DE69629676T2

DE69629676T2 - Mikrogefertigter beschleunigungs-und koriolissensor

Info

Publication number: DE69629676T2
Application number: DE69629676T
Authority: DE
Inventors: Terry V. Roszhart
Original assignee: Kearfott Guidance and Navigation Corp
Current assignee: Kearfott Guidance and Navigation Corp
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: EP0823039A1; DE69629676D1; JPH11504426A; ATE248350T1; EP0823039A4; US5656778A; WO1996034255A1; EP0823039B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Linear- und Winkelbewegungssensoren und insbesondere einen mikrogefertigten Siliziumfestkörper- Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor, der Linear- und Winkelbewegung erfasst.
Vorausgehende Versuche Trägheits-Multisensoren zu entwickeln können in drei allgemeine Kategorien aufgeteilt werden. Die erste dieser besteht aus einer Dreiheit von Beschleunigungsmessern, die um eine gemeine Achse gerastert, unter Verwendung eines Rotations- oder Krümmungsmechanismus angeordnet sind. Da mindestens drei Beschleunigungsmesser gleichzeitig in Schwingung versetzt werden, erfordert dieser Ansatz gewöhnlicherweise das größte Volumen und Leistung/Energie. Dieser Mechanismus ist nicht monolithisch und eine beträchtlich komplexe Ausführung wird benötigt, um elektrischen Kontakt mit den einzeln schwingenden Beschleunigungsmessern herzustellen.
Es gibt einen zweiten Ansatz, der aus der US-A-5,341,682 bekannt ist, der zwei gegenüberliegend schwingende Prüfmassen und zwei von Magneten gesteuerte Resonatoren verwendet, um sowohl die Rotations- als auch die Linearbewegung abzutasten. Dieser Ansatz verwendet einen monolithischen Aufbau, der die Rasterbewegung und sowohl die Coriolisantwort der Prüfmassen, als auch die Vibrationsbewegung der Resonatoren steuert. Da es dabei zwei Prüfmassen gibt, wird ebenso eine mechanische Phasenkoordination (phase link) benötigt, um anti-parallele Prüfmassenbewegung sicher zustellen. Die monolithische Natur dieses Aufbaus ist in Bezug auf die Vorteile von Massen mikrofertigenden Verfahren vorteilhaft, aber die Integration zweier Prüfmassen in einen Sensor erhöht die Ausführungskomplexität stark. Diese erhöhte Komplexität zwingt Ausführungsbeschränkungen auf, die die Sensorleistung beeinflussen und eine Vielzahl nicht erwünschter parasitärer Vibrationsmodi fördert, die die Erfassungsgenauigkeit verschlechtern. Der Bedarf an zwei Prüfmassen erhöht ebenso Sensorenergie (Energieverbrauch) und Volumen. Eine andere Offenbarung eines Multisensors, der zwei gegenüberliegend schwingende Prüfmassen verwendet ist die US-A-5,392,650.
Eine dritte Kategorie von Vorrichtungen besteht aus mikrogefertigten Aufbauten, die zwei Vibrationsmodi vorzeigen, die senkrecht zueinander orientiert sind. Wenn die Vorrichtung um ihre sensible Achse rotiert, werden Vibrationen in einem Modus in den zweifach Orthogonalmodus eingekoppelt. Erfassungen der Rotation der Vorrichtung können dann durch Abtasten des Betrags der Vibration, die in diesem zweiten Modus auftreten, erhalten werden. Leider arbeitet dieser zweite Modus bei der gleichen Frequenz wie der erste Modus. Das bedeutet, dass kleine Störungen in dem Modus der Rechtwinkligkeit, Herstellungstoleranzen oder elektrische Kreuzkopplung ebenso Energie zwischen Modi koppeln können. Dies erzeugt ein Fehlersignal, das als eine Falschrotation erscheint und verringert die Genauigkeit dieses Sensortyp. Darüber hinaus ist dieser Sensortyp oft unempfindlich gegenüber Linearbeschleunigung und kann Rotations- und Linearbewegungen nicht gleichzeitig erfassen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen mikrogefertigten Siliziumfestkörper Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor (MAc) wie in Anspruch 1 und den abhängigen Ansprüchen dieser Anmeldung gekennzeichnet, bereit.
