DE69522165T2

DE69522165T2 - Mikrokreisel

Info

Publication number: DE69522165T2
Application number: DE69522165T
Authority: DE
Inventors: Henri Fima; Sylvie Pedraza Ramos
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: FI955157A; FR2726361A1; FI955157A0; EP0709653A1; US5610334A; FR2726361B1; DE69522165D1; EP0709653B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der ausgehend von einem in einer ersten Richtung schwingfähigen Gebilde ausgebildeten Mikrokreiselgeräte.
Das Dokument US-A-5 349 555 beschreibt ein Mikrokreiselgerät, das in einer einzigen Richtung mit Zähnen und entsprechenden Nuten versehen ist.
Das Grundprinzip eines Mikrokreiselgeräts besteht darin, daß, wenn man ein in einer ersten Richtung schwingendes Gebilde einer Rotation um eine zu der Schwingungsrichtung senkrechte Achse unterwirft, dieses Schwingungsgebilde unter der Wirkung der Coriolis-Beschleunigung zur Ausbildung einer Schwingung in einer zweiten, zur ersten Schwingungsrichtung und zur Richtung der Rotationsachse senkrechten Richtung tendiert. Diese induzierte Schwingung hat eine zur Drehgeschwindigkeit um die Rotationsachse proportionale Amplitude.
Es ist klar, daß die induzierte Schwingung, um angemessen nachweisbar zu sein, eine ausreichende Amplitude besitzen muß, d.h. daß die in Schwingung befindliche bewegliche Masse so aufgehängt sein muß, daß sie in ihrer Ebene in der ersten Richtung ausreichend schwingen kann und in der hierzu senkrechten Richtung, in welcher sich die induzierte Schwingung ausbilden kann. Um das Auftreten induzierter Schwingungen auch in Abwesenheit einer Drehung zu vermeiden, ist es ferner erwünscht, daß die Eigenresonanzfrequenz in der ersten Richtung, in welcher die erste Schwingung angeregt wird, von der Eigenschwingungsfrequenz in der hierzu senkrechten Richtung verschieden ist, wenngleich diese beiden Frequenzen auch wieder hinreichend nahe beieinander liegen müssen, damit man eine induzierte Schwingung mit der ersten Frequenz in der zweiten Richtung bei Auftreten einer Rotation erhält.
Für die Funktions- und Betriebsweise des Kreiselgeräts ist es erforderlich, der schwingenden Masse verschiedene Antriebe bzw. Stellglieder und Meßfühler zuzuordnen, vorzugsweise in Form von Kondensatoren, deren eine Elektrode auf der schwingenden Masse und deren andere Elektrode auf einer gegenüberstehenden festen Oberfläche ausgebildet ist. Bezeichnet man mit x die erste Richtung, in welcher eine Schwingung hervorgerufen wird, und mit y die zweite Richtung, in welcher man eine induzierte Schwingung nachzuweisen wünscht, kann man folgende Anordnung vorsehen:
- eine erste Gruppe bzw. ein erstes Aggregat von Kondensatoren, deren Elektroden bzw. Beläge rechtwinklig zur x-Richtung ausgerichtet sind und die dazu bestimmt sind, die Schwingmasse mit ihrer Eigenfrequenz in Schwingung zu versetzen (es könnte auch eine piezo-elektrische Erregung Anwendung finden),
- eine zweite Gruppe bzw. ein zweites Aggregat von Kondensatoren, deren Elektroden bzw. Beläge rechtwinklig zur x-Richtung ausgerichtet sind und die zur Detektion bzw. zum Nachweis sowie zur Servosteuerung der Schwingung entlang der x-Achse bestimmt sind,
- eine dritte Gruppe bzw. ein drittes Aggregat von Kondensatoren, deren Beläge bzw. Elektroden rechtwinklig zur y-Richtung ausgerichtet sind und die zum Nachweis der induzierten Schwingung dienen,
- eine vierte Gruppe bzw. ein viertes Aggregat von Kondensatoren, deren Beläge bzw. Elektroden rechtwinklig zur y-Richtung ausgerichtet sind und die zur Servosteuerung und zur Kompensation eines Achsenversetzungseffekts dienen, sowie
- eine fünfte Gruppe bzw. ein fünftes Aggregat von Kondensatoren, deren Beläge bzw. Elektroden rechtwinklig zur y-Richtung ausgerichtet sind, mit der Bestimmung, eine Rückkopplung zur Vergrößerung der Durchlaßbandbreite und eine Verstärkungsstabilisierung zu gewährleisten.
Man erkennt, daß wenigstens bestimmte von diesen Kondensatorgruppen bzw. -aggregaten eine ausreichende Oberfläche besitzen müssen, um entweder eine ausreichende wirksame elektrostatische Anregung zu gewährleisten, oder eine ausreichende Detektionsempfindlichkeit zu gewährleisten.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Mikrokreisels, dessen Struktur so gewählt ist, daß er in verhältnismäßig einfacher Weise die Realisierung einer gewünschten Versetzung der Resonanzfrequenzen zwischen den Schwingungen in der x- und y-Richtung gestattet.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Mikrokreiselgeräts, das in einfacher Weise die Ausbildung der mehreren Elektrodenaggregate, wie beispielsweise die oben beschriebenen, gestattet.
