DE69420481T2

DE69420481T2 - Winkelgeschwindigkeitsmessaufnehmer

Info

Publication number: DE69420481T2
Application number: DE69420481T
Authority: DE
Inventors: Tomayasu Hasegawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2014-01-29
Also published as: DE69420481D1; EP0634629B1; US5559291A; EP0634629A1; EP0634629A4; WO1994017363A1

Description

Technisches Fachgebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Winkelgeschwindigkeitssensor, der, zum Beispiel, für die Verwendung bei der Erfassung von Drehrichtungen und von Stellungen eines Motorfahrzeuges oder eines Flugzeuges oder ähnlichem geeignet ist.

Hintergrundinformationen zum Stand der Technik

Bei Winkelgeschwindigkeitssensoren relativ kleiner Größen sind in letzter Zeit viele Bemühungen auf die Entwicklung von Schwingungs-Winkelgeschwindigkeitssensoren gerichtet worden. Die Winkelgeschwindigkeitssensoren dieses Typs sind im allgemeinen dazu ausgestaltet, um die Winkelgeschwindigkeit aus einer Verlagerung eines Schwingungsbauteils unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft, von der bekannt ist, daß sie der Winkelgeschwindigkeit proportional ist, elektronisch durch Verwendung von piezoelektrischen Elementen zu erfassen, die in Verbindung mit dem Schwingungsbauteil angeordnet sind.
Die Winkelgeschwindigkeitssensoren dieser Art schließen normalerweise einen Herstellungsprozeß von äußerst hoher Präzision ein, der sehr teuer ist, zum Beispiel einen Herstellungsprozeß, der die Halbleiter-Herstellungstechnik (wie sie in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Sho61-114123 und Sho61- 139719 vorgeschlagen sind) verwendet.
In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 12 einen dem Stand der Technik entsprechenden Winkelgeschwindigkeitssensor, wie er in der vorher erwähnten japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Sho61- 139719 offenbart ist.
In Fig. 12 ist, bezeichnet mit 1, eine Siliziumsubstrat-Struktur dargestellt, die im wesentlichen durch ein unteres Substrat 1A, das in dieser Figur an der unteren Seite dargestellt ist, ein oberes Substrat 1B, das über dem unteren Substrat 1A angeordnet ist und aus einem Raum 1C gebildet ist, der zwischen den beiden Substraten 1A und 1B ausgebildet ist, um Schwingungen eines freitragenden Haltearmes 2 zu ermöglichen, wie hierin später beschrieben wird.
Mit 2 ist ein dünnwandiger, freitragender Haltearm bezeichnet, der mit Hilfe einer Ätztechnik oder ähnlichem integriert in dem oberen Substrat 1B der Substratstruktur 1 ausgebildet ist. Der freitragende Haltearm 2 ist an einem Ende, d. h. an seinem Basisende 2A, das fest mit dem oberen Substrat 1B verbunden ist, fest eingespannt und an dem anderen Ende 2B frei beweglich, um Schwingungen in Aufwärts- und Abwärtsrichtung senkrecht zu der Fläche des Substrats 1 auszuführen. Ferner ist ein rechtwinkliger Schlitz 3 in Längsrichtung und in der Mitte des freitragenden Haltearmes in einem Basisenden-Abschnitt 2A davon ausgebildet.
Die Bezugszahl 4 bezeichnet eine Elektrode, die auf der oberen Fläche eines vorderen, freien Endabschnittes 2B des freitragenden Haltearmes 2 ausgebildet ist. Die Elektrode 4 ist über einen Zuleitungsdraht mit einer Oszillatorschaltung verbunden, die ein vorbestimmtes Frequenzsignal erzeugt (sowohl der Zuleitungsdraht als auch die Oszillatorschaltung sind nicht gezeigt). Nach der Zuführung des vorbestimmten Frequenzsignals zu dem freitragenden Haltearm 2 über die Elektrode 4, schwingt der freitragende Haltearm infolge der elektrostatischen Kraft, die zwischen dem freitragenden Haltearm 2 und dem unteren Substrat 1A auftritt, nach oben und unten.
Mit 5 sind Piezowiderstandselemente bezeichnet, die an den gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 3 in einem Basis-Endabschnitt 2A des freitragenden Haltearmes 2 angeordnet sind, um durch Veränderung des Widerstandes, den Beanspruchungsgrad zu erfassen, dem der freitragende Haltearm 2 unterliegt, wenn die Substratstruktur 1 in Drehung versetzt wird. Die Ausgangssignale der Piezowiderstandselemente 5, die die Winkelgeschwindigkeit in Drehrichtung angeben, werden einer Signalverarbeitungsschaltung zugeführt (nicht gezeigt).
Im Falle des dem Stand der Technik entsprechenden Winkelgeschwindigkeitssensors der vorher beschrieben Konstruktion wird nach dem Zuführen eines vorherbestimmten Frequenzsignals von der Oszillatorschaltung über die Elektrode 4 eine elektrostatische Kraft erzeugt, um den vorderen Endabschnitt 2B des freitragenden Haltearmes 2 in vertikaler Richtung nach oben und unten in Schwingungen bei seiner Eigenresonanzfrequenz zu versetzen. In diesem Schwingungszustand unterliegt der freitragende Haltearm 2, wenn ein Drehmoment T um eine Drehachse O auf die Substratstruktur 1 aufgebracht wird, unter dem Einfluß der Coriolis-Kräfte F und F' einem bestimmten Grad einer Torsionsbeanspruchung (Torsionsspannung). Diese Rotationsbeanspruchung übt auf die gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 3 eine Druckspannung C und eine Zugspannung E aus. Im Ergebnis dessen erzeugen die Piezowiderstandselemente 5 Signale, die der Druckspannung C bzw. der Zugspannung E entsprechen und die Winkelgeschwindigkeit des aufgebrachten Drehmomentes T angeben.
