DE69525405T2 - Kammförmige Antriebsvorrichtung für einen mikromechanischen Drehgeschwindigkeitssensor und dazugehöriges Messverfahren - Google Patents

Description

1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Minimieren der Effekte einer parasitischen Treiberspannung an einem Ratensensor und insbesondere auf eine einfache und effiziente Vorrichtung und ein Verfahren zum akkuraten Abfühlen von Motorbewegungs- und Drehraten.
2. Beschreibung der bekannten Technik
• Es wird erwartet, dass mikrobearbeitete Silizium-Ratensensoren erhebliche Kosten- und Größenvorteile gegenüber vielen anderen Technologien vorsehen. Mikrobearbeitete Ratensensoren sind typischerweise unempfindliche Gyroskope bzw. Kreisel aus einer Einkristall-Silizium-"Resonanzstruktur", die inherent ausgeglichen, körperlich klein und kostengünstig herzustellen sind. Zur Verwendung von Chargenverarbeitungstechniken, die in der heutigen Halbleiterindustrie typisch sind, können Tausende von identischen Sensoren mit einer Fläche, die weniger als ein paar Quadratmillimeter beträgt, simultan hergestellt werden. Die Verwendung von Mikrobearbeitungs- Prozesstechnologie sieht einen Hauptvorteil hinsichtlich der Größe und der Kosten gegenüber bestehenden makroskopischen Vorrichtungen vor. Kleine mikromechanische Gyroskopchips besitzen besondere Vorteile hinsichtlich der inherenten niedrigen Kosten, die mit Silizium-Wafer-Herstellungstechnik assoziiert sind, während sie eine Sensibilität und Unempfindlichkeit vorsehen, die für viele Verwendungen geeignet sind, wie beispielsweise in Automobilen.
• Ein ratenabfühlendes Gyroskop (RSG = Rate Sensing Gyro) ist analog zu einem ungedämpften mechanischen Feder-Masse-System. Allgemein gesagt verwendet das Funktionsprinzip eine Resonanzstruktureinrichtung, die bei Erregung eine Geschwindigkeit in den strukturabfühlenden Massen induziert, wie beispielsweise Prüfmassen. Die Prüfmassen oszillieren mit der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) (Eigenfrequenz)des Feder-Masse-Systems, wenn sie erregt werden. Diese Oszillation kann durch eine externe Verstärkerschaltung aufrechterhalten werden, welche Energie mit der richtigen Frequenz und Phase zurückführt, um Verluste zu ersetzen, die fauf die mechanische Struktur zurückgehen. Wenn eine Winkelrate an das oszillierende System angelegt wird, das die Prüfmassen, gekoppelt mit Federn, aufweist, wird eine entsprechende Kraft an den Massen induziert, die sehr linear proportional zu der Größe der angelegten Winkelrate ist. Diese Kraft kann bewirken, dass ein elektrisches Signal erzeugt wird, das kalibriert werden kann und als eine Ratenanzeige dient.
• Elektrostatische Kämme können verwendet werden, um die Massen mit oszillierenden Signalen anzutreiben. Kleine Änderungen in der Bewegung der vibrierenden Massen treten auf, wenn die Vorrichtung um eine Abfühlachse gedreht wird. Die Abfühlachse ist parallel zu der Ebene, in der sich die Massen bewegen und senkrecht zu ihren Geschwindigkeiten. Der Coriolis-Effekt bewirkt, dass die Massen etwas außerhalb ihrer ursprünglichen Bewegungsebene oszillieren, und zwar um eine Größe, die proportional zu der Drehrate ist. Coriolis-Kräfte wurden als Kräfte beschrieben, die orthogonal (mit 90º) zu der Bewegung der Massen wirken. Demgemäß erlaubt eine Messung der Massenauslenkung die Bestimmung der Drehrate.
• Kostengünstige Ratensensoren besitzen jedoch bestimmte Nachteile. Es wurde herausgefunden, dass ein Nachteil bei der Mikrobearbeitungstechnologie darin liegt, dass es schwierig ist, genaue Spannungssignale zu extrahieren, welche die abgefühlten Raten darstellen. Um solche Signale zu messen, ist typischerweise eine komplizierte und extrem empfindliche bzw. sensible Elektronik erforderlich. Jedoch neigt eine unerwünschte Durchführung des Treiberspannungssignals in die Verarbeitungselektronik dazu, das Ausgangs- Abfühlsignal zu beeinflussen, wodurch das Signal durch die Größe des Treibersignals verzerrt bzw. verändert wird. Diese parasitäre Treiberspannung existiert in Folge von Ungenauigkeiten bei der Sensorherstellung und dem Betrieb und dem Verfahren der Elektronik, wodurch ein kapazitiver Kopplungsmechanismus die Treiberspannung direkt mit dem Motorpositions- Ausgangssignal und dem abgefühlten Ratensignal koppelt.
