47 geschwenkt. Das entgegengesetzte Ende der Bezugsmasse 40 ist nachgiebig oder flexibel durch eine Verstrebung 52 mit reduziertem Querschnitt mit dem Beschleunigungsmesser-Stützrahmen 42 verbunden, wodurch die Bezugsmasse 40 frei ist, sich entlang ihrer Eingangsachse 38 zu bewegen. Wie in Fig. 2C gezeigt, werden die Gelenke 44 und 46 durch Mikrobearbeitung des Siliziumsubstrats 16 zu einem relativ dünnen flexiblen Band in bezug auf die Breite des Stützrahmens 42 ausgebildet, wodurch die Bezugsmasse 40 um die Gelenkachse 47 schwenken kann.
Wie in Fig. 2A, B und C gezeigt, weist jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b eine entsprechende Verstrebung 52a oder b auf, die tendenziell störende Bewegungen, die an die Bezugsmassen 40a oder b angelegt werden, dämpfen oder vermindern. Jedem der Beschleunigungsmesser 32 und seiner Bezugsmasse 40 ist eine Pendelachse 53 zugeordnet. Wie am besten in Fig. 2C zu sehen ist, weist jede Bezugsmasse 40 einen Massenschwerpunkt 50 auf. Die Eingangsachse 38 jedes Beschleunigungsmessers 32 schneidet den Massenschwerpunkt 50 und ist senkrecht zu der Pendelachse 53 angeordnet. Die Pendelachse 53 verläuft durch den Massenschwerpunkt 50, die Gelenkachse 47 und die Verstrebung 52. In einem Darstellungsbeispiel ist die Eingangsachse 38 in einem spitzen Winkel von ungefähr 8º in bezug auf das unitäre Substrat 16 und seinen Stützrrahmen 42 geneigt. Außerdem schneidet die Zitterachse 41 die Massenschwerpunkte 50a und b beider Beschleunigungsmesser 32a und b und steht senkrecht auf ihren Eingangsachsen 38a und b. Durch Beschleunigungskräfte, die entlang der Gelenkachse 47 wirken, um Momente um die Pendelachse 53 zu entwickeln, die gleich dem Produkt dieser Kräfte mal einem Momentarm oder äquivalenten Drehungsradius 55 entsprechend dem vertikalen Abstand zwischen der Geschwindigkeitsachse 47 und dem Massenschwerpunkt 50 sind, können unerwünschte Momente erzeugt werden. Bei einem bevorzugten Entwurf besteht jede Verstrebung 52 aus Abmessungen mit reduziertem Querschnitt, z. B. 1 Millizoll zum Quadrat. Ein Fuß 58 ist in rechten Winkeln zu der Verstrebung 52 angeordnet, um das Ende der Verstrebung 52 mit der Bezugsmasse 40 zu verbinden. Wenn die Verstrebung 52 eine Länge L aufweist, kann der Fuß 58 mit einer Länge von L/4 konstruiert werden. Ein Ende der Verstrebung 52 ist mit einem inneren Peripherierand des Beschleunigungsmesser-Stützrahmens 42 verbunden, und ihr Fuß 58 ist mit einem Rand des freien Endes der Bezugsmasse 40 fern ihrer Gelenke 44 und 46 und ihrer Gelenkachse 47 verbunden. Durch Maximieren der Länge der Verstrebung 52 wird ihre Federkonstante reduziert, um maximale Flexibilität der Verstrebung 52 bereitzustellen. Der Fuß 58 ist so konfiguriert und bemessen, daß er relativ flexibel wird, so daß der Fuß 58 "S-Biegungen" durchführen wird, um eine Drehung der Bezugsmasse 40 im wesentlichen nur um ihre Gelenkachse 47 zu ermöglichen.
Die vibrierenden Balken 54 und 56 werden ebenfalls durch Mikrobearbeitung aus dem Substrat 16 ausgebildet, aber auf einer Oberfläche des Substrats 16 gegenüber der der Gelenke 44 und 46. Während Beschleunigungskräfte bewirken, daß sich die Bezugsmasse 40 nach oben dreht, wie in Fig. 2C gezeigt, werden somit beide vibrierenden Balken 54 komprimiert, während bei einer Schwenkung der Bezugsmasse 40 nach unten, wie in Fig. 2C gezeigt, die vibrierenden Balken 54 und 56 gespannt werden. Wenn die vibrierenden Balken 54 und 56 in Spannung versetzt werden, nimmt ihre Eigenfrequenz zu, und bei Komprimierung nimmt diese Frequenz ab.
Wie in Fig. 2A und B gezeigt, wird über Verbinderkontaktstellen 62 über einen leitfähigen Weg oder einen Leiter 60, der sich in einer ersten Richtung entlang des vibrierenden Balkens 54 und in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung entlang des vibrierenden Balkens 56 erstreckt, ein Ansteuersignal bzw. ein Ansteuerstrom angelegt, wodurch bei Vorliegen eines Magnetfelds, das durch den Magneten 20 erzeugt wird, die vibrierenden Balken 54 und 56 in entgegengesetzten Richtungen vibrieren. Eine Ansteuerschaltung 64 ist in den Beschleunigungsmesser- Stützrahmen 42 integriert, um den Strom für den Leiter 60 zu liefern. Die Ansteuerschaltung 64 liefert außerdem ein Ausgangssignal an den externen Verbinderweg 70, das die Frequenz anzeigt, mit der die vibrierenden Balken 54 und 56 vibrieren.
Ein wesentlicher Vorteil ist die Plazierung des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers 32a und b in dem Siliziumsubstrat 16, wodurch ein einziger Magnet 20 verwendet werden kann, um einen Magnetfluß für die doppelten Zwecke des Übermittelns der Zitterbewegung auf die Beschleunigungsmesser 32a und b und des Vermittelns einer Vibrationsbewegung auf die Sensorelemente 48 in Form der vibrierenden Balken 54 und 56 durch jeden der Beschleunigungsmesser 32a und b zu leiten. Fig. 1E zeigt die Flußwegbaugruppe 18 in ihrem flachen Zustand, bevor sie zu der in Fig. 1D gezeigten Konfiguration gefaltet wird. Die Baugruppe 18 stützt und hält das Substrat 16, ein Polstück 22 und den Magneten 20 in den in Fig. 1C und D gezeigten Positionen und enthält ein unteres Glied 100, entgegengesetzte Seitenglieder 106a und 106b und obere Glieder 108a und b. Die Baugruppe 18 wird wiederum innerhalb der Gehäuseabdeckung 12 durch ein Paar von Stützbeinen 110a und b gestützt, die sich nach unten erstrecken, um sich mit einem Gehäusering 14 und insbesondere einem Vorsprung 15 zu verbinden, wodurch die Baugruppe 18 sicher in der zusammengebauten Gehäuseabdeckung 12 und der Basis 14 gehalten wird.
Wie insbesondere in Fig. 1C gezeigt ist, liefert die Baugruppe 18 einen Flußweg durch diese für den aus dem Magneten 20 austretenden Fluß, der durch das Polstück 22 konzentriert oder fokussiert wird, um im wesentlichen durch den ersten und den zweiten Beschleunigungsmesser 32a und b zu verlaufen, bevor der Fluß in die begrenzten Beine 102a und b zurückkehrt. Danach verläuft der Fluß durch die Seitenglieder 106a und b und ihre jeweiligen oberen Glieder 108a und b und in den Magneten 20, um den Flußweg abzuschließen. Die beschriebene Struktur und insbesondere das Polstück 22 und die begrenzten Beine 102a und b konzentrieren den Fluß, so daß er im wesentlichen durch die Beschleunigungsmesser 32a und b verläuft, so daß beim Anlegen von Ansteuersignalen, die die Leiter 92 und 60 durchlaufen, den Beschleunigungsmessern 32a und b eine Zitterbewegung vermittelt wird, und den vibrierenden Balken 54a und b und 56a und b eine natürliche Vibrationsbewegung vermittelt wird. Das Polstück 22 weist ein Paar von Vorsprüngen 118a und b mit ungefähr denselben Abmessungen wie die entsprechenden Querschnittsflächen der Beschleunigungsmesser 32a und b auf, so daß der Fluß im wesentlichen durch die Beschleunigungsmesser 32a und b verläuft. Wie insbesondere in Fig. 1A und E gezeigt, bilden die begrenzten Beine 102 eine Öffnung 104 dort hindurch, in der nur ein nominaler Fluß erscheint, wobei sich versteht, daß der größte Teil des Flusses so konzentriert ist, daß er durch die Beine 102a und b verläuft. Es wird geschätzt, daß diese Konfiguration der Flußwegbaugruppe 18 die Stärke des durch die Beschleunigungsmesser 32a und b fließenden Flusses verdoppelt, so daß die an den Aufnahmespulen erscheinende Spannung proportional zunimmt und somit die Verstärkung dieser Ansteuerschaltung 127', die noch mit Bezug auf Fig. 3C erläutert werden wird, reduziert wird. Aufgrund der Plazierung der Beschleunigungsmesser 32a und b in nebeneinanderliegender Beziehung in einem einzigen, im wesentlichen planaren Substrat 16 kann somit ein einziger Magnet 20 und eine einfache Flußwegbaugruppe 18 verwendet werden, um den Magnetfluß bereitzustellen, um sowohl die Zitter- als auch Vibrationsbewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b effizient zu bewirken.
Wie in Fig. 2A gezeigt, ist der leitfähige Weg 92 auf der Oberseite des Substrats 16 abgelagert und erstreckt sich von dem externen Verbinder 86a an einem Bein des Zitterrahmens 30 herunter, horizontal über das flexible Band 36a und den unteren Peripherierand des Beschleunigungsmessers 32a, das vertikale flexible Band 80a herunter, über die Verbindungsarme 74a und 74b, das vertikale flexible Band 80b herunter, über den oberen Peripherierand des Beschleunigungsmessers 32b und sein flexibles Band 34b und das entgegengesetzte Bein des Zitterrahmens 30 herunter zu dem externen Verbinder 86b. Der leitfähige Weg 92 weist einen Mittelpunkt, der durch einen leitfähigen Weg 92c verbunden ist, und einen Masseanschluß 88 auf Masse auf. Um die Effizienz des Erzeugens der Zitterbewegung zu maximieren, folgt der leitfähige Weg 92 einem Weg entlang dem unteren Teil des Beschleunigungsmessers 32a und seines flexiblen Bands 36a und dem oberen Teil des Beschleunigungsmessers 32b und seines flexiblen Bands 34b, wobei diese Teile der Mitte des Substrats 16 am nächsten sind, wodurch der aus dem Magneten 20 austretende Magnetfluß, der durch das Polstück 22 und seine Vorsprünge 118a und b fokussiert wird, konzentriert wird, so daß er durch diese Teile des leitfähigen Weges 92 verläuft. Der leitfähige Weg 92 enthält einen ersten effektiven Teil, der durch die Zahl 92a identifiziert wird und auf dem flexiblen Band 36a und der Unterseite des Beschleunigungsmesserrahmens 42a des Beschleunigungsmessers 32a angebracht ist, und einen zweiten effektiven Teil 92b, der ähnlich, aber entgegengesetzt auf dem Beschleunigungsmesser 32b angebracht ist. Beide effektiven Teile 92a und b werden in dem durch den Magneten 20 und sein Polstück 22 erzeugten konzentrierten Magnetfluß angeordnet. Durch diese Konfiguration des leitfähigen Weges 92 und seiner effektiven Teile 92a und b wird die Ansteuerkraft der Zitterbewegung maximiert.
Wie in Fig. 1A gezeigt, wird das Substrat 16 mit einem Paar von Staubabdeckungen 17a und b versehen, die jeweils auf entgegengesetzten Oberflächen des Substrats 16 angeordnet werden. Die Staubabdeckungen 17a und b können auch aus Silizium hergestellt werden und dienen zum Schutz der Beschleunigungsmesser 32a und b vor Staub. Als Beispiel werden die Innenflächen der Staubabdeckungen 17a und b ausgespart (in den Zeichnungen nicht gezeigt), um eine Bewegung der Bezugsmassen 40a und b zu gestatten und Anschläge für diese bereitzustellen.
Wie bereits beschrieben, ist die Eingangsachse 38 in einem spitzen Winkel in bezug auf eine zu der Oberfläche des Substrats 16 senkrechten Linie orientiert. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bringt die Baugruppe 18 das Substrat 16 in einem Ausgleichswinkel in bezug auf die Achse der Gehäuseschale 12 an, wodurch der Sensor 10 und somit die Eingangsachsen 38 der Beschleunigungsmesser 32a und b präzise in bezug auf das Fahrzeug oder das Flugzeug, das den Sensor 10 trägt, orientiert werden können.
Wie gezeigt, ist das Substrat 16 auf mehreren Kontaktstellen 114 angebracht. Zwei Stützarme 112a und b erstrecken sich von dem Bein 102a, um die Ecken der unteren Oberfläche (siehe Fig. 1E) des Substrats 16 zu stützen. Ein Stützarm 116 verbindet wiederum die Kontaktstelle 114c mit dem Bein 102b der Baugruppe 18, wodurch die Kontaktstelle 114c einen Mittelteil des entgegengesetzten Rands des Substrats 16 stützt. Die Zahl 113 bedeutet die Mitte der Öffnung 104 und ist mit dem Schwenkpunkt 73 ausgerichtet, wenn das Substrat 16 in der Flußwegbaugruppe 18 angebracht wird, wie in Fig. 1A gezeigt. Der Schwenkpunkt 73 bildet die Mitte des Siliziumsubstrats 16, wie in Fig. 2A gezeigt. Ähnlich ist die Achse des Permanentmagneten 20, der in Fig. 1B als eine zylindrische Konfiguration aufweisend gezeigt ist, ebenfalls mit der Mitte 113 und dem Schwenkpunkt 73 ausgerichtet.
Die Baugruppe 18 löst ein thermisches Anspannungsproblem, das sich aus den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziumsubstrats 16 und der Flußwegbaugruppe 18 ergibt, d. h. die Baugruppe 18 dehnt sich schneller als das Siliziumsubstrat 16 aus. Als Beispiel weist das Siliziumsubstrat 16 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 2,5 PPM/ºC auf, wohingegen die Baugruppe 18 aus einem Siliziumstahl (mit einem Siliziumgehalt von 3%) hergestellt wird, der wiederum einen Temperaturkoeffizienten in der Größenordnung von 11 PPM/ºC aufweist, der wesentlich größer als der des Substrats 16 ist. Bei Abwesenheit einer Lösung der thermischen Anspannung würde das Substrat 16 tendenziell gebeugt und möglicherweise brechen und/oder sich von der Baugruppe 18 trennen. Wenn das Substrat 16 verzerrt wird, kommt es zu einer Zerstörung des Gleichgewichts der kritischen Ausrichtung der Beschleunigungsmesser 32a und b und seiner verschiedenen Teile mit dem Ergebnis, daß die gewünschte Kompensation störender Bewegungen, die auf den Sensor 10 angewandt werden, zunichte wird. Wie in Fig. 1E gezeigt, ist jeder der Stützarme 112a und b und 116 jeweils senkrecht zu einer entsprechenden Vielzahl von radialen Anspannungslinien 111a, b und c angeordnet. Wenn sich die Baugruppe 16 ausdehnt und tendenziell eine radiale Anspannung auf die Arme 112a, b und 116 ausübt, gestattet ihre in Fig. 1E gezeigte Konfiguration somit ihnen ohne weiteres ein Nachgeben unter der thermischen Anspannung, anstelle einer Beugung oder eines Brechens des Substrats 16. Zusätzlich ist jede der Montagekontaktstellen 114a, b und c durch einen nachgiebigen Klebstoff, wie zum Beispiel Epoxidharz, mit dem Substrat 16 verbunden.
Während die Temperatur des Permanentmagneten 20, der Baugruppe 18 und des Substrats 16 schwankt, stellen die durch die Baugruppe 18 bereitgestellte Montagestruktur und die relativen Positionen des Permanentmagneten 20 und des Substrats 16 damit sicher, daß, während sich das Substrat 16 und seine Baugruppe 18 mit verschiedenen Raten ausdehnen, die relativen Positionen dieser Elemente in bezug auf den Magneten 20 gleichbleiben. Deshalb bleiben die Beschleunigungsmesser 32a und b in derselben relativen Beziehung mit dem Permanentmagneten 20 und werden einem Magnetflußfeld derselben Stärke ausgesetzt. Wenn der Magnet 20, die Baugruppe 18 und das Substrat 16 so montiert werden würden, daß sich der Magnet 20 auch nur zu einem kleinen Grad in bezug auf die Beschleunigungsmesser 32a und b verschieben könnte, würde sich der Fluß, der durch die effektiven Teile 92a und b und die den vibrierenden Balken 54 und 56 zugeordneten leitfähigen Wege 60 austritt, ebenfalls ändern, wodurch eine etwaige störende Bewegung, die auf die Beschleunigungsmesser 32a und b vermittelt wird, sowie die aus den Leitern 60 jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b abgeleiteten Ausgangssignale voneinander verschieden wären.