In dieser Hinsicht werden gemäß dem vorher beschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Winkelgeschwindigkeitssensor die Spannungen, die der Winkelgeschwindigkeit des Drehmomentes T entsprechen, beim Schwingen des freitragenden Haltearmes 2 nach oben und unten von dem jeweiligen Piezowiderstandselementen 5 auf der Basis der Coriolis-Kräfte erfaßt. Der freitragende Haltearm 2, der in einer vertikalen Richtung zu der Substratstruktur 1 konstant in Schwingungen versetzt wird, ist jedoch gegenüber den Einflüssen des Reibungswiderstandes der Luft emp findlich und daher gibt es Komplikationen hinsichtlich seines Schwingungserregungsmechanismus. Daher wird bei den vorher beschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Winkelgeschwindigkeitssensorausführungen, die Energie für das Schwingen des freitragenden Haltearmes 2 unwirtschaftlich durch den Reibungswiderstand der Luft aufgebraucht, wodurch nicht nur ein äußerst geringer Energiewirkungsgrad entsteht, sondern auch eine geringe Empfindlichkeit der Piezowiderstandselemente 5 bei der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit durch Begrenzung ihrer Schwingungsamplitude.
Daneben hat der dem Stand der Technik entsprechende Winkelgeschwindigkeitssensor, der dazu ausgestaltet ist, um die Torsionsbeanspruchung des in Schwingungen versetzten freitragenden Haltearmes 2 zu erfassen, einen spezifischen Nachteil, daß er nur eine geringe Empfindlichkeit bei der Erfassung der Winkelgeschwindigkeit erreichen kann. Gemäß dem Stand der Technik, bei dem nur ein einziger freitragender Haltearm 2 sowohl für Schwingungserregungszwecke als auch für Schwingungserfassungszwecke verwendet wird, tritt dort immer das Problem auf, daß, wenn der freitragende Haltearm 2 in Schwingungen versetzt ist, um die Coriolis-Kraft zu nutzen, der freitragende Haltearm 2 an seinem Basisende 2A durch seine eigene Schwingung verdreht wird. Die sich ergebenden Torsionsbeanspruchungen werden von den jeweiligen Piezowiderstandselementen 5 aufgenommen und verstärken den Störpegel in einem solchen Maße, daß die Erfassung von geringfügigen Winkelgeschwindigkeiten schwierig ist, oder sie verschlechtern die Erfassungsempfindlichkeit der Winkelgeschwindigkeit und die Genauigkeit in einem nicht akzeptablen Maße.
Bezüglich der vorher beschriebenen Probleme oder Nachteile beim Stand der Technik ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, einen Winkelgeschwindigkeitssensor zur Verfügung zu stellen, der dazu ausgestaltet ist, um den Einfluß des Reibungswiderstandes von Gasen in Verbindung mit einem Schwingungsbauteil zu unterdrücken und die Erfassungsempfindlichkeit der Winkelgeschwindigkeit durch Verringerung der Störpegel zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die vorher angeführte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt wird (Oberbegriff: JP-A-4-296657 oder GB-A- 225/688).
Bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor, der in der vorher beschriebenen Art und Weise ausgestaltet ist, wird, sobald das erste Schwingungsbauteil durch die Schwingungserzeugungseinrichtung in horizontal seitliche Richtungen bezüglich des Substrats in Schwingungen versetzt wird, das zweite Schwingungsbauteil in horizontal seitliche Richtungen zusammen mit dem ersten Schwingungsbauteil in Schwingungen versetzt. Dann wird, wenn der Sensor als Ganzes in diesem Zustand um die Halteachse des ersten Haltearmes gedreht wird, das zweite Schwingungsbauteil unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft, die auf das zweite Schwingungsbauteil entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des auf den Sensor wirkenden Drehmomentes wirkt, in einer vertikalen Richtung zu dem Substrat verlagert. Diese Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils in der vertikalen Richtung wird durch die Verlagerungserfassungseinrichtung erfaßt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Winkelgeschwindigkeit des Drehmomentes angibt.
In diesem Falle wird die vorher erwähnte Schwingungserzeugungseinrichtung vorzugsweise durch bewegbare, konduktive Abschnitte, die an den gegenüberliegenden seitlichen Seiten des ersten Haltearmes angeordnet sind, und durch stationäre oder befestigte, konduktive Abschnitte gebildet, die an dem Bereich des Substratkörpers in einander zugewandter Beziehung zu den bewegbaren, konduktiven Abschnitten vorgesehen sind, und sie ist dazu ausgestaltet, um das erste Schwingungsbauteil zusammen mit dem zweiten Schwingungsbauteil bei Zuführung eines Frequenzsignals zu den jeweiligen konduktiven Abschnitten in Schwingungen zu versetzen.