• Die zwei Kopplungsanordnungen wirken als Fehlerquellen. Die Treiberspannung ist orthogonal zur Motorposition und die Treiberspannungskopplung mit der Motorposition bewirkt eine Phasendrehung des Motorpositionssignals. Eine Bestimmung der korrekten Phase der Motorposition ist kritisch für die Signalverarbeitung der abgefühlten Rate. Zusätzlich ist die Treiberspannung in Phase mit der abgefühlten Rate, so dass eine Kopplung der Treiberspannung in den Ratenabfühlvorgang eine falsche Raten-"Vorspannung" induziert. Diese falsche Vorspannung fügt einen Fehler bzw. Fehler-Term hinzu, der im Vergleich zu Winkelraten, die normalerweise abgefühlt würden, groß ist. Die treiberspannungsinduzierte Vorspannung besitzt typischerweise einen Faktor von 100 Mal größer als dem vollen Bereich der tatsächlich abgefühlten Rate.
• Zum Beispiel erzeugt die Sensorabfühlachse ein Ladungssignal, das proportional zu der abgefühlten Rate ist. Typischerweise ist die Ratensensorausgangsgröße der Ladung in der Größenordnung von 6·10&supmin;¹&sup8; Coulomb pro Grad pro Sekunde der abgefühlten Rate. Dieses Signal ist sehr klein und wenn es in eine Spannung umgewandelt wird, wird es für kleine abgefühlte Raten ununterscheidbar gegenüber Störungen oder Rauschen. Da das abgefühlte Signal dazu neigt, nachteilig durch die Treiberspannungsaufnahme beeinflusst zu werden, wenn sich die Treiberspannung an der NRF der Massen befindet, wird es kritisch, die parasitische Kapazität oder Spannung zu begrenzen, die als eine Quelle der Rauschverstärkung aufgezeigt wurde.
• Das Problem der Treiberspannungsdurchführung in die abgefühlte Rate wurde durch Frequenzmultiplexen der abgefühlten Rate und der angelegten Bewegung bei der NRF angesprochen. Frequenzmultiplexen wurde erreicht durch Anlegen eines separaten Frequenztons an die Prüfmassenabfühlplatten. Die angelegte Winkelrate multipliziert diesen Ton zur Erzeugung eines abgefühlten Ratentons, der ein Produkt des NRF-angelegten Tons und der angelegten Rate ist. Zusätzlich erfordert die Signalverarbeitung, dass das abgefühlte Signal mit dem abgefühften Ton und der NRF demoduliert wird. Dieses Verfahren eliminiert effektiv eine Treiberspannungsdurchführung in die Abfühlaufnahme bzw. das Abfühlsignal. Jedoch wird das Problem der unerwünschten Kopplung der Treiberspannung in die abgefühlte Motorposition nicht eliminiert.
• Insbesondere arbeitet, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine Mikromaschinen-Kamm- Treiberschaltung 100 als ein herkömmlicher Oszillator. Beim anfänglichen Hochfahren gibt es keine Oszillation. Es wird jedoch eine bestimmte Menge an Rauschen in der Schaltung erzeugt und wird innerhalb der Schleife verstärkt, die aus Verstärkern 112, 116 und 124 aufgebaut ist. Diese Rauschkomponente ist flachem, weißem Rauschen zuzuordnen, bei dem eine Komponente in Phase mit der NRF des Sensors ist, was wiederum bewirkt, dass die Komponente des Signals ohne Grenze fortfährt, anzuwachsen. Das Signal wird schlussendlich durch die Wirkung des Mulitiplizierers 118, den Tiefpassfilter 120 und das automatische Verstärkungssteuerelement 122 eingegrenzt.
• Das Signal, das durch den Verstärker 116 verstärkt wird, wird durch einen RMS-Konverter einschließlich eines Multiplizierers 118 und eines Tiefpassfilters 120 detektiert, der das Signal in eine Gleichspannung (DC-Spannung) umwandelt. Die Gleichspannung wird an einen Anschluss der automatischen Verstärkungssteuereinrichtung 122 angelegt. Schlussendlich wird das Signal, das ursprünglich für den Verstärker 116 stand, zu einem Kompensator 110 und einem weiteren Verstärker 124 geführt und in den zweiten Anschluss der automatischen Verstärkungssteuerung 122 eingegeben. Das automatische Verstärkungssteuerelement 122 reguliert die Amplitude der Oszillation, um genau die Amplitude der Bewegung zu steuern. Der Kompensator führt die Funktion der Umwandlung der Position in Geschwindigkeit durch, um die Phase um die Schleife herum auf 0 zu halten, um die Oszillation beizubehalten.