Zur Erreichung dieser Ziele ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ein Mikrokreiselgerät zum Nachweis einer Drehung um eine erste Richtung, das Gerät umfassend ein zu der ersten Richtung rechtwinkliges Plättchen, das bezüglich einem festen Rahmen aufgehängt und mit seiner Resonanzfrequenz in einer zur ersten Richtung rechtwinkligen zweiten Richtung angeregt ist, wobei eine Drehung um die erste Richtung eine Schwingung des Plättchens in einer zu den beiden ersten Richtungen rechtwinkligen dritten Richtung hervorruft, und bei welchem vorgesehen ist, daß das genannte Plättchen Zähne aufweist, welche sich in der zweiten und dritten Richtung erstrecken und berührungsfrei in mit dem Rahmen fest verbundene Nuten eingreifen, und daß jeder der Zähne jeweils seitliche Metallisierungen aufweist, welche mit gegenüberliegenden Metallisierungen der Nuten Kondensatoren bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die den sich in der dritten Richtung erstreckenden Zähnen zugeordneten Kondensatoren erste Kondensatoren zur Schwingungsanregung in der zweiten Richtung und zweite Kondensatoren zum Nachweis und zur Regelung der Bewegung in der zweiten Richtung bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die den sich in der zweiten Richtung erstreckenden Zähnen zugeordneten Kondensatoren dritte Kondensatoren zum Schwingungsnachweis in der dritten Richtung sowie vierte Kondensatoren zur Korrektur bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß das schwingende Plättchen mit dem Rahmen mittels Aufhängungen verbunden ist, welche schmale Teile dieses Plättchens bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die genannten Zähne und Nuten in einem mittleren Teil des Schwingungsplättchens und in einem mit dem Rahmen fest verbundenen Mittelsockel ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Zähne am Umfang des Plättchens ausgebildet sind und mit am Innenumfang des festen Rahmens ausgebildeten Nuten zusammenwirken.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung spezieller, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren; in diesen zeigen:
Fig. 1 beispielshalber eine Draufsicht auf eine vereinfachte Ausführungsform eines Mikrokreiselgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 beispielshalber eine Schnittansicht einer Ausführungsform des in Fig. 1 in Draufsicht veranschaulichten Gebildes, sowie
Figg. 3 und 4 zwei Ausführungsvarianten der Schwingmasse eines Mikrokreisels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die Schwingmasse eines Mikrokreiselgeräts in Form eines aus einer dünnen Platte aus einem Material wie beispielsweise Quarz oder Silizium ausgeschnittenen bzw. ausgestanzten Plättchens auszubilden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wird das Schwingplättchen 1 durch zueinander rechtwinklige Aufhängungen gehaltert, von welchen zwei, nämlich 3 und 4, sich in der x-Richtung erstrecken und zwei, nämlich 5 und 6, sich in der y-Richtung erstrecken. Diese Aufhängungen verbinden die Schwingmasse 1 mit einem festen Rahmen 8. Die Aufhängungen sind so bemessen, daß sie eine hohe Biegsamkeit aufweisen und im Zug/Druck-Mode schwingfähig sind. Somit werden bei Beaufschlagung der Schwingmasse in der x-Richtung die Aufhängungen 3 und 4 im Zug/Druck-Mode angeregt, und die Aufhängungen 5 und 6 behindern diese Bewegung nicht. Umgekehrt werden für Schwingungen in der y-Richtung die Aufhängungen 5 und 6 nach Zug/Druck beaufschlagt.
Der Mittelbereich der Schwingmasse 1 ist mit sich in x-Richtung erstreckenden Nuten und Zähnen 9 sowie mit sich in y-Richtung erstreckenden Nuten und Zähnen 10 versehen. Diese Nuten wirken mit entsprechenden Nuten bzw. Zähnen 11, 12 zusammen, die an einem seinerseits mit dem festen Rahmen 8 fest verbundenen Sockel 13 fest vorgesehen sind. Die einander gegenüberstehenden Seitenflächen der Nuten und Zähne sind mit Metallisierungen versehen, welche einander gegenüberstehende Kondensatorenplatten bzw. -beläge bilden. Mit Cx werden die Kondensatoren bezeichnet, deren Beläge bzw. Elektroden rechtwinklig zur x-Achse sind, entsprechend mit Cy die Kondensatoren, deren Beläge bzw. Elektroden rechtwinklig zur y-Achse gerichtet sind. Somit gestatten die Cx-Kondensatoren die Erzeugung bzw. den Nachweis einer Bewegung um die x-Achse, und entsprechend die Cy-Kondensatoren den Nachweis bzw. die Erzeugung einer Bewegung oder einer Gegen- bzw. Rückkopplung um die y-Achse.
In der Praxis kann man eine sehr große Zahl von Zähnen und Nuten vorsehen, deren Abmessungen so klein wie möglich sind. Unter Anwendung von Ätzverfahren der Art, wie sie auf dem Gebiet der Halbleiter verwendet werden, kann man, ausgehend von einem Material wie beispielsweise Quarz, Zähne ausbilden, die beispielsweise eine Länge in der Größenordnung von 0,5 mm, eine Breite in der Größenordnung von 5 um, sowie eine Höhe entsprechend der Dicke des Plättchens, aus welchem das Gebilde hergestellt ist, beispielsweise eine Dicke von 0,3 bis 0,5 mm, besitzen. Der Abstand zwischen den gegenüberstehenden Seiten der Zähne kann in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegen, beispielsweise 3 bis 30 um. Unter der Annahme einer Länge der Zähne von 0,5 mm und einer Dicke von 0,3 mm ergibt sich so für jede Elektrodenfläche eine Abmessung in der Größenordnung von 0,15 mm². Hundert Zähne ergeben somit eine Oberfläche in der Größenordnung von 15 mm².