Die Verlagerungserfassungseinrichtung ist vorzugsweise durch eine Brückenschaltung gebildet, die ein Paar Piezowiderstandselemente, die an dem zweiten Haltearm an beabstandeten Positionen in dessen Querrichtung angeordnet sind, und ein Paar Piezowiderstandselemente enthält, die an dem ersten Schwingungsbauteil angeordnet sind.
Die Verlagerungserfassungseinrichtung kann auch durch einen konduktiven Abschnitt, der an dem zweiten Schwingungsbauteil vorgesehen ist, und einen weiteren konduktiven Abschnitt gebildet sein, der an dem Rest des Substratkörpers in gegenüberliegenden Beziehung zu dem erst genannten konduktiven Abschnitt vorgesehen ist, und erfaßt eine Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils in der vertikalen Richtung aufgrund einer Veränderung der Kapazität zwischen den beiden konduktiven Abschnitten.
Ferner ist in einer bevorzugten Form des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der vorliegenden Erfindung das erste Schwingungsbauteil durch einen freitragenden Rahmen und das zweite Schwingungsbauteil durch eine freitragende Platte gebildet, die an dem zweiten Haltearm in einer Position innerhalb der Rahmenanordnung des ersten Schwingungsbauteils abstützend gehalten ist.
In einer noch anderen bevorzugten Form des Winkelgeschwindigkeitssensors der Erfindung ist das erste Schwingungsbauteil durch einen Rahmen gebildet, dessen gegenüberliegende Enden durch ein Paar erste Haltearme abstützend gehalten sind, die auf einer gemeinsamen Halteachse ausgerichtet sind, und das zweite Schwingungsbauteil ist durch eine freitragende Platte gebildet, die an dem zweiten Haltearm in einer Position innerhalb der Rahmenanordnung des ersten Schwingungsbauteils abstützend gehalten ist.
Weiterhin ist in einer bevorzugten Form des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Erfindung das Substrat aus einem unteren Substrat und einem oberen Substrat zusammengesetzt, die durch eine Isolationsschicht miteinander verbunden sind, wobei das erste und zweite Schwingungsbauteil in einem Formungsprozeß für das obere Substrat integriert gebildet sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Winkelgeschwindigkeitssensors in einer ersten Ausführung der Erfindung, wobei die äußere Schutzschicht des Winkelgeschwindigkeitssensors aus Darstellungsgründen weggelassen ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie III-III von Fig. 1;
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 1;
Fig. 5 eine Schnittansicht, die einen Schritt zur Erzeugung eines Oxidfilms erläutert;
Fig. 6 eine Schnittansicht, die einen Schritt zur Erzeugung einer Aussparung erläutert;
Fig. 7 eine Schnittansicht, die einen Schritt zur Verbindung des Substrats erläutert;
Fig. 8 eine Schnittansicht, die einen Schritt zur Erzeugung von Elementen auf dem Substrat erläutert;
Fig. 9 eine Schnittansicht, die einen Schritt zur Herstellung der Schwingungsbauteile erläutert;
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der Ansicht von Fig. 2, die jedoch einen Winkelgeschwindigkeitssensor in einer zweiten Ausführung der Erfindung zeigt;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des Winkelgeschwindigkeitssensors gemäß der Erfindung, wobei die äußere Schutzschicht des Sensors aus Darstellungsgründen weggelassen ist;
Fig. 12 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines dem Stand der Technik entsprechenden Winkelgeschwindigkeitssensors.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Die Erfindung wird nun in Form ihrer in Fig. 1 bis 11 dargestellten bevorzugten Ausführungen, von denen jede ein Beispiel einer unabhängigen, einzelnen Winkelgeschwindigkeitssensoreinheit als eine Form der Anwendung der Erfindung darstellt, ausführlicher beschrieben.
Auf Fig. 1 bis 9 bezugnehmend, ist dort eine erste Ausführung der Erfindung dargestellt, die ein unteres Substrat 11, das aus einem Siliziummaterial gebildet ist, ein oberes Substrat 12, das aus einem Siliziummaterial gebildet und an der Oberseite des unteren Substrats 11 durch einen Oxidfilm 13 befestigt ist, enthält. Wie hierin nachfolgend beschrieben wird, sind in dem oberen Substrat 12 mit Hilfe einer Ätztechnologie ein erstes Schwingungsbauteil 14 und ein zweites Schwingungsbauteil 16 integriert gebildet. Das untere Substrat 11 ist in der Mitte mit einer Aussparung 11A gebildet, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das erste Schwingungsbauteil in Form eines rechteckigen Rahmens, der im wesentlichen in der Mitte des oberen Substrates 12 ausgebildet ist, ist mit 14 bezeichnet. Das erste Schwingungsbauteil 14 wird an seinem Basisende freitragend durch einen Haltearm 15 abstützend gehalten und ist flach in Flucht mit der Fläche des oberen Substrats angeordnet. In diesem Falle ist der erste Haltearm 15 an seinem Basisende, das mit dem oberen Substrat 12 verbunden ist, fest eingespannt und an seinem vorderen Ende, das sich zu einem mittleren Abschnitt des oberen Substrats 12 er streckt und integriert mit dem ersten Schwingungsbauteil 14 ausgebildet ist, in freiem Zustand angeordnet. Wenn der erste Haltearm 15 durch die Schwingungserzeugungsabschnitte 18, die hierin später beschrieben werden, in Schwingungen versetzt wird, wird das erste Schwingungsbauteil 14 in der Ebene des oberen Substrats 12 in horizontal seitlicher Richtung X-X, die eine in Längsrichtung verlaufende Halteachse O-O des Haltearms senkrecht schneidet, zum Schwingen gebracht.