• Ferner umfasst ein weiterer Versuch zum Eliminieren einer Durchführung das Einbeziehen multipler Frequenzen in den Motor durch Verwendung der "Quadratgesetze"-Natur der Umwandlung der Treiberspannung in die Motorkraft.
• Die Treiberspannung, die an die äußeren Kämme des Motors angelegt wird, erzeugt eine Kraft an dem Motor, die das Quadrat der angelegten Spannung (V²) ist. Wenn die angelegte Kraft die NRF plus einer DC (Gleichstrom) Vorbelastungsspannungskomponente ist, wird die Kraft (DC + NRF) zum Qudrat. Daraus folgt DC2 + 2·DC·NRF + NRF². Es sei bemerkt, dass der mittlere Term "2·DC·NRF" eine Kraft in dem Motor erzeugt. Ein Verfahren zum Verhindern einer Durchführung bei der NRF erfordert, dass der Motor mit zwei additiven Frequenztönen betrieben wird, von denen keine bei der NRF liegt. Wenn die Töne jedoch in dem Motor quadriert werden, wird eine Krafttransferfunktion mit einer Kraftkomponente, die bei der NRF liegt, erzeugt. Somit wird jeglicher Treiberspannungsfrequenzton bei der NRF eliminiert.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, ist zu erkennen, dass der Betrieb des multiplen Frequenzoszillators ähnlich ist zu dem von einem Fundamentaloszillator mit dem Zusatz einer Referenzfrequenz 232. Die zweite Frequenz kann einen beliebigen Wert besitzen, der (bei 224) mit der NRF des Sensors multipliziert wird und mit dem Produkt am Summierungsverstärker 228 summiert wird.
• Demgemäß wird das Signal verstärkt und das sich ergebende Signal ist das Produkt des willkürlich ausgewählten Bezugssignals und der Motor-NRF summiert mit der Referenzfrequenz. Das sich ergebende Signal wird an den Verstärker angelegt und schlussendlich an den Motor. Der Ausgang bzw. das Ausgangssignal des Verstärkers 230 wird dann verstärkt und in der automatischen Verstärkungssteuerschaltung 222 reguliert, am Verstärker 212 verstärkt und dann an den Sensor 214 angelegt. Der Sensor 214 wandelt die Spannung in Kraft um, was die angelegte Kraft quadriert, so dass die resultierende Frequenz bei der Motor-NRF liegt.
• Im Gegensatz zu der Vorrichtung in Fig. 1 unterscheidet sich der 2- Frequenz-Oszillator hinsichtlich der Verstärkung und Regelschleife mit dem Zusatz des Multiplizierers 224, dem Summierverstärker 228 und der Referenzfrequenz 232. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Systemeffizienz nur ein Viertel von der des fundamentalen Motorfrequenzoszillators beträgt. Der Zweifrequenzoszillator neigt dazu, unerwünschte Intermodulationstöne zu erzeugen, die schwierig aus der Signalverarbeitungselektronik herauszuhalten sind. Diese Nebenwellentöne sind ein unerwünschtes Nebenprodukt des Zweifrequenztreibers. Die Töne wirken verschlechternd, wenn sie mit einem Sensor "außerhalb der Abfühlebene"-Modus zusammenfallen. Die Sensormodi sind unvermeidbar und das Verwerfen von Sensoren für Modi, die mit Nebenwellentönen zusammenfallen, ist typischerweise teuer bei der Überwachung und neigt dazu, den Produktionsertrag zu begrenzen.
• Zusätzlich können Nebenwellentöne in dem abgefühlten Ratenausgang bzw. Aussgangssignal auftreten, wann immer sie innerhalb des Verarbeitungspassbandes liegen. Dies kann durch direkte Injektion auftreten, da sie in das Passband aufgenommen werden, in Folge der Sensorratenverarbeitung. Eine Filterung der unerwünschten Töne erzeugt jedoch eine zusätzliche Belastung an der Abfühlverarbeitungsschaltung. Daher neigt die Treiberschaltung dazu, komplizierter und teurer zu werden als der fundamentale Motortreiberoszillator. Obwohl der Zweifrequenzoszillator in bestimmten Fällen weniger zweckmäßig sein könnte als der fundamentale Frequenzoszillator, kann es Fälle geben, in denen es vorteilhaft ist, den Zweifrequenzoszillator zu verwenden, um anwendungslimitierende Probleme der Durchführung zu überwinden.