Die in Fig. 2A gezeigte Anordnung der Beschleunigungsmesser 32a und b, ihre flexiblen Stützbänder 34 und 36 und die Verbindung zwischen diesen durch die Verbindung 72 liefern eine gleiche und entgegengesetzte Zitterbewegung für die Beschleunigungsmesser 32a und b und isolieren das Substrat 16, seinen Zitterrahmen 30 und die Beschleunigungsmesser 32a und b von störenden Anspannungen, so daß durch die Datenverarbeitung zu den resultierenden Kräftesignalen F und Drehsignalen Ω keine Fehlersignale eingeführt werden, und eine Datenverarbeitung unter Verwendung der Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und 32b durch relativ einfache Differenzierungs- und Skalierungstechniken gestattet wird. Außerdem kann die Struktur von Fig. 2A durch Mikrobearbeitungsverfahren auf einem Siliziumsubstrat 16 implementiert werden, wodurch die resultierende Struktur mit geringen Kosten und mit einer Präzision erzeugt werden kann, zu der die Beschleunigungsmesser des Stands der Technik einfach nicht in der Lage waren. Die extreme Konstruktionsgenauigkeit, die durch Mikrobearbeitungsverfahren gewährt wird, gestattet die relative Plazierung der Beschleunigungsmesser 32a und b und ihrer Verbindung 72 mit einer Präzision in der Größenordnung von 40 Mikrozoll. Als Folge dieser Genauigkeit werden die Beschleunigungsmesser 32a und b in einem präzisen Gleichgewicht zueinander plaziert, so daß störende Bewegungen, die dem Rahmen 30 auferlegt werden, dieses Gleichgewicht nicht stören und keine Störsignale in die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b einführen, die andernfalls auch nur durch eine kleine Fehlausrichtung der Beschleunigungsmesser 32a und 32b verursacht werden könnten.
Erstens werden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b durch ihre flexiblen Bänder 34a und 36a bzw. 34b und 36b an gegenüberliegenden Seiten des Zitterrahmens 30 angebracht. Jedes der flexiblen Bänder 34 und 36 wird aus dem Siliziumsubstrat 16 bis auf eine Höhe gleich der Breite des Substrats 16, die beispielsweise 20 Millizoll beträgt, und eine Dicke von 1,4 Millizoll, entsprechend der vertikalen Abmessung der flexiblen Bänder 34 und 36, wie in Fig. 2A gezeigt, ausgebildet. Die Länge jedes der flexiblen Bänder 34a und b und 36a und b wird so gewählt, daß eine Federkonstante relativ zu der Masse der Beschleunigungsmesser, z. B. von 0,1 Gramm, bereitgestellt wird, die bewirkt, daß sich die flexiblen Bänder 34 und 36 in einer "S-Kurve" biegen, wenn sie der Zitterbewegung ausgesetzt werden. Die Federrate der flexiblen Bänder ist proportional zu T³/L³, wobei T die Dicke der flexiblen Bänder 34 und 36 und L deren Länge ist. Die Länge L und die Dicke T der flexiblen Bänder 34 und 36 wird so eingestellt, daß bei Anwenden von Zitterbewegung sich die flexiblen Bänder 34 und 36 dann in einer S-Konfiguration biegen, wie in Fig. 2A gezeigt. Solche flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" ermöglichen den Beschleunigungsmessern 32a und b eine Translationsbewegung mit vorherrschend linearer Bewegung, d. h. die vibrierenden Balken 48a und 48b (sowie die anderen Elemente) der Beschleunigungsmesser 32a und 32b bleiben im wesentlichen parallel zueinander, während sie entlang der Zitterachse 41 in eine Zitterbewegung versetzt werden. Zusätzlich gestatten die flexiblen Bänder 34 und 36 den Beschleunigungsmessern 32a und 32b eine Bewegung auf vorherrschend lineare Weise, wobei nur eine unbedeutende nichtlineare Bewegungskomponente diesen auferlegt wird.
Die Verbindung 72 verbindet den ersten und den zweiten Beschleunigungsmesser 32a und b mechanisch, so daß jede Bewegung, einschließlich Zitterbewegung und störende Bewegungen, die auf einen der Beschleunigungsmesser 32 angewandt wird, auch in genau gleicher und entgegengesetzter Weise auf den anderen Beschleunigungsmesser 32 angewandt wird. Auf diese Weise können die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b einfach durch Summen- und Differenzverfahren verarbeitet werden, um ein Kraftsignal F und das Drehsignal Ω bereitzustellen, sowie Falschsignale aufzuheben. Ohne die Verbindung 72 würden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b aufgrund einer geringfügigen Massenfehlanpassung der Bezugsmassen 40 mit verschiedenen Frequenzen arbeiten. Bei Ansteuerung mit einer gemeinsamen Frequenz würden die Beschleunigungsmesser 32a und 32b ohne die Verbindung 72 mit einer Phasenverschiebung zueinander (die von 180º verschieden ist) arbeiten.
Die Konfiguration und die Anbringungsweise der Verbindung 72 werden so bewirkt, daß der Verbindung 72 effektiv eine Schwenkung um den Schwenkpunkt 73 gestattet wird, der eine Achse schneidet, die durch die Hebelarme 74a und b verläuft. Der Schwenkpunkt 73 ist an einem gewählten Punkt entlang der Länge des flexiblen Schwenkbands 82 angeordnet. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist das untere Ende des flexiblen Schwenkbands 82 an dem Stützelement 84 befestigt und erstreckt sich vertikal entlang der Zitterachse 41. Die Länge des flexiblen Schwenkbands 82 wird gewählt, z. B. zu 100 Millizoll, um darauf eine einfache Biegung zu vermitteln, wodurch sich der Teil von dem Schwenkpunkt 73 zu dem Verbindungspunkt mit der Verbindung 72 um den Schwenkpunkt 73 herum biegen kann, während sich der übrige Teil des flexiblen Bands 82 zwischen dem Schwenkpunkt 73 und dem Stützelement 84 in einem glatten Bogen biegt. Auf diese Weise werden die Endpunkte der Verbindung 72 in einem radialen Abstand von dem Schwenkpunkt 73 angeordnet, der gleich dem effektiven Radius der Drehung ist, die durch die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" für die Beschleunigungsmesser 32a und 32b bereitgestellt wird.
Wie bereits erwähnt wird die Länge des flexiblen Schwenkbands 82 so bestimmt, daß es sich nur mit einer einfachen Bogenbiegung biegt. Um ein flexibles Schwenkband 82 mit gewünschter Länge zu ermöglichen, ist es notwendig, die Verbindung 72 mit einer U- förmigen Konfiguration zu konfigurieren, die die beiden parallelen Elemente 76a und b und das Verbindungselement 78 umfaßt. Zusätzlich wird ein Teil des Stützelements 84 entfernt, um eine Ausschneidung 85 bereitzustellen, wodurch die Länge des flexiblen Schwenkbands 82 so eingestellt wird, daß die einfache Biegebewegung bereitgestellt wird.
Die vertikal orientierten flexiblen Bänder 80a und b, wie in Fig. 2A gezeigt, sind so bemessen, und insbesondere sind ihre Längen so eingestellt, daß sie eine einfache Bogenbiegebewegung von 50% und eine "S- Kurven"-Bewegung von 50% aufweisen. Gegenüberliegende Enden der vertikalen Verstrebungen 80a und b sind jeweils zwischen einem Rand eines der Beschleunigungsmesser 32a und b und einem Ende eines der Verbindungselemente 74a und b verbunden. Teile der Verbindung 72 und der Beschleunigungsmesser 32 werden entfernt, um Ausschnitte 71 bzw. 39 bereitzustellen, so daß die genaue Länge der flexiblen Bänder 80a und b bestimmt wird, um sicherzustellen, daß die flexiblen Bänder 80 Eigenschaften einer einfachen Bewegung von 50% und einer "S-Kurven"-Bewegung von 50% aufweisen. Weiter in bezug auf diese Eigenschaften wird sichergestellt, daß jede Bewegung, die durch die flexiblen Bänder 80 einem der Beschleunigungsmesser 32 vermittelt wird, als Sinusfunktion dem anderen vermittelt wird, ohne eine Oberschwingung höherer Ordnung in die Translationsbewegung einzuführen. Ohne solche flexiblen Bänder 80 und die Verbindung 70 könnten die Zitterbewegung und andere störende Bewegungen, die auf das Substrat 16 angewandt werden, eine Oberschwingungsbewegung hoher Ordnung auf die Beschleunigungsmesser 32a und b auferlegen, deren Ausgangssignale nach Demodulation ein unerwünschtes Vorspannungssignal tragen würden.
Wie bereits erwähnt, werden die flexiblen Bänder 34 und 36 mit solchen Abmessungen und insbesondere einer solchen Länge hergestellt, daß sie sich mit einer "S- Kurve" biegen. Insbesondere ist ein Ende jedes der flexiblen Bänder 34 und 36 jeweils an der inneren Peripherie des Zitterrahmens 30 befestigt, und das andere Ende an dem Beschleunigungsmesser 32. Ein externer Randteil des Beschleunigungsmesser- Stützrahmens 42 wird entfernt, um einen Ausschnitt 33 bereitzustellen, so daß die Länge der flexiblen Bänder 34 und 36 kritisch eingestellt wird, um die gewünschte "S-Kurven"-Bewegung bereitzustellen, und so daß die anderen Enden der flexiblen Bänder 34 und 36 mit einem Mittelpunkt der horizontalen Ränder der Beschleunigungsmesser 32a und b verbunden sind. Wie in Fig. 2A gezeigt, stützen die flexiblen Bänder 34 und 36 die Beschleunigungsmesser 32a und b so, daß ihre Massenschwerpunkte 50 und der Schwenkpunkt 73 entlang der Mittelachse des Substrats 16 liegen, so daß die Mittelachse mit der Zitterachse von 41 zusammenfällt.
Die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" weisen jeweils Schwenkpunkte 35 und 37 auf, die in einem Abstand von 1/6 der Länge des flexiblen Bands von der inneren Peripherie des Zitterrahmens 30 angeordnet sind. Die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" bilden jeweils einen effektiven Radius von ihren Schwenkpunkten 35 und 39 zu ihren Verbindungspunkten mit ihren Stützrahmen 42. Dieser effektive Radius ist gleich 5/6 der Länge der flexiblen Bänder 34 und 36, was wiederum genau gleich dem Radius ist, der durch die Hebelarme 74 von ihrem Schwenkpunkt 73 zu den Verbindungspunkten der aufrechten flexiblen Bänder 80a und b zu den Extremitäten der Hebelarme 74a und b vorgesehen ist. Durch Ausstatten der Verbindung 72 und der Beschleunigungsmesser 32a und b mit gleichen Drehungsradien um die jeweiligen Schwenkpunkte 73 und 37 und 35 wird sichergestellt, daß die Verbindung 72 eine gleiche und entgegengesetzte Bewegung an die Beschleunigungsmesser 32a und b abgibt. Wenn ein etwaiges störendes Rauschen auf einen der Beschleunigungsmesser 32a und b angewandt wird, wird als Ergebnis eine gleiche und entgegengesetzte Bewegung auf den anderen angewandt, so daß bei Verarbeitung ein etwaiges Rauschen in den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser 32 effektiv durch Summen- und Differenzverfahren entfernt wird.
Nach der Anwendung der Zitterbewegung auf die Beschleunigungsmesser 32a und b bewegen sich die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" nach oben und nach unten in im wesentlichen paralleler Beziehung zueinander aufgrund der "S-Kurven"-Biegung ihrer flexiblen Bänder 34 und 36. Jedes flexible Band 34 und 36 weist einen Mittelpunkt 39 bzw. 40 auf. Die Biegebewegung ähnelt zwei glatten Kurven, wobei die erste an dem Mittelpunkt in einer Richtung endet und die zweite Kurve mit einer entgegengesetzten Kurve die erste am Mittelpunkt trifft. Die flexiblen Bänder mit "S-Kurve" stellen sicher, daß die horizontalen und vertikalen Ränder der Stützrahmen 42a und b genau parallel mit den inneren horizontalen und vertikalen Peripherierändern des Zitterrahmens 30 bleiben.
Wie bereits erwähnt, liefern die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" eine effektive Drehung der Beschleunigungsmesser 32a und b um ihre Schwenkpunkte 35 und 37. Bei einem Darstellungsbeispiel bewegen die gemeinsam angelegten Zitterkräfte die Beschleunigungsmesser 32a und b durch eine positive und negative Winkeldrehung in bezug auf ihre Ruhepositionen, wodurch sich die Massenschwerpunkte 50a und b bei einer Zitterbewegung mit einer Amplitude von 1 Millizoll entlang der Zitterachse 41 nur um eine Distanz von 37 Mikrozoll von der Mittelachse des Substrats 16 wegbewegen.
Die Konstruktion der Beschleunigungsmesser 32a und b aus dem Siliziumsubstrat 16 führt zu einer äußerst präzisen Ausrichtung der Beschleunigungsmesser 32. Dies ergibt sich aus der hohen Flachheit des Siliziumsubstrats 16 und der relativen Nähe der Beschleunigungsmesser 32a und b, die durch Mikrobearbeitung aus dem Substrat 16 ausgebildet werden. Die flexiblen Bänder 34, 36, 80 und 82 werden durch Ätzen in der Nähe der Oberflächen des Substrats 16 erzeugt. Diese Mikrobearbeitung stellt sicher, daß die Eingangsachsen 38a und b präzise senkrecht zu der Zitterachse 41 liegen, die mindestens so gut wie die Flachheit und die parallele Beziehung der Oberflächen des Siliziumsubstrats 16 sein wird, die in der Regel mit hoher Genauigkeit erzielt werden kann. Somit erzielt der vorliegende Entwurf eine präzise Ausrichtung der Eingangs- und Zitterachse 38 und 41 und überwindet das Problem der vorbekannten Coriolis- Sensoren in bezug auf diese Ausrichtung. Die Aufhängung der Beschleunigungsmesser 32a und b durch ihre flexiblen Bänder 34a und 36a und 34b und 36b von gegenüberliegenden Seiten des Zitterrahmens 30, so daß ihre Eingangsachsen 34a und b in entgegengesetzte Richtungen zeigen und die Verwendung der Verbindung 72 liefert eine exzellente Aufhebung von Nichtlinearitätsbewegung.
Die wohlbekannten Euler-Buckling-Kurven stellen die Strukturanspannungs- und Kompressionseigenschaften der vibrierenden Balken 54 und 56 der Beschleunigungsmesser dar. Die Rücken-an-Rücken-Orientierung stellt sicher, daß, wenn die vibrierenden Balken 54 und 56 der Beschleunigungsmesser 32a angespannt sind, die Balken des anderen Beschleunigungsmessers 32b komprimiert werden und umgekehrt. Wie noch erläutert werden wird, werden die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und 32b summiert, um eine Anzeige der linearen Beschleunigung bereitzustellen. Diese Orientierung stellt sicher, daß die Balken 54 und 56 in komplementären Teilen dieser Kurven arbeiten und die summierten Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b eine genaue Anzeige der linearen Beschleunigung liefern, indem sie die Nichtlinearitäten höherer Ordnung der vibrierenden Balken 54 und 56 aufheben. Zumindest bis zur ersten Maß-Größenordnung heben sich außerdem Störbewegungen, die auf die Beschleunigungsmesser 32a und b wirken, tendenziell auf oder dämpfen sich gegenseitig, wodurch störende Signale in den summierten Beschleunigungsmesserausgangssignalen nicht erscheinen. Auf analoge Weise stellen die Aufhebungseigenschaften dieser Kurven, wenn die Differenz der Beschleunigungsmesserausgangssignale genommen wird, sicher, daß die Nichtlinearitäten zweiter Ordnung in dem resultierenden Winkelrotationssignal ebenfalls gemittelt werden.