Das zweite Schwingungsbauteil in Form einer rechteckigen Platte, die in der Mitte des oberen Substrats 12 und innerhalb der Rahmenanordnung des ersten Schwingungsbauteils 14 angeordnet ist, ist mit 16 bezeichnet. Das zweite Schwingungsbauteil 16 wird an dem ersten Schwingungsbauteil 14 freitragend durch einen zweiten Haltearm 17 horizontal abstützend gehalten, wie es in Fig. 2 dargestellt ist und ist horizontal in Flucht mit der Fläche des oberen Substrats 12 angeordnet, um Schwingungen in der horizontal seitlichen Richtung X-X, senkrecht zu der Halteachse O-O sowie in einer Richtung Z-Z, vertikal zu der Ebene des oberen Substrats 12 auszuführen. Nach dem Aufbringen eines Drehmomentes T um die Halteachse O-O, wird das zweite Schwingungsbauteil 16, das zusammen mit dem ersten Schwingungsbauteil 14 in der horizontalen Richtung X-X in Schwingungen versetzt ist, unter der Wirkung der Coriolis-Kraft auch in der vertikalen Richtung Z-Z von Fig. 2 in Schwingungen versetzt.
Das Basisende des zweiten Haltearms 17 ist mit dem ersten Schwingungsbauteil 14 in gegenüberliegender Beziehung mit dem ersten Haltearm 15 verbunden, während sein vorderes Ende sich in Richtung zu der Mitte des ersten Schwingungsbauteils 14 erstreckt und als ein freies Ende angeordnet ist, dessen Halteachse mit der Halteachse O-O des ersten Haltearmes 15 fluchtend ausgerichtet ist. Ferner dient, wenn das erste Schwingungsbauteil 14 durch einen Schwingungserzeugungsabschnitt 18 in seitlicher Richtung X-X in Schwingungen versetzt ist, der zweite Haltearm dazu, die horizontalen Schwingungen vor der Übertragung zu dem zweiten Schwingungsbauteil 16 zu verstärken. Für diesen Zweck ist er in vorherbestimmten Abmessungen, insbesondere in Länge und Dicke, ausgebildet.
Mit 18 sind Schwingungserzeugungseinrichtungen oder Schwingungserzeugungsabschnitte bezeichnet, welche in dem oberen Substrat 12 an den gegenüberliegenden seitlichen Seiten des ersten Haltearmes 15 vorgesehen sind. Wie insbesondere in Fig. 3 dargestellt ist, enthält jeder der Schwingungserzeugungsabschnitte 18 einen verzahnten oder zahnförmigen, bewegbaren, konduktiven Abschnitt 18A, der an der seitlichen Seite des ersten Haltearmes 15 ausgebildet ist, und einen komplementär dazu ausgebildeten festen, konduktiven Abschnitt 18B, der in dem Bereich des oberen Substrats 12 in einander zugewandter Beziehung zu dem bewegbaren, konduktiven Abschnitt 18A ausgebildet ist, wobei der bewegbare konduktive Abschnitt 18A und der feste konduktive Abschnitt 18B in Engspaltbeziehung miteinander verschachtelt oder miteinander eingreifend sind und mit einer Oszillatorschaltung (nicht dargestellt) verbunden sind, die ein vorbestimmtes Frequenzsignal erzeugt. Sobald das Frequenzsignal den bewegbaren und festen konduktiven Abschnitten 18A und 18B von der Oszillatorschaltung zugeführt wird, wird das erste Schwingungsbauteil 14 durch anziehende und abstoßende elektrostatische Kräfte, die zwischen den gegenüberliegenden konduktiven Abschnitten 18A und 18B auftreten, in der Richtung X-X zusammen mit dem zweiten Schwingungsbauteil 16 in Schwingungen versetzt.
Mit 19 ist eine Verlagerungserfassungseinrichtung oder ein Verlagerungsmeßfühler bezeichnet, die (der) an und über den benachbarten Bereichen des ersten Schwingungsbauteils 14 und des Basisendes des zweiten Haltearmes 17 angeordnet ist. Wie auch in Fig. 4 dargestellt, wird der Verlagerungsmeßfühler 19 gebildet durch: erste Diffusionswiderstände 19A (d. h. Piezowiderstandselemente), die an in Querrichtung beabstandeten Positionen an dem zweiten Haltearm 17 angeordnet sind; und zweite Diffusionswiderstände 19B (d. h. Piezowiderstandselemente), die an dem ersten Schwingungsbauteil 14 in Positionen dicht an dem Basisende des zweiten Haltearmes 17 angeordnet sind. In diesem Falle werden die jeweiligen Diffusionswiderstände 19A und 19B, die als Piezowiderstandselemente dienen, durch diffundierende Beimengungen, wie zum Beispiel Phosphor, Bor, Aluminium, Arsen, Antimon u. ä. in dem oberen Substrat 12 gebildet. Diese Diffusionswiderstände 19A und 19B sind in einer Brückenschaltung durch die Metalldrähte 20 angeordnet und mit einer Signalverarbeitungsschaltung (nicht dargestellt) verbunden, welche, zum Beispiel, an dem oberen Substrat 12 ausgebildet ist.
Der zweite Haltearm 17 unterliegt einem bestimmten Grad einer Beanspruchung (Spannung), wenn das zweite Schwingungsbauteil 16 unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft, die aus der Drehung des Sensors entsteht, in der Richtung Z-Z in Schwingungen versetzt (verlagert) wird. Diese Beanspruchung (Spannung) an dem zweiten Haltearm 17 wird durch den Verlagerungsmeßfühler 19 durch eine Veränderung des Widerstandes erfaßt, um ein Winkelgeschwindigkeitssignal an die Signalverarbeitungsschaltung auszugeben.