• Es ist daher zu sehen, dass, obwohl die oben beschriebenen Verfahren einige Probleme der parasitischen Treiberspannungsaufnahme lösen, da diese Verfahren dies mit dem Preis einer komplexen Modulations- und Demodulationsschaltung oder durch nebenwellentonerzeugende Summierverfahren erkaufen, welche Summierverstärker und Multiplizierer zum Extrahieren der gewünschten Signale erfordern. Beide dieser Verfahren erfordern eine erhebliche Schaltungsgröße, die schwierig in einem kostengünstigen, integrierten Schaltungsprozess implementiert werden kann.
Die Erfindung
• Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum im Wesentlichen Minimieren der limitierenden Effekte von parasitischer Treiberspannungsdurchführung in Ratenabfühlsystemen vorzusehen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen spricht die vorliegende Erfindung das Problem des Sensorkammantriebs durch Minimieren parasitischer Treiberspannungskopplung bei der Antriebsmotor-NRF an. Diese und weitere Ziele werden bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreicht durch eine mikrobearbeitete Sensorkammtreibereinrichtung und ein Verfahren, das eine Vielzahl von abfühlenden Prüfmassen oder Platten besitzt, die mit multiplen elektrostatischen Kämmen gekoppelt sind. Ein Kammtreiberverstärker induziert eine Bewegung der abfühlenden Platten entlang der Ebene der Platten, so dass die abgefühlte Rotationsrate eine "Außer- Ebene" Kraft bewirkt, die an den Abfühlplatten wirkt. Die Motorkämme werden bei halber NRF angetrieben, um eine Treiberbewegungskomponente zu erzeugen, die zweimal der Treiberfrequenz entspricht. Der Kamm- Treiberverstärker ist mit einem Halbfrequenz-Motoroszillator gekoppelt, der Folgendes aufweist: einen digitalen "Teile durch 2" Flip-Flop (FF), einen Wellenformfilter, einen Multiplizierer und eine Vielzahl von Signalverstärkern. Der Halbfrequenzoszillator ist in dem Rückkopplungspfad des Sensors vorgesehen und sieht die Treiberspannung mit der halben NRF vor. Demgemäß eliminieren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die parasitische Treiberdurchführung bzw. Durchspeisung bei der Motorfrequenz und sie sehen eine erhöhte Effizienz vor.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines fundamentalen Frequenzoszillators des Standes der Technik;
• Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines bekannten Zweifrequenzoszillators;
• Fig. 3 ist ein Bauteildiagramm eines mikrobearbeiteten Sensors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Halbfrequenz-Motoroszillators gemäß dem Sensor in Fig. 3.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Die folgende Beschreibung bezieht sich auf das beste derzeitig in Betracht gezogene Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den unterschiedlichen Figuren. Die Beschreibung dient nur dem Zweck der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Ausführungsbeispiele der Erfindung und sollte nicht in limitierender Art und Weise angesehen werden. Der Umfang der Erfindung sollte durch die Bezugnahme auf die Ansprüche bestimmt werden.
• Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kompensieren und vermeiden die Nachteile, die mit parasitischer Treiberspannung an der NRF assoziiert sind, welche die Sensorleistung verschlechtern können. Durch die Verwendung der Einfachheit einer fundamentalen Teiberschaltung, kombiniert mit einem Teile-durch-2 Flip-Flop können die Kämme 340, 344, 346 und 342 mit der halben NRF des Motors angetrieben werden, um eine Kraft mit der doppelten Treiberfrequenz zu erzeugen. In Folge dessen ist keine Treiberspannung bei der Motor-NRF vorgesehen und die Hälfte der gesamt eingegebenen Energie wird in verfügbare Treiberenergie umgewandelt. Insbesondere ist es bekannt, dass die Kraft proportional zum Quadrat der Treiberspannung ist. Daher ist bei der halben NRF-Frequenz die Kraftwellenform zweimal die Frequenz der Eingangsspannungswellenform und die Hälfte der angelegten Kraft wird in Kraft bei der NRF umgewandelt. Die andere Hälfte der angelegten Kraft ist eine DC-Kraft und führt keine nützliche Funktion durch.