Die Konstruktion der beiden Beschleunigungsmesser 32a und b aus dem Siliziumsubstrat 16 bietet weitere Vorteile. Erstens können die Konfiguration und die Abmessungen der Beschleunigungsmesser 32, der verschiedenen flexiblen Bänder und der Verbindung 72 mit sehr hoher Genauigkeit, z. B. 40 Mikrozoll, bestimmt werden, so daß die relative Position dieser Elemente mit ähnlicher Genauigkeit gesteuert wird. Zweitens stellt die Konstruktion der flexiblen Bänder in der Ebene des Siliziumsubstrats 16 sicher, daß die Beschleunigungsmesser 32 in dieser Ebene in eine Zitterbewegung versetzt werden. Wie bereits erwähnt, stellt die Verbindung 72 sicher, daß sich die Beschleunigungsmesser 32a und b unter dem Einfluß der angelegten Zitterbewegung in gleicher und entgegengesetzter Richtung bewegen. Somit werden die Massenschwerpunkte 50a und b der Beschleunigungsmesser 32a und b präzise auf die Mittelachse des Substrats 16 gelegt, die mit großer Genauigkeit mit der Zitterachse 41 ausgerichtet ist, wodurch die durch den die Ansteuerspulen a und b durchfließenden Strom verursachte Zitterbewegung bewirkt, daß die Zitterbewegung genau entlang der Mittelachse des Substrats 16 angewandt wird. Diese Genauigkeit stellt sicher, daß störende Bewegungen, die sich ansonsten aus der Zitterbewegung ergeben würden, nicht den Beschleunigungsmessern 32a und b auferlegt werden.
Zweitens erzeugt die Aufhängung der Beschleunigungsmesser 32a und b durch die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve", die ebenfalls in der Ebene des Siliziumsubstrats 16 ausgebildet werden, als Ergebnis dieser Zitterbewegung eine Bewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b mit relativ kleinen, entgegengesetzten Bögen. Bei einem Darstellungsbeispiel verschiebt ein Zittern mit einer maximalen Verschiebung (Amplitude) von 1 Millizoll (entsprechend 1 Grad der Gesamt-Spitze-Spitze-Winkelauslenkung) die Beschleunigungsmesser 32a und b um lediglich 37 Mikrozoll von ihrer Mittelachse. Während eines einzigen Bewegungszyklus jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b nach oben und nach unten entlang der Zitterachse 41 wird jeder Beschleunigungsmesser 32 2 Translationen ausgesetzt, während er sich um seinen durch seine flexiblen Bänder 34 und 36 bereitgestellten effektiven Radius dreht. Da diese doppelten Translationen oder "Wackelbewegungen" in der Ebene des Siliziumsubstrats 16, und nicht entlang der Eingangsachsen 38a und b stattfinden, werden die Probleme, die bei vorbekannten Sensoren mit Parallelogrammkonfiguration auftraten, vermieden. Erstens wird den Eingängen der Beschleunigungsmesser 32 kein entsprechendes Doppelfrequenz- Fehlersignal auferlegt, das eine Phasen- Servoeinstellung in der Verarbeitung erforderte, wie in dem U.S.-Patent Nr. 4,799,385 beschrieben. Zweitens ist es nicht notwendig, die Mitte der Oszillation zu versetzen oder eine Umkehrbeschleunigung in die Beschleunigungsmesser-Eingangsachse einzukoppeln. Als Ergebnis findet für jede Position der Beschleunigungsmesser 32a und b während ihrer Zitterbewegung nur eine sehr geringfügige Doppelfrequenzbewegung statt, die ihrer Eingangsachse 50 auferlegt wird. Somit ist es nicht notwendig, die Fehlausrichtung "auszusteuern", indem eine Vorspannung zu dem Zitteransteuersignal addiert wird.
Die verschiedenen Komponenten des Siliziumsubstrats 16 können durch verschiedene Verfahren, die im Stand der Technik wohlbekannt sind, wie zum Beispiel chemische Naßätzung, chemische Trockenätzung, Plasmaätzung, Sputter-Ätzung oder reaktives Ionenätzen mikrobearbeitet werden. Eine ausführliche Besprechung dieser Verfahren findet sich in den folgenden Publikationen: VLSI Fabrication Principles von Sorab K. Ghandhi und Silicon Processing for the VLSI Era, Vol. 1 - Process Technology, von S. Wolf & R. J. Tauber.
Bei diesem Darstellungsbeispiel für das Siliziumsubstrat 16 betrüge die maximale Fehlausrichtung der Beschleunigungsmesser 32 von der Substratmittelachse weniger als 0,1 mrad. Dies hat den Vorteil, daß die zweite Oberschwingungsverzerrung, die sich aus der Zitteransteuerung ergibt, nicht vollständig in das Drehkomponentenausgangssignal der Beschleunigungsmesser 32a und b auferlegt wird. Wie durch die vorbekannten Parallelogrammansteuerungsanordnungen offengelegt wird, könnte ansonsten diese zweite Oberschwingungsansteuerverzerrung durch die quadrierende Wirkung der Doppeleintiefung vervielfacht werden, um primäre und dritte Oberschwingungen zu erzeugen, die als Fehler in die Ratenkanäle eingekoppelt werden können. Diese Fehler werden durch die nebeneinanderliegende Plazierung und die präzise Mikrobearbeitung der Beschleunigungsmesser 32a und b in dem Substrat 16 vermieden.
Wie bereits erwähnt, wird jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b durch flexible Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" aufgehängt, die effektive Drehungsradien gleich dem durch die Verbindungsarme 74a und b bereitgestellten Radius liefern. Ohne diese Konstruktion würden die Beschleunigungsmesser 32a und b mit einer nicht-sinusförmigen Bewegung zittern, die harmonische Verzerrungen hoher Ordnung in das Ratensignal einführen würde. Es wird in Betracht gezogen, daß eine gewisse Kopplung aufgrund des Offsets der Eingangsachse 50 entstehen wird, das sich dadurch ergibt, daß die Massenschwerpunkte 50 über den flexiblen Bändern angeordnet sind; diese Kopplung ist jedoch im Vergleich zu der durch die Parallelogrammstrukturen des Stands der Technik eingeführten geringfügig.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 3A ist eine Zitteransteuerschaltung 127 zur Bereitstellung einer sinusförmigen Spannung dargestellt, die an den effektiven Teilen 92a und b angelegt werden soll. Der leitfähige Weg 92 bildet den ersten effektiven Teil 92a zum Vermitteln der Vibrationsbewegung auf den Beschleunigungsmesser 34a und den zweiten effektiven Teil 92b zum Vermitteln einer Vibrationsbewegung 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 Substrats 16 ein Magnetfeld erzeugt und wird durch das Polstück 22 durch die Beschleunigungsmesser 34a und 34b fokussiert. Als Beispiel nimmt der Leiter 92 die Form einer Goldablagerung an. In einem Darstellungsbeispiel, bei dem die Länge des Leiters 92, der sich zwischen den Anschlüssen 86a und 88 (oder 86b und 88) erstreckt, ungefähr 1 Zoll beträgt und bis auf eine Tiefe von 1 um und eine Breite von 10 um abgeschieden ist, liegt der durch diese Länge des Leiters 92 gebotene Widerstand in der Größenordnung von 100 Ohm. Wenn der Magnetfluß den leitfähigen Weg 92 überquert, wird über diesen eine Spannung von ungefähr 0,5 Volt induziert, die ungefähr 2500mal die Spannungsamplitude des Geschwindigkeitssignals beträgt, das von der Zitteransteuerschaltung 127 von Fig. 3A an ihrem Ausgang 86-91 ausgegeben wird. Um diese Widerstandsspannung effektiv zu entfernen, wird eine Brücke 125 (siehe Fig. 3A) verwendet, wobei ein Zweig dieser durch die effektiven Teile 92a und b gebildet wird, die parallelgeschaltet sind, und ein zweiter Zweig durch einen Bezugsleiter 93 gebildet wird, der auf dem Zitterrahmen 30 angeordnet ist, und dessen Enden mit Anschlüssen 91 und 95 verbunden sind (siehe Fig. 2A). Die effektiven Teile 92a und b werden durch Verbinden der Anschlüsse 86a und b parallelgeschaltet; der Anschluß 88 bildet wiederum einen Knoten der Brücke 125, und die verbundenen Anschlüsse 86a und b einen anderen Knoten. Der leitfähige Weg 92 bildet die zwei effektiven Teile 92a und b verbunden, wobei der Verbindungsteil des Leiters 92 über den leitfähigen Weg 92c mit dem Masseanschluß 88 verbunden ist. Die effektiven Teile 92a und 92b werden parallelgeschaltet, um einen Zweig der Brücke 125 zu bilden. Der andere Zweig der Brücke 125 wird durch den Bezugsleiter 93 gebildet, der eine Hälfte der Länge des Leiters 92 zwischen den Anschlüssen 86a und 88 (oder 86b und 88), z. B. einen halben Zoll, aufweist. Der Bezugsleiter 93 besteht aus demselben Material wie der Leiter 92, z. B. Gold, und ist auf gleiche Tiefe abgelagert, wodurch eine gleiche Spannung, z. B. 0,5 V, an den beiden parallelgeschalteten effektiven Teilen 92a und b und dem Bezugsleiter 93 gebildet wird. Eine einzige Ansteuerspannung wird aus einem ersten Brückenknoten 129 auf Masse angelegt, wohingegen ein Ausgangssignal der Brücke 125, das an den Brückenknoten 86 und 91 entwickelt wird, genommen und an einen ersten Operationsverstärker 128 angelegt wird, der die an dem Bezugsleiter 93 entwickelte Spannung von der an den parallelgeschalteten effektiven Teilen 92a und b entwickelten subtrahiert. Ein zweiter Operationsverstärker 130 liefert den übrigen Verstärkungsfaktor zur Verstärkung des Ausgangssignals des ersten Operationsverstärkers 128 auf ungefähr 2,5 V Spitze am Ausgang 132. Ein Rückkopplungsweg ist mit der Brückenschaltung 125 verbunden und liefert Positionsrückkopplung plus einer überschüssigen Phasenverschiebung aufgrund der Pole hoher Ordnung des Operationsverstärkers, wodurch eine Oszillationsschaltung hergestellt wird, um das sinusförmige Signal zur Ansteuerung der effektiven Teile 92a und b bereitzustellen. Das Ausgangssignal 132 wird durch zwei Zenerdioden D1 und D2, die antiparallel zwischen den Ausgang 132 und Masse geschaltet sind, geklemmt, um das Ausgangssignal 132 zu klemmen und dadurch das an die effektiven Teile 92a und b angelegte Ansteuersignal zu stabilisieren.
Wie in Fig. 3B gezeigt, wird das am Ausgang 132 der Zitteransteuerschaltung 127 erscheinende Geschwindigkeitssignal an eine Nulldurchgangsdetektorschaltung 133 angelegt, deren Ausgangssignale zur Torschaltung der Zähler zum Zählen des Kristalltaktsignals zum Demodulieren des Coriolis-Geschwindigkeitssignals und des Beschleunigungskraftsignals verwendet werden. Das Geschwindigkeitssignal wird durch einen Kondensator C1 und einen Widerstand R10 an einen Operationsverstärker 134 angekoppelt, um ein Nulldurchgangssignal zu erzeugen. Die offene Verstärkung des Operationsverstärkers 134 "quadriert" das Geschwindigkeitssignal und legt das "quadrierte" Signal an zwei CMOS- Logikgatter 136 und 138 an, die parallel zueinander geschaltet sind; diese Gatter bewirken eine Spannungsverschiebung des Signals auf mit den Zählern kompatible Pegel, z. B. 0 bis + 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 Signal zu zählen, das die Resonanz-Eigenfrequenz für jeden Halbzyklus der Zitterfrequenz f darstellt, wodurch die Coriolis-Geschwindigkeitskomponente durch Invertieren jedes zweiten Abtastwerts demoduliert wird. Wie ausführlicher in dem U.S.-Patent Nr. 4,590,801 beschrieben wird, ist die Beschleunigung die Summe jedes solchen Abtastwerts.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 3C ist ein alternativer Entwurf der Zitteransteuerschaltung 127' gezeigt, die ein Zitteransteuersignal an den externen Verbindern 86a und 86b für die effektiven Teile 92a und b liefert. Wie bereits beschrieben, wird ein Magnetfeld erzeugt und durch den Magneten 20 und seine Flußwegbaugruppe 18 senkrecht zu den Oberflächen des Substrats 16 und den darauf angeordneten effektiven Teilen 92a und b gerichtet, wodurch der durch die effektiven Teile 92a und b fließende Strom eine Kraft erzeugt, um die Beschleunigungsmesser 32a und b in einer im wesentlichen rechtwinkligen Vibrationsbewegung nach oben und nach unten entlang den Zitterachsen 41 (siehe Fig. 2A) zu bewegen. Die Beschleunigungsmesser 32a und b vibrieren oder zittern mit der Frequenz f, die durch die mechanischen Eigenschaften bestimmt wird, wie zum Beispiel die Federkonstanten der flexiblen Bänder 34, 36, 80 und 82 und die Masse der Beschleunigungsmesser 32a und b. Das aus der Zitteransteuerschaltung 127' ausgegebene Zitteransteuersignal weist eine Frequenz auf, die der Frequenz f der Zittervibration entspricht, und wird, wie bereits erläutert, bei der weiteren Verarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale verwendet, um diese Signale zu demodulieren, um ein Kraftsignal F und ein Drehungssignal Ω bereitzustellen. Weiterhin ist an der gegenüberliegenden Seite des Substrats 16 (von der in Fig. 2A gezeigten) ein (nicht gezeigter) Draht angeordnet und bildet einen ersten und einen zweiten Abnahmeteil 92a' und 92b'. Die Verbindung der Abnahmeteile 92a' und 92b' mit Masse ist in Fig. 3C deutlicher gezeigt. Während die Beschleunigungsmesser 32a und b vibrieren, bewegen sich die Abnahmeteile 92a' und b' durch das Magnetfeld, das durch den unitären Magneten und seine Baugruppe 18 erzeugt wird, und es wird ein Strom darin induziert. Die resultierende Spannung wird über Widerstände R11 und R12 an zwei Operationsverstärker 142 und 144 angelegt, um nacheinander mit einem relativ hohen Verstärkungsfaktor verstärkt zu werden, bevor sie als das Zitteransteuersignal an die effektiven Teile 92a und b angelegt wird. Die Zenerdioden D4 und D5 dienen zum Klemmen des Zitteransteuerausgangsspannungssignals des Operationsverstärkers 144 auf einen bekannten Spannungspegel.
Die Konfiguration der Beschleunigungsmesser 32a und b in ihrem Siliziumsubstrat 16 und der Flußwegbaugruppe 18 und ihres unitären Magneten 20 entwickeln eine beträchtliche Kraft, die größer als die minimale Umkehrbeschleunigung ist, die erforderlich ist, um die Zitterbewegungen der Beschleunigungsmesser 32a und b zu bewirken. Es versteht sich in der Technik, daß eine minimale Umkehrbeschleunigung notwendig ist, um zu bewirken, daß jeder der Beschleunigungsmesser 32a und b die Bewegung in einer Richtung anhält und sich in der entgegengesetzten beschleunigt, wodurch die Zitterbewegung stattfinden kann. Die Beschleunigungskraft F, die tendenziell die Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b bewirkt, wird durch die folgende Gleichung angegeben:
F = mg = l·i · B, (1)
wobei i der durch den leitfähigen Weg 92, der die effektiven Teile 92a und b bildet, fließende Strom ist, l die effektive Länge des Teils des leitfähigen Wegs 92 in dem Magnetfluß ist, der die Beschleunigungsmesser 32a und b, d. h. die Länge der effektiven Positionen 92a und b, durchläuft, und B der Betrag des Flusses ist. In einem Darstellungsbeispiel kann an jeden der effektiven Teile 92a und b ein Strom von 5 Milliampere angelegt werden, die effektiven Teile 92a und b können eine effektive Länge l von 6 mm aufweisen, und der Magnet 20 und seine Baugruppe 18 können ohne weiteres 8 Kilogauss bereitstellen. Durch Auflösen der Gleichung (1) nach der Masse m, wobei g die universelle Gravitationskonstante ist, wird gezeigt, daß ohne weiteres durch dieses Beispiel eine Kraft von 2,4 mg entwickelt werden kann. Bei einem solchen Beispiel beträgt die Resonanzfrequenz der Zitterbewegung, die den Beschleunigungsmessern 32a und b auferlegt wird, ungefähr 500 Hz, und eine Verschiebung D der Beschleunigungsmesser beträgt 1 Millizoll. Die Ansteuerbeschleunigung kann folgendermaßen berechnet werden:
a = D(2πf)²/K, (2)