Der MAC-Sensor ist darin einzigartig, dass er eine zweistufige Differentialvorrichtung ist, die lediglich eine mikrogefertigte Prüfmasse verwendet, um sowohl Linear- als auch Winkelbewegungen zu erfassen. Die einzelne Prüfmasse ist mit gegensinnigen elektromechanischen Resonatoren in einer monolithischen Mikrostruktur verbunden, die aus einem Silizium-Einkristall hergestellt ist. Diese einzigartige Ausführung bietet Verbesserungen bei einer Erfassungsleistung und Verringerungen in der Herstellungskomplexität, die jenseits des Standes der Technik früherer mikrogefertigter Trägheitssensoren liegen.
Der MAC-Sensor behält alle die Vorteile früherer Typen von Festkörper-Sensoren. Der MAC-Sensor weist keine rotierenden Teile auf und sein bewegungsabtastender Aufbau weist keine Werkstoffschnittstelle oder Verbindungen auf, die zu Erfassungsfehlern beitragen. Er kann durch bestehende mikrofertigende Vorgänge hergestellt werden, und bietet die Wirtschaftlichkeiten von Größe, Gewicht und Kosten, die typisch für die Industrie integrierter Schaltung ist.
Da der MAC-Sensor sowohl Linear- als auch Winkelbewegungen erfassen kann, werden lediglich drei MAC-Sensorchips für ein vollständiges sechs Achsen aufweisendes Trägheitserfassungsgerät benötigt. Alternative Anordnungen sind möglich die vier und sogar sechs Erfassungs-Achsen auf einem einzelnen Chip bereitstellen können. Als ein Ergebnis weist der MAC-Sensor die Möglichkeit auf, eine neue Generation von fortschrittlichen Trägheitsführungs- und Navigationssysteme einzurichten, die klein, preiswert und gut geeignet für Anwendungen sind, die hohe Leistungsniveaus erfordern.
Demgemäß besteht die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor (MAC), der Linear- und Winkelbewegung erfasst, bereitzustellen.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung und Ansprüche, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die hieran beigefügt sind, offensichtlich werden.
Um ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird jetzt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen. Die Zeichnungen sollten nicht als die vorliegende Erfindung beschränkend verstanden werden, sondern lediglich beabsichtigen beispielhaft zu sein.
1A ist eine oberseitige, perspektivische Ansicht eines monolithischen elektromechanischen Aufbaus eines erfindungsgemäß mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensors (MAC).
1B ist eine unterseitige, perspektivische Ansicht des in 1A gezeigten monolithischen elektromechanischen Aufbaus.
2 ist eine oberseitige Explosions-Perspektiv-Ansicht einer erfindungsgemäßen mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor (MAC)-Chip Zusammenstellung.
3 ist eine oberseitige Explosions-Perspektiv-Ansicht eines elektronischen Signalverarbeitungssystems für einen erfindungsgemäßen mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensors (MAC).
4A ist eine oberseitige Ansicht eines monolithischen elektromechanischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Vierachsen mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensors (MAC).
4B ist eine unterseitige, perspektivische Ansicht des in 4A gezeigten monolithischen elektromechanischen Aufbaus.
5A ist eine oberseitige perspektivische Ansicht eines monolithischen elektromechanischen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Sechsachsen mikrogefertigten Siliziumfestkörper-Beschleunigungs- und Coriolis-Sensors (MAC).
5B ist eine unterseitige, perspektivische Ansicht des in 5A gezeigten monolithischen elektromechanischen Aufbaus.
Die Elemente eines erfindungsgemäß mikrogefertigten Beschleunigungs- und Coriolis-Sensors (MAC) sind in den 1–3 gezeigt. Ein monolithischer elektromechanischer Aufbau, der das zentrale Merkmal des MAC-Sensors ist, wird in 1 gezeigt. Dieser Aufbau führt alle mechanischen Funktionen des Sensors aus. Dieser Aufbau ist in einer Mikrochip-Anordnung, die mit einem elektronischen Signalverarbeitungssystem verbunden ist, verbunden.