• Ein Ausführungsbeispiel eines mikrobearbeiteten Ratensensors ist in Fig. 3 dargestellt. Der Ratensensor ist mit einer Vielzahl von Kämmen 340, 342, 344, 346 versehen, die elektrostatisch mit Abfühlplatten oder Prüfmassen 310 und 312 gekoppelt sind. Die Kämme und die Prüfmassen sind mit überlappenden Spitzen bzw. Zacken versehen. Im Allgemeinen arbeitet der Sensor, wenn die Abfühlplatten oder Prüfmassen 310 und 312 mit der NRF des Motors vibrieren, der die Kombination der Treiberkämme und der Prüfmassen aufweist. Durch Anlegen einer ausreichenden Verstärkung und Phase in Serie mit den Prüfmassen, so dass die Amplitude von natürlichem Rauschen um die natürliche Resonanzfrequenz des Motors herum ansteigt, kann die Bewegung der Prüfmassen mit einer konstanten Amplitude beibehalten werden.
• Die Prüfmassen sind im Wesentlichen Kondensatoren und die Kopplung zwischen den Kämmen und den Prüfmassen ist analog zu einem RLC-induktiven Kondensator und Widerstandsnetzwerk. Die abgefühlte Drehrate bewirkt, dass eine Ausser-Ebene-Kraft an den Prüfmassen oder Abfühlplatten wirkt, so dass die Plattenkapazität um äquivalent die Abfühlplattenladung mit der Treiberfrequenz moduliert wird. Die Abfühlplattenladungsmodulation ist linear proportional zu der angelegten Rate, so dass ein Rotationsabfühlverstärker 328 mit den Abfühlplatten gekoppelt werden kann, um die Ladung in eine Spannung umzuwandeln. Somit fühlt der Rotationsabfühlverstärker 328 die sich verändernde Kapazität der Abfühlplatten 310 und 312 ab. Im Wesentlichen fühlt der Rotationsabfühlverstärker 328 die Coriolis-Bewegung in dem Motor ab, die senkrecht zur Bewegung des Motors wirkt.
• Wie in Fig. 3 dargestellt ist, werden die zwei Kämme 340 und 342 an den Enden des Motors durch einen Kamm-Treiberverstärker 322 angetrieben. Der Verstärker 322 treibt die Kämme 340 und 342 an, um eine Resonanzvibration oder -schwingung zu erzeugen. Die Bewegung in dem Motor wird dann an einem Aufnahmelement 350 durch einen vorverstärkenden Verstärker abgefühlt, der als Motorpositionsabfühlverstärker 320 bezeichnet wird. Das Aufnahmeelement 350, das auch als der Mittelmotor bekannt ist, besteht aus zwei Mittelklemmen 344 und 346. Das Signal von dem Aufnahmeelement 350 wird in den Motorpositions-Abfühlverstärker 320 eingegeben und zwar über den Kondensator 316.
• Der Kondensator 316 blockiert die DC-Spannung durch sein Potenzial von den Platten. Die Kondensatoren 316 und 319 blockieren die Vorspannungen, so dass sie nicht in die Abfühlverstärker 320 und 328 eintreten und diese sättigen. Ein Vorspannungswiderstand 314 ist zwischen dem Kondensator und der Erde geschaltet, um eine Ladung an dem Kondensaor 316 herzustellen und eine DC-Vorspannung bzw. eine Vorspannung anzulegen. Das Ladungsverstärkersignal wird dann innerhalb des Halbfrequenzoszillators verarbeitet und zu dem Kammtreiber 322 geführt. Eine Bewegung der Abfühlplatten, d. h. die Prüfmassenbewegung senkrecht zur normalen Bewegung, gibt eine Ladung in den Ladungsverstärker 328 ein. Die Ladung wird auf eine entsprechende Spannung bei der System-NRF verstärkt, welche die Bewegungsfrequenz der Abfühlplatten in der erregten Richtung ist.
• Die Spannung ist somit frei von der NRF-Treiberspannungskopplung. Wie oben beschrieben, ist ein Verhindern bzw. Verwerfen der NRF- Treiberspannungskopplung erheblich, da an diesem Punkt das treiberspannungsinduzierte Signal ansonsten von der abgefühlten Rate nicht unterscheidbar wäre. In gleicher Weise wird das Signal nicht mit nicht harmonisch in Beziehung stehenden Nebenwellentönen durcheinander gebracht, die als Abfühlrate interpretiert werden könnten.