wobei D die Verschiebung, f die Zitterfrequenz und K ein Konvertierungsfaktor ist. Die berechnete Kraft für 1 Millizoll Verschiebung D bei 500 Hz beträgt 25 g Spitzenbeschleunigung. Wenn der mechanische Verstärkungsfaktor des Feder-Massen-Systems, das durch das Q der Beschleunigungsmesser gebildet wird, auf einen mäßigen Wert von 1000 gesetzt wird, beträgt die Kraft, die durch die Wechselwirkung eines durch den leitfähigen Weg 92 fließenden Stroms und dem durch die Beschleunigungsmesser 32 gerichteten Magnetfluß entwickelt wird, 0,025 g (25 g/1000). Diese Kraft reicht aus, um die berechnete Massenkraft von 0,024 g zu beschleunigen. Es ist zu beachten, daß das Q reiner Kristalle sogar 10 000 betragen kann, wodurch demonstriert wird, daß das oben beschriebene zitternde System ohne weiteres in der Lage ist, eine ausreichende Kraft zur Bewirkung der erforderlichen Zitteransteuerbewegung zu entwickeln.
Die folgenden Berechnungen zeigen, daß die Werte von , der in den Abnahmeteilen 92a' und 92b' induzierten Spannung, im Vergleich zu dem in diesen Operationsverstärkern angetroffenen Rauschen, das in die Ansteuerschaltung 127 eingeführt werden würde (siehe Fig. 3C) relativ hoch ist. Die Werte von werden durch die folgende Gleichung geliefert:
= v · B·l, (3)
wobei v die Amplitude des Geschwindigkeitsausgangssignals der Beschleunigungsmesser 32, B die Stärke des die effektiven Teile 92a und b überquerenden Magnetfelds, l die effektive Länge des Leiters in dem Magnetflußfeld ist. Für eine Zitterverschiebung D von 1 Millizoll, eine Beschleunigungsmesser-Eigenfrequenz von 500 Hz, ein Geschwindigkeitssignal v von ungefähr 8 cm/s, eine Länge l der effektiven Teile 92a und b von 6 mm und eine Flußstärke von 8 Kilogauss beträgt das Ausgangssignal eines einzigen Abnahmeteils 92a' 0,4 mV. Wenn die Ausgänge der Beschleunigungsmesser 32a und b in Reihe geschaltet werden, verdoppelt sich die Ausgangsspannung auf 0,8 mV. Ein Operationsverstärker, der in die Ansteuerschaltungen von Fig. 3A und C integriert werden kann, weist in der Regel für eine Bandbreite von 10 kHz ein Rauschen von 0,1 uV auf. Wenn der Operationsverstärker eine Verstärkung von 3 · 10³ aufweist, kann sein Ausgangssignal in der Regel 2,4 V Spitze betragen, wodurch ein Rausch/Spitzensignal- Verhältnis von 0,01% bereitgestellt wird. Dies ist eine gute Anzeige, daß der Sensor 10 für den naturgemäßen von Rauschpegel in den verfügbaren Operationsverstärkern 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 durch die flexiblen Bänder 34 und 36 und die Verbindung der Verbindung 72, um den Beschleunigungsmessern 32a und b gleiche und entgegengesetzte Bewegungen aufzuerlegen, haben einen akkumulativen Effekt, um die Verarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale stark zu vereinfachen, wobei diese im wesentlichen auf einen Kosinus- Demodulationsschritt reduziert wird. Dies kann für jeden Halbzyklus vorgenommen werden, da weder eine Sinus- noch eine Doppelfrequenz-Sinusdemodulation benötigt wird, sowie es bei den Parallelogrammstrukturen des Stands der Technik der Fall war. Im wesentlichen werden die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32a und b voneinander subtrahiert, um das Linearbeschleunigungssignal bereitzustellen und beide Signale zu mitteln, während jeder zweite Abtastwert invertiert wird, um nach den Kosinussignalen zu demodulieren, um ein Drehgeschwindigkeitssignal ω zu erzeugen. Für diese Verarbeitung ist weder ein Ausrichtungsservo noch ein Phasenservo notwendig, so daß die Bandbreite des Drehbeschleunigungssignals Ω bei einem Darstellungsbeispiel bis auf 1 kHz vergrößert wird.
Der Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensor 10 weist eine Empfindlichkeit gegenüber Drehbeschleunigung auf, die seiner Ratenachse 39 auferlegt wird, d. h. das Moment jedes der Beschleunigungsmesser 32a und b um die Ratenachse 39, wobei diese Beschleunigungsempfindlichkeit eine unerwünschte Rauschkomponente in die nachfolgende Demodulationsverarbeitung der Beschleunigungsmesserausgangssignale einführt. Diese Rauschkomponente kann effektiv beseitigt werden, indem das Drehgeschwindigkeitssignal ω differenziert und skaliert wird. Wie bereits erwähnt, sind effektiv die demodulierten Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 32 ein Maß seines Drehgeschwindigkeitssignals ω, das differenziert werden kann, um eine Anzeige der Winkelbeschleunigung jedes Beschleunigungsmessers 32 zu erhalten. Da die Abmessungen und insbesondere Abstand zwischen der Ratenachse 39 und jedem der Massenschwerpunkte 50a und 50b mit einem hohen Genauigkeitsgrad von z. B. 40 Mikrozoll bekannt sind, wird dieser äquivalente Drehungsradius mit einer gemessenen Winkelbeschleunigungskraft multipliziert, um eine genaue Anzeige dieser der durch die Winkelbeschleunigung verursachten linearen Beschleunigung zu erhalten. Das berechnete Beschleunigungsmoment wird von den Beschleunigungsmesserausgangssignalen subtrahiert, um diese Beschleunigungsempfindlichkeit zu reduzieren oder im wesentlichen zu beseitigen.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 3D ist gezeigt, wie die Ausgangssignale f1 und f2, die aus den jeweiligen Ansteuerschaltungen 127a und c abgeleitet werden, verarbeitet und insbesondere jeweils an die Zähler 152 und 154 angelegt werden. Wenn die vibrierenden Balken 54 und 56 aufgrund der entlang den Kraftmeßachsen 38 der jeweiligen Beschleunigungsmesser 32 angelegten Beschleunigungen angespannt oder komprimiert werden, ändern sich, wie bereits erwähnt, die Frequenzen der Ausgangssignale f1 und f2. Die Zitteransteuerschaltung 127b kann vorzugsweise die Form der in Fig. 3C oder alternativ der in Fig. 3A gezeigten Schaltung annehmen. Die Ansteuerschaltungen oder Signalgeneratoren 127a und c können beispielsweise die Form der in Fig. 3A gezeigten Schaltung annehmen.
Die Zitteransteuerschaltung 127b liefert ein Ausgangssignal, das wie oben in bezug auf Fig. 3B besprochen an die Torschaltung 133 angelegt wird. Das Ausgangssignal der Torschaltung 133 ist ein Paar quadrierter Torschaltungssignale, die an die Zähler 152 und 154 angelegt werden. Dieses Paar von Torschaltungssignalen tritt bei den Geschwindigkeitsnulldurchgängen auf, um die Zähler 152 und 154 torzuschalten. Dies ist ungefähr ein Meßwert bei 1 kHz oder beiden Rändern der Geschwindigkeitsnulldurchgänge. Die Zähler 152 und 154 zählen die Frequenzen der Beschleunigungsmesserausgangssignale f1 und f2 in bezug auf ein Referenztaktsignal, das durch einen Referenztakt 150 erzeugt und an jeden der Zähler 152 und 154 angelegt wird. Ein Mikroprozessor liest wiederum die Ausgangssignale der Zähler 152 und 154 mit einer beispielhaften Frequenz von 1 kHz und verarbeitet diese Zählwerte, um eine Anzeige von ωv und ω bereitzustellen.
Wie ausführlich in dem gleichzeitig übertragenen U.S.- Patent Nr. 4,786,861 erläutert wird, ergibt sich Δv durch die folgende Gleichung:
Δvi = A[(N1i - N2i) + FT + B(N1i + N2i)] (4)
Hierbei ist vi der "i-te" Abtastwert des Geschwindigkeitssignals, A und F sind Skalierungsfaktoren, N1i ist der Zählwert, der aus dem Zähler 152 über eine Periode von 1 kHz (1 ms) für den "i-ten" Abtastwert abgeleitet wird, N2i ist der Zählwert, der aus dem Zähler 154 für den "i-ten" Abtastwert erhalten wird, T ist die Zeitspanne und B ist der Vorspannungskorrekturterm. Wie in der Technik wohlbekannt ist, wird Δθi durch die folgende Gleichung gegeben:
Δθi = a(cosN1i + cosN2i + b(cosN1i - cosN2i) (5)
wobei a ein Skalierungsfaktor und b ein Vorspannungs- Korrekturterm ist, und es gilt
cos(N1i) = N1i - N1(i-1), über jede 500-Hz-Periode (6)
oder
cos(N1i) = (-1)iN1i, mit 1-kHz-Rate (7)
Die Winkelbeschleunigung α ist gleich der linearen Beschleunigung, die aus dem Ausgangssignal eines der Beschleunigungsmesser 32a oder b, dividiert durch den äquivalenten Drehungsradius req gemäß der folgenden Gleichung abgeleitet wird:
α = Alinear/req
Die Winkelbeschleunigung α ist wiederum eine Funktion der gemessenen Drehgeschwindigkeit ω gemäß der folgenden Gleichung:
α = dω/dt
Die Drehgeschwindigkeit kann wiederum folgendermaßen ausgedrückt werden:
ω = Δθ/Δt
Da die Ableitung der Drehgeschwindigkeit ω gleich der Beschleunigung α ist, läßt sich die Beschleunigung durch die folgende Gleichung ausdrücken:
Somit wird durch die folgende Gleichung eine Korrektur in bezug auf lineare Beschleunigung Alinear bereitgestellt:
Der Mikroprozessor 156 wird wiederum auf herkömmliche Weise so programmiert, daß er Werte von ALinearkorrektur von den Beschleunigungsmesserausgangssignalen f1 und f2 subtrahiert, um die Winkelbeschleunigung zu korrigieren.
Außerdem ist eine alternative Zitteransteuerung durchführbar. Zum Beispiel kann man fingerartige Verlängerungen an dem Stützrahmen anbringen und eine Metallisierung darauf aufbringen. Solche Verlängerungen würden in entsprechende Aufnahmekanäle in dem Zitterrahmen eingreifen. Weitere Einzelheiten einer solchen Ansteuereinheit finden sich in Tang et al., "Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures", IEEE-Katalog Nr. 89TH0249-3 (Februar 1989).
In bestimmten Situationen kann das Substrat 16 Torsionsmoden der Bewegung ausgesetzt sein, die in dem Bereich der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser 32a und 32b liegen. Solche Torsionsmoden können bewirken, daß sich die Beschleunigungsmesser 32a und 32b und ihre zugeordneten Komponenten, die diese an dem Zitterrahmen 30 und aneinander anbringen, aus der Ebene des unitären Substrats 16 herausbewegen und somit eine Bewegungskomponente entlang den Kraftmeßachsen 38 vermitteln. Die Verbindung 72 gleicht diese Torsionsbewegung möglicherweise nicht vollständig aus. Folglich sind die Bewegungskomponenten entlang den Meßachsen möglicherweise nicht unbedingt gleich und können Fehler in die Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsberechnungen einführen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für das Substrat 16, dessen Torsionsmoden bei einer Frequenz liegen, die bedeutend über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser 32a und 32b liegt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden die flexiblen Bänder 170 und 175 durch Entfernen von Randteilen des Beschleunigungsmesserstützrahmens 42 gebildet, um einen Ausschnitt bereitzustellen, so daß die Längen der flexiblen Bänder 170 und 175 kritisch eingestellt werden, um die gewünschte "S-Kurven"- Bewegung bereitzustellen. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2A gezeigten Beispiel halten die flexiblen Bänder 170 und 175 jedoch die jeweiligen Beschleunigungsmesser in einer Konfiguration, die von der in Fig. 2A gezeigten invertiert ist. Außerdem sind weitere Randteile auf jeder Seite der Beschleunigungsmesser entfernt, um Verlängerungszungen 180, 185 zu erzeugen. Jeder Beschleunigungsmesser enthält weiterhin ein flexibles Versteifungsband 190, das sich von der äußeren Zunge 180 erstreckt. Die flexiblen Versteifungsbänder 190 enthalten jeweils einen ersten flexiblen Bandteil 195, der sich von der Zunge 180 in der entgegengesetzten Richtung des flexiblen Bands 170 erstreckt, und einen zweiten flexiblen Bandteil 200, der den flexiblen Bandteil 195 mit dem Zitterrahmen 30 verbindet und im wesentlichen senkrecht zu dem flexiblen Bandteil 195 verläuft.
Die zusätzliche Entfernung von Material von dem Stützrahmen 42 und dem Zitterrahmen 30 zur Erzeugung der flexiblen Versteifungsbänder 190 verändert den Massenschwerpunkt und den Perkussionsschwerpunkt jedes Beschleunigungsmessers. Folglich müssen weitere Maßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, daß das Substrat ein Massengleichgewicht behält, so daß die Positionen der Meßachsen und des Schwenkpunkts in der gewünschten Ausrichtung bleiben. Während der Teil des Stützrahmens 42, der in der Nähe der Verstrebung 52 liegt, in dem in Fig. 2A gezeigten Beispiel breit ist, ist der entsprechende Teil des Stützrahmens 42 in dem in Fig. 4a gezeigten Beispiel verschmälert. Diese Verschmälerung ist das Ergebnis des Entfernens von Material von dem breiten Teil des Stützrahmens 42, um das Material auszugleichen, das entfernt wurde, um das flexible Versteifungsband 190 zu erzeugen, und stellt daher einen Massenausgleich für die Beschleunigungsmesser her. Ähnlich können ein Massenausgleich der die Verbindung 72 bildenden Komponenten und eine Veränderung dieser durchgeführt werden, um die gewünschte Ausrichtung aufrechtzuerhalten. Bei dem bevorzugten Entwurf sind die Komponenten so angeordnet, daß der Schwenkpunkt am Massenschwerpunkt des Substrats liegt und der Schwenkpunkt und der Perkussionsschwerpunkt jedes Beschleunigungsmessers jeweils entlang einer einzigen Achse liegen, die parallel zu der Zitteransteuerung liegt.
Wie bereits erwähnt, erzeugt die Aufhängung der Beschleunigungsmesser 32a und b durch die flexiblen Bänder 34 und 36 mit "S-Kurve" von Fig. 2A eine Bewegung der Beschleunigungsmesser 32a und b mit relativ kleinen, entgegengesetzten Bögen als Folge der Zitterbewegung. Obwohl diese gekrümmte Bewegung häufig meist in vielen Anwendungen vernachlässigbar ist, kann sie in Anwendungen, bei denen die Meßachsen in bezug auf die Ebene des Substrats 16 abgekantet sind, ein Fehlersignal erzeugen. Diese Anwendungen können somit eine linearere Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser erfordern.
Fig. 5 und 6 betreffen Beschleunigungsmesser- Stützkonfigurationen mit einer rein linearen Zitterbewegung. Die Beispiele von Fig. 5 und 6 sind außerdem insofern von Vorteil, daß die Frequenz der Torsionsmoden über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser liegt.
In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel liegen die Beschleunigungsmesser 32 nebeneinander. Jeder Beschleunigungsmesser 32 weist eine äußere Zunge 180 und eine innere Zunge 185 auf, die sich von dem Stützrahmen 42 erstreckt. Flexible Bänder 205 mit S- Kurve erstrecken sich jeweils von der äußeren Zunge 180a des Beschleunigungsmessers 32a und der inneren Zunge 185b des Beschleunigungsmessers 32b, um auf eine erste Seite 210 des Zitterrahmens 30 zu treffen. Genauso erstrecken sich flexible Bänder 215 mit S-Kurve von der inneren Zunge 185a des Beschleunigungsmessers 32a und der äußeren Zunge 180b des Beschleunigungsmessers 32b, um auf eine zweite Seite 220 des Zitterrahmens 30 zu treffen, die der ersten Seite 210 entgegengesetzt und im allgemeinen parallel zu dieser ist.