Die ersten Diffusionswiderstandspaare 19A, die in in Querrichtung beabstandeten Positionen an dem zweiten Haltearm 17 in der vorher beschriebenen Art und Weise angeordnet sind, sind einer Druckspannung bzw. einer Zugspannung unterworfen, die in inverser Beziehung zueinander stehen. Die Geschwindigkeiten der Widerstandsveränderung infolge der Piezowiderstandseinflüsse der beiden Diffusionswiderstände 19A werden durch Zahlen mit umgekehrten Vorzeichen ausgedrückt. Daraus folgt, daß die Winkelgeschwindigkeit durch Vergleichsberechnung ihrer Widerstandsveränderungsgeschwindigkeiten erfaßt werden kann.
In Fig. 2 ist mit 21 eine Schutzschicht aus einem Nitridfilm o. ä. bezeichnet, die auf der oberen Fläche des oberen Substrats 12 ausgebildet ist.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor der ersten bevorzugten Ausführung mit der vorher beschriebenen Konstruktion kann nach dem Verfahren hergestellt werden, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 bis 9 beschrieben ist.
Zuerst wird in einem Oxidfilm-Ausbildungsschritt, der in Fig. 5 dargestellt ist, ein Oxidfilm auf der oberen Fläche des unteren Substrats 11 gebildet, zum Beispiel durch einen thermalen Oxydationsprozeß oder ähnliches und der sich ergebende Oxidfilm wird weggeätzt, mit Ausnahme einer einem Rechteckrahmen ähnlichen Fläche 13 des Oxidfilms, auf der das obere Substrat abstützend gehalten werden soll.
Als nächstes wird in einem Schritt zur Herstellung einer Aussparung, der in Fig. 6 dargestellt ist, ein Abschnitt der oberen Fläche des unteren Substrats 11, die dem zweiten Schwingungsbauteil entspricht, durch Ätzen entfernt und dadurch eine rechteckige Aussparung 11A auf der Oberseite des unteren Substrats 11 gebildet.
Dann wird in einem Verbindungsschritt, der in Fig. 7 dargestellt ist, ein oberes Substrat 12, das von einer getrennten Fertigungslinie zugeliefert wird, an der Oberseite des unteren Substrats 11 durch den Oxidfilm 13 montiert und das obere und das untere Substrat werden durch eine direkte Silizium-Koaleszenz- Technologie, gefolgt von einem Polierarbeitsgang, um das obere Substrat auf eine vorbestimmte Dicke zu verringern, verbunden.
Weiterhin werden in einem Element-Ausbildungs-Schritt, der in Fig. 8 dargestellt ist, die Elemente wie zum Beispiel die Schwingungserzeugungsabschnitte 18, der Verlagerungsmeßfühler 19 (in der angeführten Figur ist nur ein Diffusionswiderstand 19A dargestellt), und die Metallverdrahtung 20 auf der oberen Fläche des oberen Substrats 12 durch Beimengungs-Einführungs-Technologien oder durch Photolithographie ausgebildet und darauf wird eine Schutzschicht 21 in einer solchen Art und Weise auf dem oberen Substrat 12 gebildet, daß diese Elemente überdeckt werden.
Abschließend wird in einem Schritt der Schwingungsbauteil-Herstellung, der in Fig. 9 dargestellt ist, das obere Substrat 12 in einem vorbestimmten Muster geätzt, um die jeweiligen Schwin gungsbauteile 14 und 16 und die Haltearme 15 und 17 auf dem oberen Substrat 12 auszubilden. Zu dieser Zeit werden die jeweiligen konduktiven Abschnitte 18A und 18B der Schwingungserzeugungsabschnitte 18 in den komplementär verzahnten Formen gebildet.
In dem Winkelgeschwindigkeitssensor dieser Ausführung, der in der vorher beschriebenen Art und Weise hergestellt ist, wird bei Zuführung eines Frequenzsignals zu den jeweiligen Schwingungserzeugungsabschnitten 18 von der Oszillatorschaltung unter dem Einfluß der elektrostatischen Kräfte, die zwischen den konduktiven Abschnitten 18A und 18B jedes Schwingungserzeugungsabschnittes 18 der erste Haltearm 15 in horizontaler Richtung X-X seitlich zu dem oberen Substrat und senkrecht zu der Halteachse des ersten Haltearms 15 in Schwingungen versetzt.
Im Ergebnis dessen wird das erste Schwingungsbauteil 14 in Richtung X-X in Schwingungen versetzt, begleitet von den Schwingungen des zweiten Schwingungsbauteils 16 in Richtung X-X. Zu dieser Zeit wird die Amplitude seiner Schwingungen größer als die des ersten Schwingungsbauteils 14, wie es hierin vorher bereits erwähnt wurde, da das zweite Schwingungsbauteil 16 mit dem ersten Schwingungsbauteil 14 über den zweiten Haltearm 17 verbunden ist.
In diesem Zustand, d. h. bei in Schwingungen in Richtung X-X gehaltenen jeweiligen Schwingungsbauteilen 14 und 16, wird, wenn ein Drehmoment T aufgebracht wird, um den Sensor als Ganzes um die Halteachse O-O zu drehen, das zweite Schwingungsbauteil 16, das durch den zweiten Haltearm 17 abstützend gehalten wird, unter Einfluß der Coriolis-Kraft, die der Winkelgeschwindigkeit des auf den Sensor wirkenden Drehmomentes proportional ist, auch in vertikaler Richtung Z-Z in Fig. 2 in Schwingungen versetzt.