• Gemäß Fig. 4 fühlt der Verstärker 416 die Motorposition ab, d. h. die Plattenkapazität und wandelt die Kapazität in eine Spannung um. Die Spannung wird am Kompensator 410 verstärkt und phasenkompensiert. Die Frequenz der Motorbewegung wird durch 2 geteilt durch eine Flip-Flop Schaltung 424 und durch einen Filter 426 geformt. Das Filtersignal wird dann im Verstärker 428 verstärkt und an ein automatisches Verstärkungselement 422 angelegt.
• Die Referenz bzw. der Bezugspunkt für das automatische Verstärkungselement wird hergestellt durch Detektieren der Amplitude des Signals am Verstärker 416 in dem Multiplizierer 418 und dem Tiefpassfilter 420. Der Tiefpassfilter 420 und der Multiplizierer 418 wandeln die Amplitude in eine DC- Spannung um, um die Verstärkung an der automatischen Verstärkungssteuerschaltung 422 zu steuern. Der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße der automatischen Verstärkungssteuerschaltung 422 ist ein reguliertes Treibersignal, das differential in den Sensor 414 getrieben wird (der als Sensor 348 in Fig. 3 identifiziert ist) durch den Verstärker 412, und zwar mit minimaler Durchspeisungsspannung, welche den Sensoreingang beeinträchtigt.
• Somit ermöglicht das Halbfrequenzsignal, dass eine Spannung in den Sensor eingegeben wird, was Probleme parasitischer Treiberspannung verhindert, welche das abgefühlte Ratensignal kontaminiert. Sensorausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erlauben eine akkurate Ratenabfühlung und Messung mit geringer Komplexität unter Verwendung kostengünstiger Bauteile. Das einfache Hinzufügen des Flip-Flop 424 wandelt den fundamentalen Oszillator in einen Halbfrequenzoszillator um. Diese Einfachheit macht den Halbfrequenzoszillator selbst attraktiv als alleinstehende, integrierte Schaltung für CMOS-Anwendungen. Der Halbfrequenzantrieb eliminiert eine Durchspeisung am Motorpositionsabfühlverstärker, der als die Demodulationsreferenz für die Bestimmungsrate und Durchspeisung bei der NRF verwendet wird. Der Halbfrequenzantrieb eliminiert auch eine Durchspeisung an dem Ratenaufnahme-Abfühlverstärker, wodurch jegliche falsche Ratenvorspannung bzw. eine Vorspannung minimiert wird, die bzw. das wesentlich größer sein kann als die volle Skala der Ratenabfühlkapazität. Ferner werden Nebenwellentöne im Gegensatz zu dem oben beschriebenen multiplen Frequenzoszillator eliminiert. Der Halbfrequenzantrieb enthält nur Töne, welche ungerade harmonische Frequenzen der halben fundamentalen Frequenz sind.
• Der Halbfrequenzoszillator ist auch vorteilhaft in Folge der wesentlich erhöhten Antriebseffizienz. Zum Beispiel wurde herausgefunden, dass die Antriebseffizenz ungefähr zweimal so groß ist wie bei dem Zweifrequenzverfahren.
• Dies wird kritisch bei bestimmten Niedrigspannungsanwendungen, wie beispielsweise Niedrigleistungs-, Niedrigspannungs-Automobilanwendungen. Von besonderer Bedeutung bei Instrumenten dieses Typs ist die Erzeugung unerwünschter Nebenwellen, welche sich in das Passband bewegen können und Sprünge in der abgefühlten Ausgangsrate bewirken können. Da der Halbfrequenzoszillator keine Nebenwellentöne erzeugt, werden auch keine unerwünschten Frequenzen erzeugt.
• Es sei bemerkt, dass andere Elektronikbauteile verwendet werden können, um die Antriebs- oder Motorfrequenz durch 2 zu teilen. Zum Beispiel können Pfiasenverriegelungsschleifen oder regenerative Oszillatoren/Teiler eine Teile-durch-2-Funktion erreichen. Solche Verfahren erzeugen befriedigende Ergebnisse, sie können jedoch komplizierter sein als ein hier beschriebenes Flip-Flop. Zusätzlich sei bemerkt, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bei anderen Anwendungen eingesetzt werden können, wie sich dem Fachmann für die Ratensensortechnik ergeben wird.
• Die derzeitig offenbarten Ausführungsbeispiele werden jeweils als Darstellung, nicht als Einschränkung angesehen. Der Umfang der Erfindung sollte nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims (7)