Obwohl die Konfiguration von Fig. 5 ein rein lineares Zittern erzeugt und nicht die gekrümmte Bewegung erfährt, die bei den zuvor beschriebenen Beispielen naturgemäß ist, tendiert diese Konfiguration nicht dazu, jeden Beschleunigungsmesser um seine Meßachse zu drehen. Eine alternative Konfiguration mit rein linearem Zittern, bei der nicht derselbe Grad von Drehung auftritt und deren Torsionsmoden bei Frequenzen über der Eigenfrequenz der Beschleunigungsmesser liegen, ist in Fig. 6 gezeigt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die Beschleunigungsmesser 32 nebeneinander angeordnet. Jeder Beschleunigungsmesser 32 enthält eine äußere Zunge 180 und eine innere Zunge 185, die sich von dem jeweiligen Stützrahmen 42 erstreckt. Die äußere Zunge 180 jedes Beschleunigungsmessers ist mit zwei entgegengesetzt gerichteten L-förmigen flexiblen Bändern 225, 230 verbunden. Die innere Zunge 185 jedes Beschleunigungsmessers 32 ist mit einem einzigen L-förmigen flexiblen Band 235 verbunden. Jedes L-förmige flexible Band 225, 230, 235 enthält einen sich längs erstreckenden Teil 240, der mit der jeweiligen Zunge verbunden ist, und einen sich quer erstreckenden Teil 245, der sich von dem sich längs erstreckenden Teil 240 erstreckt, um mit dem Zitterrahmen 30 verbunden zu werden. Die sich quer erstreckenden Teile 245 werden durch Ausschneiden eines Teils des Zitterrahmens 30 gebildet, so daß die sich quer erstreckenden Teile die gewünschte Länge aufweisen. Bei einem bevorzugten Entwurf weisen die sich längs erstreckenden Teile 240 jedes L-förmigen flexiblen Bands alle eine Länge L auf. Die sich quer erstreckenden Teile 245b, c, d und e weisen alle eine Länge von L/2 auf, während die sich quer erstreckenden Teile 245a und f auf eine Länge von L/2,52 geschnitten werden.
Fig. 7-13 betreffen Beschleunigungsmesser-Stützkonfigurationen mit einer rein linearen Zitterbewegung, bei denen keine unerwünschte Drehung der Beschleunigungsmesser 32 um ihre Meßachsen auftritt. Bei dem Beispiel von Fig. 7 sind die Beschleunigungsmesser 32 durch eine Konfiguration von Rücken an Rücken liegenden Einheiten von flexiblen S-Kurven-Bändern 250 mit dem Zitterrahmen 30 verbunden. Jede der Rücken an Rücken liegenden Einheiten von flexiblen S-Kurven-Bändern enthält ein erstes flexibles S-Kurven-Band 255, das mit einer Zunge auf dem Stützrahmen 42 verbunden ist, und ein zweites flexibles S-Kurven-Band 260, das im allgemeinen parallel zu dem ersten flexiblen Band 255 liegt und mit einer Zunge 265 verbunden ist, die sich von dem Zitterrahmen 30 erstreckt. Das erste und das zweite flexible S-Kurven-Band werden durch ein flexibles Überkreuzungsband 270 miteinander verbunden.
Wie gezeigt, enthält jeder Beschleunigungsmesser 32 zwei Rücken an Rücken liegende Einheiten 250 von flexiblen S-Kurven-Bändern. Die äußeren flexiblen Bänder 260a, 260d sind durch Zungen, die sich von gegenüberliegenden parallelen Seiten 275 und 280 des Zitterrahmens erstrecken, mit dem Zitterrahmen 32 verbunden. Die inneren flexiblen Bänder 260b und 260c sind mit Zungen verbunden, die sich von Stützelementen 84 und 285 erstrecken, die sich von gegenüberliegenden parallelen Seiten 210 und 220 des Zitterrahmens 30 erstrecken.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel, das im wesentlichen Fig. 7 gleicht. Der Hauptunterschied liegt in der Verbindung 72. Genauer gesagt wird durch Verwendung eines flexiblen Bands 300 mit Kreisbogen an dem Mittelteil 302, der mit einem Hebelträger 305 verbunden ist, der sich senkrecht von dem Stützelement 84 erstreckt, die lineare Resonanz in den durch den Pfeil 295 gezeigten Richtungen versteift. Wenn sie aus Silizium geformt werden, können die Ränder des flexiblen Bands mit Kreisbogen abhängig von der Art der verwendeten Verarbeitung zur Bildung der flexiblen Bänder viele Facetten aufweisen. Deshalb ist es wünschenswert, ein reaktives Ionenätzen zu verwenden, um das flexible Band mit Kreisbogen zu bilden. Das reaktive Ionenätzen minimiert oder beseitigt die Facettenbildung, die ansonsten auftreten würde. Zwei Hebelarme 310, 315 erstrecken sich von dem Mittelteil 302 in entgegengesetzten Richtungen.
Idealerweise begrenzen die Rücken an Rücken liegenden Einheiten 250 von flexiblen Bändern das Zittern der Beschleunigungsmesser auf eine lineare Bewegung in der durch den Pfeil 320 gekennzeichneten Richtung. In bestimmten Fällen kann es jedoch in den flexiblen Bändern zu einer weichen Mode in der durch den Pfeil 325 gekennzeichneten Richtung kommen, so daß sie eine Blockdrehung in den durch den Pfeil 325 gezeigten Richtungen erfahren können. Fig. 9 zeigt eine weitere Modifikation von Fig. 8, die diese Blockdrehung korrigiert. Bei diesem Beispiel sind bei jedem entsprechenden Paar von Rücken an Rücken liegenden Einheiten 250 von flexiblen S-Kurven-Bändern ihre flexiblen Überkreuzungsbänder 270 durch einen Laufbalken 330 verbunden.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Beispiel mit einem linearen zittern. Bei diesem Beispiel wird jeder Beschleunigungsmesser 32 durch vier Rücken an Rücken liegende Einheiten von flexiblen S-Kurven-Bändern gestützt. Jede Rücken an Rücken liegende Einheit 250 von flexiblen S-Kurven-Bändern ist mit einer entsprechenden entgegengesetzt gerichteten Rücken an Rücken liegenden Einheit 250' von flexiblen S-Kurven- Bändern gepaart. Die entgegengesetzt gerichteten Rücken an Rücken liegenden Einheiten von flexiblen S-Kurven- Bändern werden an den Zungen 180, 185, 335, 340 aneinander angefügt.
Wie mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben, können die flexiblen Bänder eine Blockdrehung erfahren. Um diese Blockdrehung zu korrigieren und die Beschleunigungsmesser entlang ihrer Pendelachsen weiter zu versteifen, können zwischen einem Paar ähnlich gerichteter Rücken an Rücken liegender Einheiten von flexiblen S-Kurven- Bändern Laufbalken 330 verbunden werden.
Eine solche Konfiguration ist in Fig. 11 gezeigt. Als Alternative kann, wie in Fig. 12 gezeigt, jedes Paar ähnlich gerichteter Rücken an Rücken liegender Einheit von flexiblen S-Kurven-Bändern durch einen Laufbalken 330 verbunden werden.
Die Verbindung 72 und zugeordnete Strukturen müssen in Fig. 12 verändert werden, da die Laufbalken 330 die Verbindung zwischen der Verbindung 72 und dem Stützrahmen 42 jedes Beschleunigungsmessers 32 abschneiden. Wie gezeigt, werden die Hebelarme 310, 315 verkürzt. Ein flexibles Band 345 erstreckt sich jeweils von dem Ende jedes Hebelarms 310, 315 und trifft auf eine L-förmige Verlängerung 350, die sich von dem Überkreuzungsbalken 270 einer intern angeordneten Rücken an Rücken liegenden Einheit von flexiblen S- Kurven-Bändern erstreckt. Somit ermöglicht dieses Beispiel der Verbindung 72, eine Zitterbewegung an die Rücken an Rücken liegenden Einheiten 250b' und 250c von flexiblen S-Kurven-Bändern anzulegen, im Gegensatz zu einem direkten Transfer der Kraft auf den Stützrahmen 42.
Fig. 13 zeigt eine weitere Konfiguration mit rein linearem Zittern, die eine Kopf-an-Kopf-Anordnung von Rücken an Rücken liegenden Einheiten 250 von flexiblen S-Kurven-Bändern verwendet. Wie gezeigt, weist jeder Beschleunigungsmesser 32 vier Zungen 335, 360 auf, die sich jeweils von jeder der vier Ecken des jeweiligen Stützrahmens 42 erstrecken. Jeder Beschleunigungsmesser enthält zwei Paar Rücken an Rücken liegende Einheiten 250 von flexiblen S-Kurven-Bändern, wobei jedes Paar in einer Kopf-an-Kopf-Anordnung konfiguriert ist. Die äußeren Rücken an Rücken liegenden Einheiten 250a, 250a', 250d und 250d' von flexiblen S-Kurven-Bändern erstrecken sich zwischen den jeweiligen äußeren Zungen 355 und den ausgeschnittenen Teilen 370 auf dem Zitterrahmen 30. Stützelemente 375 erstrecken sich von gegenüberliegenden Seiten 210, 220 des Zitterrahmens 30 in den inneren Teil des Zitterrahmens und enden an einer Zunge 380. Jede innere Rücken an Rücken liegende Einheit 250b, 250b', 250c, 250c' von flexiblen S- Kurven-Bändern weist eine Seite auf, die sich von der jeweiligen inneren Zunge 360 erstreckt, während die andere Seite mit dem jeweiligen Stützelement 375 verbunden ist. Wie gezeigt, ist eine Menge innerer Einheiten 250b' und 250c von flexiblen Bändern an der Zunge 380 mit dem jeweiligen Stützelement 375 verbunden, während die andere Menge von inneren Einheiten 250b und 250c' von flexiblen Bändern an den ausgeschnittenen Teilen 385 in dem Stützrahmen mit dem Stützrahmen 42 verbunden sind.
Bei den oben offengelegten Beispielen war die Verbindung 72 in einem inneren Bereich zwischen den Beschleunigungsmessern 32 angeordnet und trennte diese voneinander. Die Verbindung muß jedoch nicht unbedingt so angeordnet werden. Statt dessen kann man außerhalb der Beschleunigungsmesser 32 zwei Verbindungen anordnen, um die notwendige Kontrolle der Zitterbewegung bereitzustellen. Fig. 14-16 zeigen mehrere Sensorsubstrate, die Paare von äußeren Verbindungen verwenden.
Fig. 14 zeigt ein Sensorsubstrat mit Beschleunigungsmessern 32, die in einer Kopf-an-Kopf-Konfiguration angeordnet sind. Die Beschleunigungsmesser 32 sind durch flexible Bänder 170, 175 mit gegenüberliegenden Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 verbunden und erstrecken sich aufeinander zu, so daß sich ihre Verstrebungen 52 nahe sind. Zwei äußere Verbindungen 72 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Beschleunigungsmesser 32 angeordnet. Jede Verbindung 72 enthält zwei parallele Elemente 76a und 76b, die die Hebelarme 74a und 74b mit einer Klammer 78 verbinden, die mit dem flexiblen Schwenkband 82 verbunden ist. Die flexiblen Schwenkbänder 82 sind wiederum mit gegenüberliegenden Seiten 210, 220 des Zitterrahmens 30 verbunden. Ein flexibles Band 390 erstreckt sich jeweils von dem Ende jedes Schwenkarms 74 zu dem jeweiligen Beschleunigungsmesser 32, wodurch jede Verbindung einen Hebelarm aufweist, der mit einem Beschleunigungsmesser verbunden ist, während der andere Hebelarm mit dem anderen Beschleunigungsmesser verbunden ist. Da die Beschleunigungsmesser Kopf an Kopf angeordnet sind, zittern sie entlang parallelen Zitterachsen, die durch die Pfeile 392 und 393 gekennzeichnet werden.
Fig. 15 zeigt zwei Beschleunigungsmesser 32 in nebeneinanderliegender Beziehung, die durch zwei äußere Strecken verbunden werden. Zwei entgegengesetzt gerichtete Rücken an Rücken liegende Einheiten 250a und b von flexiblen S-Kurven-Bändern sind zwischen den inneren parallelen Seiten 395 der Stützrahmen 42 der Beschleunigungsmesser 32 angeordnet und sind mit Zungen verbunden, die sich von dem Stützrahmen 42 erstrecken. Eine einzige Rücken an Rücken liegende Einheit 405 von flexiblen S-Kurven-Bändern ist zwischen einer Zunge auf der Außenseite 410 des Stützrahmens 42 jedes Beschleunigungsmessers 32 und dem Zitterrahmen 30 verbunden. Die Rücken an Rücken liegende Einheit 405a von flexiblen S-Kurven-Bändern, die mit dem Beschleunigungsmesser 32a verbunden ist, ist in einer von der mit dem Beschleunigungsmesser 32b verbundenen Rücken an Rücken liegenden Einheit 405b von flexiblen S-Kurven-Bändern entgegengesetzten Richtung gerichtet.
Zwei äußere Verbindungen 72 sind aus gegenüberliegenden Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 42 ausgeschnitten. Die gegenüberliegenden Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 liegen im allgemeinen parallel zu den Außenseiten 410 der Stützrahmen 42, wenn der Sensor ruht. Jede äußere Verbindung enthält einen Mittelteil 415 mit einem flexiblen Kreisbogenband, das mit einem Hebelträger 420 verbunden ist, der sich senkrecht von der jeweiligen Seite 275, 280 des Zitterrahmens 30 erstreckt. Die Verbindungen 72 enthalten weiterhin Hebelarme 425, die sich in entgegengesetzten Richtungen von dem Mittelteil 415 erstrecken. Von dem Ende jedes Hebelarms 425 erstreckt sich ein flexibles Band 430. Ein flexibles Band ist direkt mit dem Stützrahmen des unmittelbar angrenzenden Beschleunigungsmessers verbunden, während das andere flexible Band mit einem Verlängerungsarm 435 verbunden ist, der sich von dem Stützrahmen 42 des fernen Beschleunigungsmessers erstreckt.
Fig. 16 verwendet zwei äußere Verbindungen, die miteinander verbunden sind. Wie gezeigt, sind die Beschleunigungsmesser 32 nebeneinander angeordnet. Die Beschleunigungsmesser sind durch ein jeweiliges Paar von flexiblen Bändern 170 und 175 mit derselben Seite 210 des Zitterrahmens verbunden. Die flexiblen Bänder 170 und 175 erstrecken sich von Zungen auf dem Stützrahmen 42 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 32 und der Seite 210 des Zitterrahmens 30.
Zwei äußere Verbindungen 72 sind auf gegenüberliegenden Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 42 angeordnet. Die gegenüberliegenden Seiten 275, 280 des Zitterrahmens 30 liegen im wesentlichen parallel zu den Außenseiten 410 der Stützrahmen 42, wenn der Sensor ruht. Jede externe Verbindung enthält einen Mittelteil 415 mit einem flexiblen Kreisbogenband, das mit einem Hebelträger 420 verbunden ist, der sich senkrecht von der jeweiligen Seite 275, 280 des Zitterrahmens 30 erstreckt. Die Verbindungen 72 enthalten weiterhin zwei im wesentlichen senkrechte Hebelarme 445, 450. Ein erster Hebelarm 445 verläuft im wesentlichen parallel zu der Außenseite des jeweiligen Stützrahmens 42, während sich ein zweiter Hebelarm 450 von dem Mittelteil 415 in einer zu dem ersten Hebelarm 445 senkrechten Richtung erstreckt. Ein flexibles Band 445 erstreckt sich jeweils von jedem ersten Hebelarm 445 und ist mit der äußeren Zunge des unmittelbar angrenzenden Beschleunigungsmessers verbunden. Die zweiten Hebelarme 450 jeder Verbindung 72 erstrecken sich aufeinander zu und werden durch zwei ähnlich gerichtete Rücken an Rücken liegende Einheiten 460 von flexiblen S-Kurven- Bändern und einen Verbindungsbalken 465, der sich zwischen den Rücken an Rücken liegenden Einheiten 460 von flelxiblen S-Kurven-Bändern erstreckt, verbunden. Bei den Beispielen von Fig. 14 und 16 kommt es zu der bereits erwähnten bogenförmigen Zitterbewegung, da die flexiblen Bänder, die die Beschleunigungsmesser mit dem Zitterrahmen verbinden, den in Fig. 2A gezeigten gleichen. Wenn eine solche bogenförmige Bewegung nicht toleriert werden kann, kann man die Ausführungsform von Fig. 15 verwenden, da sie so entworfen ist, daß sie eine rein lineare Zitterbewegung aufweist.
Die obigen Sensorsubstrate können modifiziert und in ein einziges Substrat integriert werden, zum Beispiel in ein Kristall-Quarzsubstrat mit drei Sensoren, die so ausgelegt sind, daß sie die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung entlang drei schräger Achsen messen, um einen triaxialen Sensor zu bilden. Ein Beispiel für ein solches triaxiales Sensorsubstrat ist in Fig. 17 gezeigt.
Wie in Fig. 17 gezeigt, enthält das Substrat 500 drei koplanare Sensoren 505a, 505b und 505c, die in einem Winkel von ungefähr 120 Grad in bezug aufeinander in der gemeinsamen Ebene des Substrats angeordnet sind. Jeder Sensor 505 enthält einen ersten Beschleunigungsmesser 510a und einen zweiten Beschleunigungsmesser 510b.