Als eine Folge davon unterliegt der zweite Haltearm 17 einer Beanspruchung in einem Grade, welcher der Größe der Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils 16 entspricht, wobei die Druck spannung und die Zugspannung, die durch die Beanspruchung auferlegt werden, durch die Piezowiderstandseffekte der Diffusionswiderstände 19A und 19B erfaßt werden, die Winkelgeschwindigkeitssignale zu der Signalverarbeitungsschaltung ausgeben.
Somit verwendet der Winkelgeschwindigkeitssensor gemäß der vorliegenden Erfindung das einem rechteckigen Rahmen ähnliche erste Schwingungsbauteil 14, das an dem ersten Haltearm 15 abstützend gehalten wird, um Schwingungen in der horizontalen Richtung X-X seitlich zu dem oberen Substrat 12 und senkrecht zu der Halteachse O-O des ersten Haltearmes auszuführen, und das zweite Schwingungsbauteil 16, das horizontal an dem zweiten Haltearm 17 in einer Position auf der Halteachse O-O des ersten Haltearmes 15 innerhalb des ersten Schwingungsbauteils 14 abstützend gehalten ist, um Schwingungen in der Richtung X-X und auch in der Richtung Z-Z senkrecht zu der Fläche des oberen Substrats 12 auszuführen, in Kombination mit den Schwingungserzeugungsabschnitten 18, um das erste Schwingungsbauteil 14 und das zweite Schwingungsbauteil 16 in der Richtung X-X in Schwingungen zu versetzen, wobei durch den Verlagerungsmeßfühler 19 die Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils 16, die sich aus den Schwingungen in der vertikalen Richtung Z-Z unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft ergibt, erfaßt wird. Somit wird es möglich, die Winkelgeschwindigkeit des Drehmomentes T, das um die Halteachse O-O der Haltearme 15 und 17 aufgebracht ist, mit den nachfolgend angeführten vorteilhaften Effekten korrekt zu erfassen.
Erstens werden die beiden Schwingungsbauteile 14 und 16 in der horizontalen, seitlichen Richtung durch die Schwingungsabschnitte 18 in Schwingungen versetzt, so daß der Einfluß des Reibungswiderstandes der Umgebungsluft auf die jeweiligen Schwingungsbauteile 14 und 16 in einem deutlichen Maße verringert werden kann, wodurch es möglich wird, daß die jeweiligen Schwingungsbauteile 14 und 16 in einer größeren Amplitude schwingen können, um die Erfassungsempfindlichkeit zu erhöhen.
Zweitens kann durch die Struktur des ersten Haltearmes 15, der in Kombination mit dem als Erfassungsarm dienenden zweiten Haltearm 17 als Erregungsarm dient, der Verlagerungsmeßfühler 19 wirksam daran gehindert werden, Schwingungen des ersten Haltearmes 15 aufzunehmen, die das Hintergrundrauschen verstärken würden, wodurch sich die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Erfassung beträchtlich erhöhen und wodurch es gestattet wird, selbst geringfügige Winkelgeschwindigkeiten korrekt zu erfassen.
Drittens sind die Aussparung 11A oder die Schwingungsbauteile 14 und 16 integriert mit dem unteren Substrat 11 oder dem oberen Substrat 12 des Siliziummaterials durch mikroelektronische Halbleiterbearbeitungstechnologien, wie zum Beispiel Ätzen, ausgebildet, so daß es möglich wird, eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoreinheiten auf Silizium-Halbleiterscheiben desselben Materials herzustellen. Das hat den großen Vorteil, daß Winkelgeschwindigkeitssensoren mit gleichen Kennwerten effektiv in Massenfertigung und bei bedeutend verringerten Kosten hergestellt werden können.
Viertens können zum Beispiel für den Zweck des schnellen Reagierens auf Marktanforderungen die Haltearme 15 und 17 leicht so ausgestaltet werden, daß sie einen Elastizitätsmodul aufweisen, der den geforderten Erfassungsbedingungen, wie zum Beispiel dem Erfassungsbereich und der Erfassungsgenauigkeit, entspricht. Das kann leicht durch eine geeignete Gestaltung ihrer Formen oder Abmessungen, insbesondere der Längen, Breiten oder Dicken der jeweiligen Haltearme, erreicht werden.
Nun auf Fig. 10 bezugnehmend, ist dort eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der folgenden Beschreibung sind die Komponenten, die mit der vorhergehend beschriebenen ersten Ausführung übereinstimmen, mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet und ihre Erläuterungen werden weggelassen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Kurz gesagt ist diese zweite Ausführung dadurch gekennzeichnet, daß ein Verlagerungsmeßfühler 31 vom Kapazitätstyp anstelle des Verlagerungsmeßfühlers 19 vom Piezowiderstandstyp mit den Diffusionswiderständen 19A und 19B verwendet wird.
Der Verlagerungsmeßfühler, der mit 31 gekennzeichnet ist, wird durch einen oberen konduktiven Abschnitt 32, der an dem zweiten Schwingungsbauteil 16 vorgesehen ist, und einen unteren konduktiven Abschnitt 33, der innerhalb der Aussparung 11A an dem unteren Substrat 11 in gegenüberliegender Beziehung zu dem oberen konduktiven Abschnitt 32 vorgesehen ist, gebildet. In diesem Falle ist der obere konduktive Abschnitt 32 durch das Diffundieren von Beimischungen, wie zum Beispiel Phosphor, Arsen, Bor oder ähnlichem oder durch Ionenimplantation in das obere Substrat 12 des Siliziummaterials in den Bereichen, die in dem zweiten Schwingungsbauteil 16 geformt sind, gebildet, wodurch ein Abschnitt mit einem geringen Widerstand von 0,01 bis 0,02 Ωcm gebildet wird, um als Elektrode zu dienen. Andererseits wird der untere konduktive Abschnitt 33 durch eine Elektrode in Form eines Streifens aus einem metallischen Material gebildet, der an der Aussparung 11A an dem unteren Substrat 11 befestigt ist.