1. System (348) zum Abfühlen einer Drehgeschwindigkeit, während eine Treiberspannungskopplung eliminiert wird, wobei das System mit einer Treiberspannung betätigbar ist, wobei eine parasitische Treiberspannung, die unerwünschter Durchspeisung der Treiberspannung zurück in das Abfühlsystem zuordenbar ist, minimiert wird, wobei das System Folgendes aufweist:

mindestens eine Prüfmasse (310, 312);

mindestens eine mit jeder Prüfmasse (310, 312) gekoppelte Feder, wobei die Anordnung aus Feder und Prüfmasse ansprechend ist auf eine Kraft, die proportional ist zum Quadrat der Treiberspannung und eine zugehörige natürliche Resonanzfrequenz (NRF) besitzt;

eine Vielzahl von Kämmen (340, 342, 344, 346), die mit jeder Prüfmasse (310, 312) elektrostatisch assoziiert und gekoppelt sind;

Treiber- bzw. Antriebsmittel (322), die mit der Vielzahl von Kämmen (340, 342) gekoppelt sind zum Liefern der Treiberspannung an die Vielzahl von Kämmen (340, 342) und zum Induzieren einer Bewegung jeder Prüfmasse (310, 312) in einer Ebene relativ zu den zugehörigen Kämmen, wobei die Anordnung jeder Prüfmasse (310, 312) und Kämme (340, 342, 344, 346) eine Abfühl- bzw. Empfindlichkeitsachse parallel zu der Ebene definiert, in der sich jede Prüfmasse (310, 312) bewegt, wobei ferner die Kämme (340, 342) mit der Hälfte der zugehörigen natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) der Prüfmassenanordnung betrieben werden;

Abfühlmittel (344, 346, 350) zum Abfühlen der Bewegung jeder Prüfmasse (310, 312), wenn das Geschwindigkeitssensorsystem (348) um die Empfindlichkeitsachse gedreht wird, wobei die Bewegung jeder Prüfmasse (310, 312) definiert ist durch Verformung bzw. Verbiegung jeder Prüfmasse (310, 312) bezüglich der Kämme (340, 342, 344, 346); und

Meßmittel zum Messen der Verbiegung bzw. Verformung jeder Prüfmasse (310, 312), um die Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.