Wie in bezug auf die vorbekannten Sensorsubstrate beschrieben, enthält jeder Beschleunigungsmesser eine Bezugsmasse, die durch zwei parallele flexible Bänder und zwei vibrierende Balken mit einem Sensorrahmen verbunden ist, wodurch eine Kraft an der Bezugsmasse erkannt werden kann. Eine Querverstrebung erstreckt sich von der Bezugsmasse zu dem Sensorrahmen, um eine Querbewegung der Bezugsmasse zu begrenzen. Im Gegensatz zu dem obigen in bezug auf Fig. 2A beschriebenen Substrat sind die Beschleunigungsmesser 510 jedoch spezifisch so entworfen, daß ihre jeweiligen Meßachsen 515a und 515b in bezug auf die Normale 520 der Ebene des Substrats abgekantet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Achsen in einem Winkel von 35,26 Grad in bezug auf die Substratnormale 520 abgekantet.
Fig. 18 zeigt eine Bezugsmasse 530 und zugeordnete Elemente ausführlicher. Wie gezeigt, enthält die Bezugsmasse 530 ein Pendel 535, das zum Beispiel aus dem Substrat hergestellt wird. Eine Massenplatte 540 ist an das Pendel 535 angebondet. Die Massenplatte 540 wird hinzugefügt, um den Massenschwerpunkt 545 der Bezugsmasse 530 so einzustellen, daß die Meßachse 515 des Beschleunigungsmessers in einem Winkel von ungefähr 35,26 Grad in bezug auf die Normale 520 der Ebene des Substrats abgekantet ist. Der Vollausschlags- Beschleunigungseingangsbereich des Beschleunigungsmessers hängt von der Dichte des Massenplattenmaterials ab. Der Eingangsbereich kann somit durch Auswahl des Massenplattenmaterials verändert werden. Zum Beispiel kann das Pendel 535 aus Silizium konstruiert werden (d. h., wenn Silizium für das Substrat verwendet wird) und kann 0,06 Zoll breit, 0,06 Zoll lang und 0,02 Zoll dick sein. Eine entsprechende Massenplatte, die zum Beispiel aus Wolfram konstruiert wird, wäre ähnlich ungefähr 0,02 Zoll dick und würde dieselben Längen- und Breitenabmessungen aufweisen (1 Zoll = 2,54 cm). Der Eingangsbereich eines solchen Beschleunigungsmessers würde im Vergleich zu einem Beschleunigungsmesser mit einer vollständig aus Silizium konstruierten Bezugsmasse in der Größenordnung von 9 : 1 abnehmen. Ein Beschleunigungsmesser, der normalerweise bei Konstruktion mit einer vollständig aus Silizium gebildeten Bezugsmasse einen Eingangsbereich von 90 G aufweisen würde, würde somit bei Aufbau mit einer Silizium-/Wolfram-Bezugsmasse einen Eingangsbereich von 10 G aufweisen. Zusätzlich würde sich der Q-Faktor des Beschleunigungsmessers vergleichsweise stark reduzieren. Außerdem können andere Massenplattenmaterialien verwendet werden, darunter Legierungen auf Quarz- oder Kobaltbasis, wie zum Beispiel Elgiloy oder Hauar.
Der erste und der zweite Beschleunigungsmesser 510a und 510b jedes Sensors sind so angeordnet, daß ihre Meßachse 515a und 515b im allgemeinen parallel und in entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind. Für die vorliegenden Zwecke soll eine solche Konfiguration als "antiparallel" bezeichnet werden. Die Meßachse des ersten Beschleunigungsmessers 510a ist somit in einem Winkel in Richtung des Mittelpunkts 550 abgekantet, während die Meßachse 515b des zweiten Beschleunigungsmessers 510b in einem Winkel von dem Mittelpunkt 550 weg abgekantet ist. Als Alternative können die Achsen im allgemeinen parallel und in derselben Richtung gerichtet sein. Für die vorliegenden Zwecke soll eine solche Konfiguration als "parallel" bezeichnet werden. Da die Parallelkonfiguration das Linearbeschleunigungssignal nicht naturgemäß zu null ausgleicht, kann eine zusätzliche elektronische Verarbeitung zum Extrahieren der gewünschten Signale erforderlich sein (d. h. werden die Linearbeschleunigungssignale aus den Beschleunigungsmesserpaaren statt einer Summation einer Subtraktion voneinander unterzogen).
Eine Verbindung 555 verbindet die Sensorrahmen 560a, 560b des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers 510a, 510b, so daß jedes Zittern des ersten Beschleunigungsmessers 510a ein entsprechendes Zittern des zweiten Beschleunigungsmessers 510b erzeugt und umgekehrt. Jeder Sensor kann somit zur Messung der linearen Beschleunigung entlang den Meßachsen seines jeweiligen ersten und zweiten Beschleunigungsmessers und weiterhin zur gleichzeitigen Messung der Winkelgeschwindigkeit in der Richtung des Kreuzprodukts zwischen einem Einheitszittervektor und einem Einheitsvektor entlang den Meßachsen verwendet werden.
Das triaxiale Sensorsubstrat enthält außerdem einen Hauptrahmen 565. Zwei parallele flexible Bänder 570a, 570b und ein flexibles Versteifungsband 575 verbinden den Sensorrahmen jedes Beschleunigungsmessers mit dem Hauptrahmen 565. Die Verbindung 555 wird durch ein flexibles Schwenkband 580 mit einem Stützelement 585 verbunden, das sich von dem Hauptrahmen 565 erstreckt. Ein Radialnabenelement 590 verbindet jeweils die Verbindungen 555 jedes Sensors mit einer Nabe 595. Jedes radiale Nabenelement 590 enthält zwei starre Teile 595a und 595b, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Rücken an Rücken liegenden Einheit 600 von flexiblen S-Kurven-Bändern angeordnet sind. Zusammen stellen die Verbindungen 555, die Radialnabenelemente 590 und die Nabe 595 sicher, daß alle Beschleunigungsmesser mit derselben Frequenz in der Ebene des Substrats zittern.
Fig. 19 zeigt ein weiteres Beispiel für ein triaxiales Sensorsubstrat 500. Wie gezeigt, enthält die Nabe 605 drei radiale Arme 610, die in Winkeln von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet sind. Jeder Arm 610 endet an einem Stützelement 615, das durch ein flexibles Schwenkband 620 mit der jeweiligen Verbindung 625 verbunden ist. Zusätzlich ist die Nabe 605 durch Speichen 635, die sich radial von der Nabe 605 zu dem Hauptrahmen 630 erstrecken und in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet sind, mit einem Hauptrahmen 630 verbunden. Die parallelen flexiblen Bänder 640, 645, die jeweils jedem Beschleunigungsmesser 510 zugeordnet sind, sind, statt direkt mit dem Hauptrahmen 630 verbunden zu sein, mit einer entsprechenden Speiche 635 verbunden.
Wie aus Fig. 19 ersichtlich ist, ist jedes äußere flexible Band 640 mit einer äußeren Zunge verbunden, die an einem Mittelteil einer Außenseite des jeweiligen Stützrahmens angeordnet ist. Jedes innere flexible Band 645 ist an einer internen Ecke des Beschleunigungsmessers verbunden. Dadurch können die flexiblen Bänder mit derselben Länge ausgebildet werden und sich auf die gewünschte Art biegen. Die Meßachsen der Beschleunigungsmesser 510 dieses Sensors sind genauso wie der Sensor von Fig. 18 angeordnet.
Fig. 20 zeigt ein weiteres Beispiel für den triaxialen Sensor 500. In diesem Beispiel liegt die Nabe 650 in Form eines gleichseitigen Dreiecks vor. Jeder Seitenteil 655 der Nabe 650 besitzt einen Arm 660, der an einem Stützelement 665 endet, das wiederum mit einem flexiblen Schwenkarmband 670 verbunden ist, das sich von der jeweiligen Verbindung 675 erstreckt. Wie gezeigt, erstrecken sich die Speichen 680 von den Spitzenteilen 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 durch zwei parallele flexible Bänder 700, 705, die sich von den Ecken des jeweiligen Sensorrahmens 560 erstrecken, mit dem jeweiligen Seitenteil 655 der Nabe 650 verbunden. Die gemeinsame Verbindung zwischen den Beschleunigungsmessern 510 und der Nabe 650 stellt sicher, daß die Beschleunigungsmesser alle in der Ebene des Substrats zittern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die triaxialen Sensoren der obigen Entwürfe funktionsmäßig in zwei Mengen von drei Beschleunigungsmessern aufgeteilt werden. Eine erste Menge von drei Beschleunigungsmessern ist so in der Ebene angeordnet, daß ihre Meßachsen zueinander schräg sind und auf die Mittelachse normal zu der Nabe gerichtet sind. Die übrige zweite Menge von drei Beschleunigungsmessern ist so angeordnet, daß ihre Meßachsen ebenfalls schräg zueinander liegen und zu den Meßachsen der ersten Menge von drei Beschleunigungsmessern in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind, so daß sie von der Mittelachse normal zu der Nabe nach außen gerichtet sind. Bei Ansteuerung durch einen Zitteroszillator bewirken die Verbindungen und zugeordneten Komponenten, daß die erste Menge von Beschleunigungsmessern in einer dem Zittern der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern entgegengesetzten Richtung zittert, wodurch eine gleichzeitige Messung der linearen Beschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit möglich wird.
Die aus einem einzigen Substrat gebildeten Ausführungsformen der triaxialen Sensoren sind empfindlich gegenüber Winkelbeschleunigung, da die Meßachsen der Beschleunigungsmesser jedes einzelnen Sensors nebeneinander liegen, wodurch effektiv ein Winkelbeschleunigungsmesser mit geringer Empfindlichkeit um die Geschwindigkeitsachsen erzeugt wird. Um diese Empfindlichkeit gegenüber der Winkelgeschwindigkeit zu reduzieren oder zu beseitigen, können die Meßachsen der entsprechenden Beschleunigungsmesser jedes Sensors ausgerichtet werden. Fig. 21-31 betreffen Ausführungsformen eines triaxialen Sensors, bei denen die Eingangsachsen ausgerichtet sind, um Empfindlichkeit gegenüber Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu beseitigen.
Fig. 21-23 betreffen eine Ausführungsform eines solchen triaxialen Sensors. Der triaxiale Sensor enthält ein erstes und ein zweites Substrat 705 und 710, die jeweils in Fig. 21 und 22 gezeigt sind. Mit Bezug auf Fig. 21 enthält das erste Substrat 705 eine erste Menge von drei Beschleunigungsmessern 715, die in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet sind, und deren Meßachsen 720 in die Seitenebene und von der Mittelachse durch 725 abgekantet sind, so daß die Meßachsen schräg zueinander liegen. Jeder Beschleunigungsmesser 715 ist durch zwei Rücken an Rücken liegende Einheiten 735 von flexiblen S-Kurven-Bändern mit einem Hauptrahmen 730 verbunden, wobei sich eine Einheit 735 von flexiblen Bändern jeweils von jeder der beiden gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Sensorrahmens 740 erstreckt.
Wie gezeigt, enthält das erste Substrat 705 eine Mittelnabe 745. Die Nabe enthält drei Arme 750, die in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet sind. Die in dem ersten Substrat 705 ausgebildeten Beschleunigungsmesser 715 sind im Gegensatz zu denen des nachfolgend beschriebenen zweiten Substrats 710 nicht direkt mit einer Nabe verbunden. Statt dessen sind zwischen der Nabe 745 und dem Stützrahmen 740 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 715 eine Verbindung 755 und ihre zugeordneten Komponenten angeordnet.
Jede Verbindung 755 enthält einen im allgemeinen U- förmigen Teil 760, der durch ein flexibles Schwenkband 765 mit dem Hauptrahmen 730 verbunden ist. Zwei Hebelarme 770a und 770b erstrecken sich in entgegengesetzten Richtungen von dem U-förmigen Teil 760 jeder Verbindung 755. Ein Hebelarm 770a ist mit einem sich senkrecht erstreckenden flexiblen Band 775 verbunden, das den Hebelarm 770a mit einer Seite des Stützrahmens 740 des jeweiligen Beschleunigungsmessers 715 verbindet. Der andere Hebelarm 770b jeder Verbindung 755 ist mit einem weiteren sich senkrecht erstreckenden flexiblen Band 780 verbunden, das den Hebelarm 770b mit einem jeweiligen Arm 750 der Nabe 745 verbindet. Das flexible Band 780 ist im allgemeinen senkrecht zu dem jeweiligen Arm 750.
Das zweite Substrat 710 enthält eine zweite Menge von drei Beschleunigungsmessern 785, die in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander angeordnet sind und deren Meßachsen 790 aus der Seitenebene und in Richtung der Mittelachse durch 725 abgekantet sind, so daß die Meßachsen schräg zueinander liegen. Jeder Beschleunigungsmesser 785 ist durch zwei Rücken an Rücken liegende Einheiten 795 von flexiblen S-Kurven- Bändern mit einem Hauptrahmen 792 verbunden, wobei sich eine Einheit 795 von flexiblen Bändern jeweils von jeder der beiden gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Sensorrahmens 800 erstreckt. Durch ein radiales Nabenelement 815 mit einem starren Teil 820, der durch eine Rücken an Rücken liegende Einheit 825 von flexiblen S-Kurven-Bändern mit dem jeweiligen Arm 822 verbunden ist, ist die zur Mitte weisende Seite 805 des Sensorrahmens 800 jedes Beschleunigungsmessers 785 mit einer zentralen Nabe 810 verbunden.
Die Hauptrahmen 730 und 792 des ersten und des zweiten Substrats 705, 710 sind in fester Beziehung in bezug aufeinander angeordnet, so daß sie ordnungsgemäß mit den Beschleunigungsmessern ausgerichtet werden. Zusätzlich sind die Naben miteinander verbunden, zum Beispiel an den Nabenteilen von Dämpfungsplatten, die die Teile des ersten und des zweiten Substrats abdecken, die einander zugewandt sind.
Wie in Fig. 23 im Querschnitt gezeigt, werden das erste und das zweite Substrat so in bezug aufeinander zusammengebaut, 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 triaxialen Sensors wegdivergiert. Die Substrate 705 und 710 sind so angeordnet, daß die Meßachse 790 jedes Beschleunigungsmessers 785 des zweiten Substrats 710 in einer der Meßachse 720 des entsprechenden Beschleunigungsmessers 715 in dem ersten Substrat 705 entgegengesetzten Richtung zeigt. Zusätzlich sind, wie in der Zeichnung gezeigt, die Meßachsen 720 und 790 ausgerichtet, um Empfindlichkeit gegenüber Winkelbeschleunigung zu reduzieren oder zu beseitigen. Zu diesem Zweck liegen die Beschleunigungsmesser 785 des zweiten Substrats 710 in einem kleineren radialen Abstand von dem Mittelpunkt als die entsprechenden Beschleunigungsmesser 715 des ersten Substrats 705.
Weitere Aspekte des triaxialen Sensors sind ebenfalls in Fig. 23 gezeigt. Wie gezeigt, besitzt jedes Substrat eine entsprechende Massenplatte 830, die das Abkanten der Meßachsen der Beschleunigungsmesser unterstützt und außerdem ihr Ansprechverhalten mit Dämpfungsplatten 835 dämpft. Zusätzlich wird jedes Substrat 705 und 710 durch ein jeweiliges Paar von Abdeckplatten 835 eingeschlossen.