In der zweiten Ausführung, die in der vorher beschriebenen Konstruktion ausgeführt ist, wird, wenn das zweite Schwingungsbauteil 16 unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft in vertikaler Richtung Z-Z in Schwingungen versetzt (verlagert) wird, die Kapazität zwischen dem oberen konduktiven Abschnitt 32 und dem unteren konduktiven Abschnitt 33, nämlich zwischen den zugehörigen Elektroden, entsprechend verändert. Der erfaßte Wert der Kapazität wird der Signalverarbeitungsschaltung als ein Winkelgeschwindigkeitssignal zugeführt. Auf diese Weise kann der Verlagerungsmeßfühler 31 mit Hilfe des Kapazitätswertes die Winkelgeschwindigkeit des Drehmomentes korrekt erfassen, das auf die jeweiligen Haltearme 15 und 17 ausgeübt wird. In der vorher beschriebenen zweiten Ausführung wird der obere konduktive Abschnitt 32, der als eine Elektrode dient, durch Ausbilden eines Abschnittes mit geringem Widerstand im Bereich des oberen Substrats 12 zur Verfügung gestellt. Der konduktive Abschnitt kann jedoch jede Form aufweisen, solange die Kapazität zwischen den Elektroden erfaßbar ist. Er kann zum Beispiel ein Streifen aus metallischem Material sein, der an der unteren Seite des oberen Substrats 12 befestigt ist.
Ferner ist bei jeder der vorhergehenden Ausführungen die Schwingungserzeugungseinrichtung durch die Schwingungserzeugungsabschnitte 18 gebildet, die jeweils die bewegbaren und die festen konduktiven Abschnitte 18A und 18B aufweisen und zueinander in Engspaltbeziehung angeordnet sind, um die jeweiligen Schwingungsbauteile 14 und 16 durch die elektrostatischen Kräfte, die zwischen den beiden konduktiven Abschnitten 18A und 18B auftreten, in Schwingungen zu versetzen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt und kann andere Schwingungserzeugungseinrichtungen verwenden, zum Beispiel einen konduktiven Abschnitt, der auf einem Bereich des ersten Haltearmes 15 ausgebildet ist, um als Heizeinrichtung zu dienen und der intermittierend mit Strom versorgt wird, um Wärme zu erzeugen, wodurch die jeweiligen Schwingungsbauteile 14 und 16 durch Wärmeausdehnungen in Schwingungen versetzt werden.
Ferner kann anstelle des abstützenden Haltens des ersten Schwingungsbauteils 14 an einem und einzelnen ersten Haltearm 15 in freitragender Form, wie bei den vorhergehenden Ausführungen, ein Schwingungsbauteil von dual abstützend haltenden Typ verwendet werden, wie in der Modifikation von Fig. 11, in der das erste Schwingungsbauteil 14 an beiden Enden durch ein Paar von Haltearmen 15 und 15', angeordnet an der Halteachse O-O, abstützend gehalten ist.
Darüber hinaus können die Diffusionswiderstände 19A und 19B, die als Piezowiderstandselemente für den Verlagerungsmeßfühler 19 in den vorhergehenden Ausführungen verwendet wurden, durch Feldeffekttransistoren mit Piezowiderstandseffekten ersetzt werden.
Andererseits ist es möglich, obwohl der Winkelgeschwindigkeitssensor in den vorhergehenden Ausführungen als eine unabhängige Einheit beschrieben wurde, die vorliegende Erfindung zu verwenden, um eine Mehrzahl von Winkelgeschwindigkeitssensoren auf einem Bereich eines Substrats auszubilden, das an einem Motorfahrzeug oder ähnlichem montiert werden soll.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie aus der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung deutlich wird, ist der Winkelgeschwindigkeitssensor der vorliegenden Erfindung dazu ausgestaltet, das erste und das zweite Schwingungsbauteil durch die Schwingungserzeugungseinrichtungen in horizontaler Richtung, seitlich zu dem Substrat in Schwingungen zu versetzen und, wenn ein Drehmoment um die Halteachse des ersten Haltearms aufgebracht ist, mit Hilfe des Verlagerungsmeßfühlers das Ausmaß der Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils, das unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft auch in senkrechter Richtung zu dem Substrat in Schwingungen versetzt ist, zu erfassen. Diese Ausgestaltungen tragen dazu bei, die Erfassungsempfindlichkeit der Winkelgeschwindigkeiten durch Verringerung des Einflusses des Reibungswiderstandes von Gasen im Zusammenhang mit den jeweiligen Schwingungsbauteilen in bedeutendem Maße zu erhöhen. Daneben werden der erste und der zweite Haltearm als Erregungsarm bzw. als Erfassungsarm verwendet, so daß die Verlagerungserfassungseinrichtung von den Verlagerungen des ersten Haltearms getrennt werden kann, um Hintergrundrauschen effektiv zu unterdrücken und dadurch die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Erfassung in einem solchen Maße zu erhöhen, daß korrekte Messungen von geringfügigen Winkelgeschwindigkeiten ermöglicht werden.