Man kann eine große Anzahl von Zähnen für die Kondensatoren Cx zur Anregung der beweglichen Masse in der x-Richtung vorsehen, eine geringere Anzahl von Zähnen für die Kondensatoren Cx zum Nachweis und zur Servosteuerung in der x- Richtung, eine große Anzahl von Zähnen für die Kondensatoren Cy zum Nachweis der induzierten Schwingung und eine geringere Anzahl von Zähnen für die Kondensatoren Cy, welche die verschiedenen weiter oben angesprochenen anderen Funktionen gewährleisten.
Eine derartige Struktur ist mit den bekannten Mikrogravur- bzw. Ätzverfahren leicht herstellbar. Diese Struktur genügt sämtlichen mit der vorliegenden Erfindung verfolgten Zielen, da die dünnen Aufhängungen 3, 4, 5, 6 beispielsweise Breiten in der Größenordnung von 10 um besitzen können und da man die Resonanzfrequenzen geringfügig gegeneinander versetzen kann, indem man die eine oder die andere Aufhängung eines Aufhängungspaars mit einer Dünnschichtablagerung, beispielsweise einer Metallisierung, beladen kann, sowie eine Trimmeinstellung durch Laser-Aufdampfung bewirken kann..
Fig. 2 veranschaulicht in stark schematischer Form eine spezielle Ausführungsform eines Strukturgebildes nach Art des Gebildes in Fig. 1. Diese Ausführungsform beinhaltet die Anwendung von zwei dünnen Platten 21 und 22 von beispielsweise einer Dicke von 0,3 bis 0,5 mm. In der oberen Platte 22 sind die sämtlichen in der Draufsicht in Fig. 1 sichtbaren Elemente ausgebildet, und diese Elemente sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Da die miteinander komplementären Nuten und Zähne ausgehend von ein und derselben Platte geätzt sind, kann man die oben erwähnten erhöhten Genauigkeiten erzielen, wobei die festen und die beweglichen Teile bis zu einer Verfahrensstufe unmittelbar nach dem Verfahrensschritt des Zusammenbaus mit der unteren Platte 21 verbunden bleiben. Diese untere Platte 21 dient als Träger für den Rahmen 8 und den Mittelsockel 13 des in Fig. 1 veranschaulichten Gebildes.
Dem Fachmann steht die Anwendung zahlreicher bekannter Verfahren zur Verfügung, um zu der gezeigten Struktur zu gelangen. Man erkennt, daß man statt eines Aggregats oder Verbunds von zwei Platten auch die Anwendung verlorener oder Opferschichten vorsehen kann, um das Vorliegen von Ausnehmungen unter der beweglichen Masse 1 zu gewährleisten. Beispielsweise kann man zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gebildes eine mono- oder polykristalline Siliziumschicht vorsehen, die auf einem Siliziumsubstrat unter Zwischenanordnung einer Isolierschicht gebildet wird, beispielsweise einer Oxidschicht, die örtlich unterhalb den Stellen, wo die bewegliche Masse und die Aufhängungen ausgebildet werden, örtlich geätzt wird.
In der vorhergehenden Beschreibung ist angenommen, daß die Schwingmasse 1 einen zentralen Sockel 13 umgibt, was gewisse Schwierigkeiten bei der Realisierung mit sich bringt.
Man kann auch, wie in den Figg. 3 und 4 wiedergegeben, Ausführungsformen vorsehen, in welchen die schwingfähige Masse vollständig innerhalb eines Rahmens angeordnet ist und Zähne aufweist, welche mit im Umfang des Rahmens ausgebildeten Nuten zusammenwirken.
In Fig. 3 ist die bewegliche Masse durch die Bezugsziffer 30 bezeichnet, und die schraffierten Teile bezeichnen Ausnehmungen zwischen der beweglichen Masse und einem diese umgebenden festen Rahmen. Die bewegliche Masse ist mit dem Rahmen durch entlang der x-Achse ausgerichtete Aufhängungen 31, 32 und durch mit der y-Achse ausgerichtete Aufhängungen 33, 34 verbunden.
Die Ausführungsform von Fig. 4 ist ähnlicher Art wie die nach Fig. 3. In diesem Fall ist die bewegliche Masse mit dem Rahmen durch nicht kolineare Aufhängungen 41, 42 und 43, 44 verbunden.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die veranschaulichten verschiedenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können. Insbesondere können gegeneinander versetzte Aufhängungen auch im Falle der Ausführungsform nach Fig. 1 Anwendung finden.
Als Beispiel der Abmessungen kann man eine rechteckige bzw. quadratische Masse von 4 mm Seitenlänge, eine Breite der Aufhängungen in der Größenordnung von 10 um und eine Länge der Aufhängung in der Größenordnung von 5 mm vorsehen, was für ein Gebilde aus Quarz eine Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 20 kHz ergibt. Man erkennt auch, daß das dargestellte Gebilde die Erzielung einer niedrigen Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 1500 Hz entlang der Richtung z gestattet, für eine Substratdicke von 0,25 mm. Des weiteren ist in dieser Richtung eine Dämpfung möglich, indem man die bewegliche Masse in eine Umhüllung einschließt, d.h. durch symmetrische Anordnung der in Fig. 2 gezeigten Tragplatte 21 und Luftfüllung des Ganzen, zur Erzielung einer Dämpfung, die in der z-Richtung, wo die Oberfläche größer ist, wesentlich wirksamer als in der x- und y-Richtung ist.