Nunmehr mit Bezug auf Fig. 21 und 22 erzeugt eine Zitterbewegung, die zum Beispiel an einen der Beschleunigungsmesser des ersten Substrats in der durch den Pfeil 840 in Fig. 21 angegebenen Richtung angelegt wird, eine entsprechende Zitterbewegung in den anderen Beschleunigungsmessern des ersten Substrats in einer durch die Pfeile 850 angegebenen Richtung. Die Verbindungen 755 kehren diese Bewegung effektiv um, während sie auf die Nabe 745 übertragen wird. Somit dreht sich die Nabe 745 in der durch den Pfeil 855 angegebenen Richtung. Da die Naben des ersten und des zweiten Substrats miteinander verbunden sind, erzeugt eine Drehung der Nabe des ersten Substrats eine entsprechende Drehung der Nabe des zweiten Substrats in derselben Richtung, die hier durch den Pfeil 860 in Fig. 22 angegeben wird. Diese Drehbewegung der Nabe des zweiten Substrats wird entlang den radialen Nabenelementen 815 übertragen und erzeugt ein lineares Zittern jedes Beschleunigungsmessers in der durch den Pfeil 865 angegebenen Richtung. Wie gezeigt erfolgt die lineare Zitterbewegung jedes Beschleunigungsmessers des zweiten Substrats in einer der linearen Zitterbewegung des entsprechenden Beschleunigungsmessers des ersten Substrats entgegengesetzten Richtung.
Eine weitere Ausführungsform eines triaxialen Sensors ist in Fig. 24-31 gezeigt. Diese Ausführungsform enthält ein erstes Substrat 870 mit einer ersten Menge von darin ausgebildeten drei koplanaren Beschleunigungsmessern 875, deren Stützrahmen 880 integral durch einen sechseckigen Hauptrahmen 885 verbunden werden, der die Beschleunigungsmesser in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander anordnet. Der sechseckige Hauptrahmen 885 ist konzentrisch um eine sechseckige Nabe 890 herum angeordnet, die ebenfalls aus dem Substrat 870 ausgebildet wird. Drei in dem Substrat ausgebildete flexible Bänder 895 verbinden die Nabe 890 mit dem Hauptrahmen 885. Die Beschleunigungsmesser dieser ersten Menge, zusätzlich der nachfolgend ausführlicher beschriebenen Massenplatte, sind so entworfen, daß ihre Meßachsen 900 in bezug auf die Normale der Substratebene in Richtung der Mitte 905 abgekantet sind und aus der Seitenebene herauszeigen. Folglich sind die Meßachsen schräg zueinander.
Eine zweite Menge dreier koplanarer Beschleunigungsmesser 910 ist in einem zweiten Substrat 915 ausgebildet, das hier in Fig. 25 gezeigt ist. Die Stützrahmen 920 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 ist ähnlich integral durch einen sechseckigen Hauptrahmen 925 verbunden, der konzentrisch um eine hexagonale Nabe 930 angeordnet ist, die ebenfalls aus dem Substrat 915 ausgebildet wird. Der hexagonale Hauptrahmen 925 ordnet die Beschleunigungsmesser 910 in einem Winkel von 120 Grad in bezug aufeinander an. Drei flexible Bänder 935 sind in dem Substrat 915 ausgebildet und verbinden die Nabe 930 mit dem Hauptrahmen 925. Die Beschleunigungsmesser der zweiten Menge, zusätzlich der in der nachfolgenden Baugruppe gezeigten Massenplatte, sind so entworfen, daß ihre Meßachsen 937 in bezug auf die Ebene des Substrats in einem Winkel von der Mitte 905 weg abgekantet sind und sind in die Seitenebene hineingerichtet. Folglich sind die Meßachsen schräg zueinander. Zusätzlich 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 nachfolgenden Beschreibung deutlicher ersichtlich wird, richtet diese Anordnung die Meßachsen 900 der ersten Menge von Beschleunigungsmessern 875 mit den Meßachsen 937 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 aus, wenn die erste und die zweite Menge von Beschleunigungsmessern übereinandergestapelt werden (siehe Fig. 26).
Fig. 27 zeigt weitere Strukturen, die den triaxialen Sensor dieser Ausführungsform umfassen. Wie gezeigt, ist die erste Menge von Beschleunigungsmessern in einem ersten geschichteten Stapel 935 angeordnet, der eine erste Dämpfungsplatte 940, das erste Substrat 870, eine Massenplatte 945 und eine zweite Dämpfungsplatte 950 enthält. Die Massenplatte 945 ist über der Unterseite 955 der ersten Menge von Beschleunigungsmessern angeordnet und enthält eine Verlängerung des Materials, das über den Bezugsmassen der Beschleunigungsmesser angeordnet ist. Obwohl es nur in bezug auf die zweite Dämpfungsplatte 950 gezeigt ist, enthält sowohl die erste als auch die zweite Dämpfungsplatte 940, 950 Dämpfungslücken 960, die zurückgeätzt werden, um eine Bewegung der Bezugsmassen der Beschleunigungsmesser zu gestatten.
Die zweite Menge von Beschleunigungsmessern 910 ist in einem zweiten geschichteten Stapel 965 angeordnet, der eine erste Dämpfungsplatte 970, eine Massenplatte 975, das zweite Substrat 915 und eine zweite Dämpfungsplatte 980 enthält. Die Massenplatte 975 ist über der Oberseite 985 der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern angeordnet und enthält eine Verlängerung des Materials, das über den Bezugsmassen der Beschleunigungsmesser angeordnet ist. Sowohl die erste als auch die zweite Dämpfungsplatte 970, 980 enthält Dämpfungslücken 990, die zurückgeätzt sind, um eine Bewegung der Bezugsmassen der Beschleunigungsmesser zu gestatten.
Der erste und der zweite geschichtete Stapel 935, 965 liegen übereinander, um einen vollständigen triaxialen Sensorstapel 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 etwas dicker als die Teile der Dämpfungsplatten aufgebaut, die jeweils den Hauptrahmen und die Beschleunigungsmesser abdecken. Die Nabenteile 1000, 1005 der Dämpfungsplatten 950, 970 dienen somit zur Beabstandung des Hauptrahmenteils 1007 des ersten geschichteten Stapels von den Hauptrahmenteilen 1009 des zweiten geschichteten Stapels. Wenn eine Zitterbewegung zur Ansteuerung der geschichteten Stapel angelegt wird, bewirkt die natürliche Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten geschichteten Stapels, daß sich der erste geschichtete Stapel phasenverschoben in bezug auf den zweiten geschichteten Stapel und mit einer gemeinsamen Frequenz, die etwas von den Resonanzfrequenzen des ersten und des zweiten Stapels verschieden ist, dreht.
Eine teilweise Querschnittsansicht des vollständigen Stapels ist in Fig. 28 gezeigt. Wie gezeigt, sind der Nabenteil 1010 und der Hauptrahmenteil 1009 des zweiten geschichteten Stapels 965 größer als der Nabenteil 1015 und der Hauptrahmenteil 1007 des ersten geschichteten Stapels 935, und zwar um einen Betrag, der ausreicht, um die Meßachsen jedes Beschleunigungsmessers der ersten Menge von Beschleunigungsmessern 875 mit den Meßachsen der entsprechenden zweiten Menge von Beschleunigungsmessern 910 auszurichten. Diese Konfiguration ermöglicht somit einen triaxialen Sensor, der auf diese Weise gebildet wird, um ohne Empfindlichkeit gegenüber Winkelbeschleunigung zu arbeiten.
Der erste und der zweite geschichtete Stapel können durch flexible Bänder oder dergleichen verbunden werden, um eine Gegendrehung des ersten und des zweiten geschichteten Stapels zu erleichtern. Eine Stapelverbindung, die sich zur Verwendung bei der Verbindung des ersten und des zweiten geschichteten Stapels eignet, ist in Fig. 29 gezeigt.
Wie gezeigt, kann die Stapelverbindung 1025 zum Beispiel als eine Verlängerung von einer Seite 1028 des Nabenteils 1005 der zweiten Dämpfungsplatte 950 des ersten geschichteten Stapels 965 gebildet werden. Sowohl die Stapelverbindung als auch die Nabe können aus einem einzigen Substratmaterial, wie zum Beispiel Quarz, ausgebildet werden. Die Stapelverbindung 1025 enthält ein erstes und ein zweites gestuftes Element 1030 und 1035 mit entgegengesetzter Richtung, die jeweils einen ersten Stufenteil 1040 und einen zweiten Stufenteil 1045 aufweisen. Das erste und das zweite gestufte Element werden durch eine Rücken an Rücken liegende Einheit 1050 von flexiblen S-Kurven-Bändern verbunden, die als Koppler dient. Ein flexibles Band 1055 erstreckt sich von dem Endteil 1057 jedes abgestuften Elements 1030, 1035. Die flexiblen Bänder 1055 erstrecken sich zueinander und sind mit jeweiligen L-förmigen Elementen 1060 und 1065 verbunden. Während sich das L-förmige Element 1060 nach innen in Richtung des Nabenteils 1005 erstreckt, erstreckt sich das L- förmige Element 1065 von dem Nabenteil 1005 nach außen. Flexible Winkelbänder 1070 erstrecken sich von dem ersten und dem zweiten abgestuften Element 1030 und 1035 an der Verbindungsstelle der ersten und der zweiten Stufe 1040 und 1045 und verbinden die erste und die zweite Stufe mit dem Nabenteil 1005. Die flexiblen Winkelbänder 1070 biegen sich in einer einfachen Biegemode.
Die abgestuften Elemente wirken effektiv als Zahnräder, die durch die Rücken an Rücken liegende Einheit 1050 von flexiblen S-Kurven-Bändern durchdrungen werden. Das durch das erste abgestufte Element 1030 gebildete Zahnrad weist eine effektive Drehungsmitte um den Punkt 1075 auf, während das zweite abgestufte Element 1035 eine effektive Drehungsmitte um den Punkt 1080 aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich drei Stapelverbindungen 1025 von dem Nabenteil 1005, wie in Fig. 30 gezeigt. Jede Stapelverbindung ist jeweils einem entsprechenden Paar von Beschleunigungsmessern zugeordnet und mit diesem ausgerichtet. Das L- förmige Element 1060 ist mit dem ersten geschichteten Stapel 935 verbunden, während das L-förmige Element 1065 mit dem zweiten geschichteten Stapel 965 verbunden ist. Eine Zitterbewegung, die durch ein Beschleunigungsmesser eines der Sensorstapel angelegt wird, wird zu den Stapelverbindungen 1025 übertragen und führt zu einer Bewegung der Einheit 1050 von flexiblen Bändern und der abgestuften Elemente 1030, 1035 in den durch die Pfeile 1085 von Fig. 29 gezeigten Richtungen. Diese Bewegung bewirkt wiederum ein Zittern der Stapel in entgegengesetzten Richtungen.
Es sollten mehrere Abmessungen beachtet werden. Wie gezeigt, weist das erste abgestufte Element 1030 eine zugeordnete Länge c auf, die dem Abstand zwischen der Drehungsmitte 1075 und der Mitte des flexiblen Bands 1055a entspricht. Genauso weist das zweite abgestufte Element 1035 eine zugeordnete Länge d auf, die dem Abstand zwischen der Drehungsmitte 1080 und der Mitte des flexiblen Bands 1055b entspricht. Das Verhältnis c : d stellt das Getriebeverhältnis dar, das beim Entwurf der Stapelverbindung 1025 berücksichtigt werden sollte. Das Getriebeverhältnis sollte den Umstand in Betracht ziehen, daß die Hauptrahmenteile der geschichteten Stapel mit verschiedenen Radien angeordnet sind. Das Getriebeverhältnis c : d kann so gewählt werden, daß dies ausgeglichen wird, so daß entsprechende Beschleunigungsmesser denselben linearen Abstand zurücklegen.
Die Abmessung b stellt den Abstand von der Drehungsmitte 1080 und dem Mittelpunkt zwischen den L-förmigen Elementen dar (d. h. b = (c + d)/2). Wenn die Stapelverbindung 1025 und der Nabenteil 1005 aus Kristallquarz bestehen, sollte das Verhältnis a : b der folgenden Gleichung genügen:
30 = Tan&supmin;¹(a/b)
Bei Ausbildung auf diese Weise nutzt der Entwurf die Symmetrie der in dem Kristallquarz innewohnenden Kristallebenen aus.
Die Rücken an Rücken liegende Einheit 1050 von flexiblen S-Kurven-Bändern kann einer Blockdrehung ausgesetzt werden. Um eine solche Blockdrehung zu vermeiden, kann die Einheit 1050 von flexiblen Bändern durch den in Fig. 31 gezeigten In-Line-Koppler 1090 ersetzt werden. Der In-Line-Koppler 1090 enthält ein einziges flexibles Band 1095, das durch entgegengesetzt gerichtete L-förmige Teile 1095 und 1100 mit den abgestuften Elementen 1030 und 1035 verbunden ist.
Fig. 32-35 betreffen einen Einachsen-Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssensor, der unempfindlich gegenüber Winkelbeschleunigung ist. Dieser Sensor ist kein Teil der Erfindung. Der Sensor enthält einen ersten Beschleunigungsmesser 1105, der durch eine Konfiguration von flexiblen Bändern, wie zum Beispiel der oben in bezug auf Fig. 4 gezeigten und beschriebenen, mit einem Zitterrahmen 1110 verbunden ist. Der Beschleunigungsmesser 1105 ist im Inneren des Zitterrahmens 1110 angeordnet, um einen offenen Bereich 1115 zurückzulassen. Der Beschleunigungsmesser 1105 enthält weiterhin eine empfindliche Achse 1120, die sich aus der Seitenebene heraus erstreckt.
Ein zweiter Beschleunigungsmesser 1125 (Fig. 34), der mit einem jeweiligen Zitterrahmen 1130 verbunden ist, wird ebenfalls verwendet und enthält eine empfindliche Achse 1135, die sich in die Seitenebene hinein erstreckt. Der zweite Beschleunigungsmesser 1125 ist im Inneren des Zitterrahmens 1130 angeordnet, um einen offenen Bereich 1140 zurückzulassen.
Fig. 33 zeigt eine Verbindung 1145, die durch ein flexibles Schwenkband 1155 mit einem Verbindungsrahmen 1150 verbunden ist. Der Verbindungsrahmen 1150 enthält einen vorstehenden Teil 1160, der Kanäle 1170 auf gegenüberliegenden Seiten davon definiert. Die flexiblen Bänder 1175 sind mit gegenüberliegenden Armen 1180 der Verbindung 1145 verbunden und enden an Bondierungselementen 1185 und 1190, die jeweils in den Kanälen 1170 angeordnet sind.
Ein zusammengebauter Sensor ist in Fig. 35 gezeigt. Wie gezeigt, wird der Sensor durch Bonden der Zitterrahmen 1110 und 1130 an die gegenüberliegenden Seiten des Verbindungsrahmens 1150 in einer Stapelstruktur gebildet. Das Bonden kann unter Verwendung eines standardmäßigen, Fachleuten bekannten Bondierungsverfahrens erzielt werden. Die empfindlichen Achsen 1120 und 1135 sind ausgerichtet, um die Empfindlichkeit gegenüber Winkelbeschleunigung zu begrenzen. Obwohl die Achsen als in entgegengesetzte Richtungen zeigend (antiparallel) gezeigt sind, können die Achsen auch in derselben Richtung (parallel) liegen. Unter Verwendung bekannter Bondierungstechniken wird eine erste Dämpfungsplatte 1195 an den ersten Zitterrahmen 1110 angebondet, und eine zweite Dämpfungsplatte 2000 wird an den zweiten Zitterrahmen 1130 angebondet. Der vorstehende Teil 1160 des Verbindungsrahmens 1150 dient als eine weitere Dämpfungsplatte, die sowohl dem ersten als auch dem zweiten Beschleunigungsmesser 1105 und 1125 gemeinsam ist.
Die Beschleunigungsmesser 1105 und 1125 sind durch die Verbindung 1145, die in der Kammer, die die offenen Bereiche 115 und 1140 enthält, angeordnet ist, miteinander verbunden. Das Bondierungselement 1185 ist mit dem Boden des Bondierungsgebiets 2005 verbunden, was hier mit Schraffierung des ersten Beschleunigungsmessers 1105 gezeigt ist. Ähnlich ist das Bondierungselement 1190 mit dem Bondierungsgebiet 2010 verbunden, was hier mit Schraffierung des zweiten Beschleunigungsmessers 1125 gezeigt ist. Im Betrieb ermöglicht die Verbindung eine gleiche aber entgegengesetzte Zitterbewegung der Beschleunigungsmesser.
Obwohl in Verbindung mit Fig. 21-31 mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist für Durchschnittsfachleute erkennbar, daß die Ausführungsformen modifiziert und verändert werden können.
Somit sind die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen in jeder Hinsicht nicht als einschränkend, sondern als beispielhaft zu betrachten, wobei der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die obige Beschreibung, sondern durch die angefügten Ansprüche angegeben wird. Deshalb ist es die Absicht des Erfinders, hiermit alle Änderungen einzuschließen, die in Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen.