Claims

1. Winkelgeschwindigkeitssensor, mit:

einem Substrat (11, 12);

einem ersten Schwingungsbauteil (14), das an dem Substrat (11, 12) durch einen ersten Haltearm (15, 15') für Schwingungen in horizontal seitlichen Richtungen relativ zu dem Substrat (11, 12) abstützend gehalten ist;

einem zweiten Schwingungsbauteil (16), das für Schwingungen in horizontal seitlichen Richtungen und außerdem in vertikalen Richtungen relativ zu der Fläche des Substrats (11, 12) abstützend gehalten ist;

einer Schwingungserzeugungseinrichtung (18), die betätigbar ist, um Schwingungen auf das erste Schwingungsbauteil (14) und das zweite Schwingungsbauteil (16) in den horizontal seitlichen Richtungen relativ zu dem Substrat (11, 12) aufzubringen; und

einer Verlagerungserfassungseinrichtung (19, 31), die dazu ausgestaltet ist, um das Ausmaß der Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils (16) in der vertikalen Richtung zu erfassen, während es durch die Schwingungserzeugungseinrichtung (18) in Schwingungen versetzt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Schwingungsbauteil (16) an dem ersten Schwingungsbauteil (14) durch einen zweiten Haltearm (17) horizontal abstützend gehalten ist, dessen Halteachse sich mit der Halteachse (O-O) des ersten Haltearms (15, 15') in Ausrichtung befindet, und

das erste Schwingungsbauteil (14) durch einen freitragenden Rahmen gebildet ist, der an dem ersten Haltearm (15) abstützend gehalten ist, und das zweite Schwingungsbauteil (16) durch eine freitragende Platte gebildet ist, die an dem zweiten Haltearm (17) in einer Position in der Rahmenanordnung des ersten Schwingungsbauteils (14) abstützend gehalten ist.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Schwingungserzeugungseinrichtung (18) durch bewegbare, konduktive Abschnitte (18A), die an gegenüberliegenden seitlichen Seiten des ersten Haltearms (15) angeordnet sind, und durch stationäre, konduktive Abschnitte (18B) gebildet ist, die an dem Bereich des Substrats (12) in einander zugewandter Beziehung zu den bewegbaren, konduktiven Abschnitten (18A) vorgesehen sind, und dazu ausgestaltet ist, um das erste Schwingungsbauteil (14) zusammen mit dem zweiten Schwingungsbauteil (16) bei Zuführung eines Frequenzsignals zu den jeweiligen konduktiven Abschnitten (18A, 18B) in Schwingungen zu versetzen.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Verlagerungserfassungseinrichtung (19) durch eine Brückenschaltung gebildet ist, die ein Paar Piezowiderstandselemente (19A, 19A), die an dem zweiten Haltearm (17) in dessen Querrichtung an beabstandeten Positionen angeordnet sind, und ein Paar Piezowiderstandselemente (19B, 19B) enthält, die an dem ersten Schwingungsbauteil (14) angeordnet sind.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem die Verlagerungserfassungseinrichtung (31) durch einen konduktiven Abschnitt (32), der an dem zweiten Schwingungsbauteil (16) vorgesehen ist, und einen weiteren konduktiven Abschnitt (33) gebildet ist, der an dem Substrat (11) in gegenüberliegender Beziehung zu dem erstgenannten konduktiven Abschnitt (32) angeordnet ist, und dazu ausgestaltet ist, um eine Verlagerung des zweiten Schwingungsbauteils (16) in der vertikalen Richtung aufgrund einer Veränderung der Kapazität zwischen den beiden konduktiven Abschnitten (32, 33) zu erfassen.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem das erste Schwingungsbauteil (14) durch einen Rahmen gebildet ist, dessen gegenüberliegende Enden durch ein Paar erste Haltearme (15, 15') abstützend gehalten sind, die auf einer gemeinsamen Halteachse (0-0) ausgerichtet sind, und das zweite Schwingungsbauteil (16) durch eine freitragende Platte gebildet ist, die an dem zweiten Haltearm (17) in einer Position innerhalb der Rahmenanordnung des ersten Schwingungsbauteils (14) abstützend gehalten ist.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (11, 12) aus einem unteren Substrat (11) und einem oberen Substrat (12) zusammengesetzt ist, die durch eine Isolationsschicht (13) miteinander verbunden sind, wobei das erste und das zweite Schwingungsbauteil (14, 16) in einem Formungsprozeß für das oberen Substrat (12) in dem oberen Substrat (12) integriert gebildet sind.