2. System gemäß Anspruch 1, wobei die Treibermittel (322) Folgendes aufweisen:

einen Kammtreiberverstärker zum Treiben der Vielzahl von Kämmen (340, 342); und

einen Halbfrequenzmotoroszillator (400) zum Treiben der Vielzahl von Kämmen (340, 342) mit der Hälfte der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF), so daß keine parasitische Treiberspannung auf der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) erzeugt wird.

3. System gemäß Anspruch 2, wobei der Halbfrequenzmotoroszillator (400) ein Flipflop (424) und ein mit dem Flipflop (424) in Reihe geschaltetes Filter (426) umfaßt, um die Treiberspannung mit der Hälfte der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) vorzusehen.

4. Verfahren zum Abfühlen von Drehgeschwindigkeit und Position, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

elektrisches Erregen einer Vielzahl von Prüfmassen (310, 312), die mit einer Vielzahl von Kämmen (340, 342, 344, 346) elektrostatisch assoziiert und gekoppelt sind, wobei der Schritt des elektrostatischen Erregens den Schritt des Anlegens einer Treiberspannung umfaßt, um die Vielzahl von Kämmen (340, 342) mit der Hälfte einer natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) zu treiben, mit der die Prüfmassen (310, 312) und die Kämme (340, 342, 344, 346) selbst-oszillieren bzw. eigenschwingen, so daß keine parasitische Spannung mit der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) erzeugt wird, welche einem unerwünschten Durchspeisen der Treiberspannung zu der Vielzahl von Kämmen (340, 342, 344, 346) zuordenbar ist;

Induzieren einer Bewegung und einer Geschwindigkeit in jeder Prüfmasse (310, 312) relativ zu den zugehörigen Kämmen (340, 342, 344, 346), wobei die Anordnung der Prüfmassen (310, 312) und der Kämme (340, 342, 344, 346) eine Abfühl- bzw. Empfindlichkeitsachse definiert, die parallel ist zu der Ebene, in der sich die Prüfmassen (310, 312) bewegen, und die senkrecht zu deren Geschwindigkeiten ist;

Abfühlen von Verformungen bzw. Verbiegungen in der Bewegung der Prüfmassen (310, 312), wenn die Prüfmassen (310, 312) bezüglich der zugeordneten Kämme (340, 342, 344, 346) um die Empfindlichkeitsachse gedreht werden; und

Messen der Verbiegung bzw. Verformung der Prüfmassen (310, 312), um die Drehgeschwindigkeit zu bestimmen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Schritt des Induzierens einer Bewegung in jeder Prüfmasse (310, 312) bezüglich der zugeordneten Kämme (340, 342, 344, 346) das Selbst-Oszilieren bzw. Eigenschwingen der Prüfmassen (310, 312) und der zugeordneten Kämme mit ihrer entsprechenden natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) umfaßt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:

Koppeln eines Abfühlverstärkers (416) mit den Prüfmassen (310, 312), um den Betrag der Verformung bzw. Verbiegung der Prüfmassen (310, 312) bezüglich der zugehörigen Kämme (340, 342, 344, 346) zu bestimmen, wobei der Abfühlverstärker (416) einen Ausgang besitzt,

Koppeln eines Kompensators (410) mit dem Abfühlverstärker (416), so daß die Ausgabe des Abfühlverstärkers (416) in den Kompensator (410) eingegeben wird, und

Koppeln eines Flipflops (424) mit dem Kompensator (410), um zu bewirken, daß die Treiberspannung mit der Hälfte der natürlichen Resonanzfrequenz (NRF) an die Prüfmassen (310, 312) und die Kämme (340, 342, 344, 346) geliefert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:

Übertragen der Verformung bzw. Verbiegung der Prüfmassen (310, 312) bezüglich der Kämme (340, 342, 344, 346) in eine Spannung, Vervielfachen der Ausgabe des Abfühlverstärkers (416), Filtern (420) der multiplizierten Ausgabe, und

Regulieren der gefilterten Ausgabe anhand einer Verstärkungssteuerschaltung (422), um ein reguliertes bzw. geregeltes Treibersignal zu erzeugen.