Claims

1. Struktur zur Verwendung in einem triaxialen Winkelgeschwindigkeits- und Beschleunigungssensor, umfassend:

eine erste Menge koplanarer Beschleunigungsmesser (715, 875), die in einem ersten im allgemeinen planaren Substrat (705, 870) ausgebildet ist, wobei jeder der ersten Menge von Beschleunigungsmessern (715, 875) eine Meßachse (720, 900) aufweist, die relativ zu der Ebene des ersten Substrats (705, 870) in einem Winkel abgekantet ist, wobei die erste Menge von Beschleunigungsmessern (715, 875) in der Ebene des ersten Substrats (705, 870) angeordnet ist, um die Meßachsen (720, 900) der ersten Menge von Beschleunigungsmessern schräg zueinander zu plazieren;

eine zweite Menge koplanarer Beschleunigungsmesser (785, 910), die in einem zweiten im allgemeinen planaren Substrat (710, 915) ausgebildet ist, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern (785, 910) eine Meßachse (790, 937) aufweist, die relativ zu der Ebene des zweiten Substrats (710, 915) in einem Winkel abgekantet ist, wobei die zweite Menge von Beschleunigungsmessern (785, 910) in der Ebene des zweiten Substrats (710, 915) angeordnet ist, um die Meßachsen (790, 937) der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern schräg zueinander zu plazieren, wobei jeder der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern (785, 910) mit einem entsprechenden Beschleunigungsmesser der ersten Menge von Beschleunigungsmessern (715, 875) gepaart ist, wobei entsprechende Beschleunigungsmesserpaare Meßachsen (720, 790, 900, 937) aufweisen, die koaxial ausgerichtet sind;

ein Verbindungsmittel (745, 810, 890, 930) zum Verbinden der ersten und der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern (715, 785, 875, 910) miteinander, damit die Beschleunigungsmesser der ersten und der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern mit derselben Frequenz zittern können.

2. Struktur nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel folgendes umfaßt:

eine in dem ersten Substrat (705) ausgebildete erste Nabe (745);

ein in dem ersten Substrat (705) ausgebildetes Anbindungsmittel (755) zum Anbinden der ersten Nabe (745) an einen jeweiligen Beschleunigungsmesser (715) der ersten Menge von Beschleunigungsmessern, so daß eine Zitterbewegung der ersten Nabe (745) in einer ersten Richtung eine Zitterbewegung des jeweiligen Beschleunigungsmessers (715) in einer der ersten Richtung im allgemeinen entgegengesetzten zweiten Richtung erzeugt;

eine in dem zweiten Substrat (710) ausgebildete zweite Nabe (810), die in fester Ausrichtung mit der ersten Nabe (745) verbunden ist;

in dem zweiten Substrat (710) ausgebildete radiale Nabenglieder (815), wobei jedes radiale Nabenglied (815) einem jeweiligen Beschleunigungsmesser (785) der zweiten Menge von Beschleunigungsmessern zugeordnet ist, wobei jedes der radialen Nabenglieder (815) den jeweiligen Beschleunigungsmesser (785) mit der zweiten Nabe (810) verbindet.

3. Struktur nach Anspruch 2, wobei jedes der radialen Nabenglieder folgendes umfaßt:

einen starren Teil (820); und

eine Rücken an Rücken angeordnete, S-gebogene flexible Einheit (825), die den starren Teil (820) mit der zweiten Nabe (810) verbindet.

4. Struktur nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsmittel folgendes umfaßt:

eine in dem ersten Substrat (870) ausgebildete erste Nabe (890);

einen in dem ersten Substrat (870) ausgebildeten ersten Hauptrahmen (885), der die erste Menge von Beschleunigungsmessern (875) in fester Ausrichtung zueinander miteinander verbindet;

eine in dem ersten Substrat (870) ausgebildete erste Vielzahl von flexiblen Bändern (895), die die erste Nabe (890) mit dem ersten Hauptrahmen (885) verbindet;

eine in dem zweiten Substrat (915) ausgebildete zweite Nabe (930), die in fester Ausrichtung mit der ersten Nabe (890) verbunden ist;

einen in dem zweiten Substrat (915) ausgebildeten zweiten Hauptrahmen (925), der die zweite Menge von Beschleunigungsmessern (910) in fester Ausrichtung zueinander miteinander verbindet;

eine in dem zweiten Substrat (915) ausgebildete zweite Vielzahl von flexiblen Bändern (935), die die zweite Nabe (930) mit dem zweiten Hauptrahmen (925) verbindet; und

ein Mittel (1025) zum Anbinden des ersten Hauptrahmens (885) an den zweiten Hauptrahmen (925), damit der erste und der zweite Hauptrahmen mit derselben Frequenz zittern können.

5. Struktur nach Anspruch 4, wobei das Mittel (1025) zum Anbinden des ersten Hauptrahmens (885) an den zweiten Hauptrahmen (925) weiterhin ein Mittel (1030, 1035) zum Übersetzen einer Zitterbewegung eines der beiden Hauptrahmen in einer ersten Richtung in eine Zitterbewegung des anderen Hauptrahmens in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung bereitstellt.