Claims

1. Mikrokreiselgerät zum Nachweis einer Drehung um eine erste Richtung (z), das Gerät umfassend ein zu der ersten Richtung rechtwinkeliges Plättchen (1), das bezüglich einem festen Rahmen (8) aufgehängt und mit seiner Resonanzfrequenz in einer zur ersten Richtung rechtwinkligen zweiten Richtung (x) angeregt ist, wobei eine Drehung um die erste Richtung eine Schwingung des Plättchens in einer zu den beiden ersten Richtungen rechtwinkligen dritten Richtung (y) hervorruft,

dadurch gekennzeichnet,

daß das genannte Plättchen Zähne (9, 10) aufweist,

welche sich in der zweiten und dritten Richtung erstrecken und berührungsfrei in mit dem Rahmen fest verbundene Nuten (11, 12) eingreifen, und

daß jeder der Zähne jeweils seitliche Metallisierungen aufweist, welche mit gegenüberliegenden Metallisierungen der Nuten Kondensatoren (Cx, Cy) bilden.

2. Mikrokreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den sich in der dritten Richtung (y) erstreckenden Zähnen zugeordneten Kondensatoren (Cx) erste Kondensatoren zur Schwingungsanregung in der zweiten Richtung (x) und zweite Kondensatoren zum Nachweis und zur Regelung der Bewegung in der zweiten Richtung bilden.

3. Mikrokreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den sich in der zweiten Richtung (x) erstreckenden Zähnen zugeordneten Kondensatoren dritte Kondensatoren zum Schwingungsnachweis in der dritten Richtung (y) sowie vierte Kondensatoren zur Korrektur bilden.

4. Mikrokreisel nach einem der Ansprüche 1 bis drei, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende Plättchen mit dem Rahmen mittels Aufhängungen (3 bis 6) verbunden ist, welche schmale Teile dieses Plättchens bilden.

5. Mikrokreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zähne und Nuten in einem mittleren Teil des Schwingungsplättchens und in einem mit dem Rahmen (8) fest verbundenen Mittelsockel (13) ausgebildet sind.

6. Mikrokreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne am Umfang des Plättchens ausgebildet sind und mit am Innenumfang des festen Rahmens ausgebildeten Nuten zusammenwirken.