Die Einzelheiten des MAC-Sensor Mikrochips werden in 2 gezeigt, und ein elektronisches Signalverarbeitungssystem wird in 3 gezeigt.
Der elektromechanische Aufbau, der zentral für den MAC-Sensor-Chip ist, ist aus einem Rahmen ähnlichen Trägermaterial 1, einer schwingenden Masse 2, zwei Biegeresonatoren 3 und 4 und vier Biegestützen 8, 9, 10 und 11 zusammengesetzt. Dies ist ein monolithischer Aufbau, der in Silizium-Einkristallwafern, unter Verwendung bestehender mikrolithographischer und mikrofertigender Techniken, gebildet werden kann.
Dieser Aufbau bezieht sich auf das in 1 gezeigte rechthändige xyz Koordinatensystem. Die Prüfmasse 2 wird durch elektrostatische Kräfte, die sie in der Richtung 5, die mit der x-Achse übereinstimmt, in Vibration versetzt. Die Biegeresonatoren 3 und 4 sind entlang der z-Achse orientiert. Es wird später gezeigt, dass die rotationssensitive Achse dieses Sensors senkrecht zu diesen Richtungen ist, und entlang des Vektors 6 liegt, der der y-Achse entspricht. Die Beschleunigungsempfindlichkeit des Sensors ist entlang der z-Achse angeordnet.
Der Siliziumaufbau von 1 ist mit zwei Pyrexglas- oder Siliziumaufsätze 24 und 25 verbunden, die in 2 gezeigt sind. Beide dieser Aufsätze weisen Prüfmassenmulden 26 auf, die in die Aufsatzoberfläche geätzt sind. Diese Mulden sind um einen Betrag vertieft, der ausreichend ist, um die Vibrationsbewegung der Prüfmasse senkrecht zu der xy-Ebene zu gestatten. Die Mulden enthalten ebenso metallische Elektrodenmuster, die verwendet werden die Prüfmasse 2 und die Resonatoren 3 und 4 in Vibration zu versetzen. Galvanisierte Durchführungslöcher 35 werden in den Aufsätzen ausgebildet, um elektrischen Kontakt mit der Innenseite des Chips herzustellen. Diese Durchführungen weisen oberseitige Elektrodenmuster auf, die für die Drahtverbindung verwendet werden können.
Die Aufsätze werden ebenso aus Wafern hergestellt und werden mit dem mittleren des Siliziumwafers verbunden, bevor sie in die rechteckigen Chips gewürfelt werden. Dies macht es möglich Massenherstellungsverfahren zu verwenden, die die Herstellung aller einzelnen Sensoren gleichzeitig auf einer einzelnen Waferanordnung gestattet. Dies verringert erheblich die Arbeit und Kosten dieser Vorrichtung.
Der Mikrochip in 2 wird in einer vakuumdichten Hybridpackung die gebondet und mit dem in 3 gezeigten elektronischen Signalverarbeitungssystem verbunden. Gegenstand 12 stellt einen elektronischen Oszillator dar, der verwendet wird die Prüfmasse 2 bei ihrer Resonanzfrequenz anzutreiben. Dies wird durch die metallischen Elektroden bewerkstelligt, die auf den Mikrochipaufsätzen angeordnet sind. Dieser Oszillator stellt ebenso eine Referenzfrequenz 19 bereit, die von der Signalelektronik für den synchronen Nachweis demodulierter Ausgabesignale 20 und 22 verwendet wird, wie ausführlicher nachfolgend beschrieben wird.
Gegenstände 13 und 14 sind zusätzliche Oszillatoren, die verwendet werden, um die einzelnen Biegeresonatoren 3 und 4 anzutreiben. Diese Resonatoren weisen Eigenresonanzfrequenzen auf, die ungefähr gleich sind und viel größer als die Eigenfrequenz der Prüfmasse. Es wird nachfolgend gezeigt, dass die Frequenzen der Resonatoren durch die durch die Prüfmasse erzeugten Linearbeschleunigungs- und Korioliskräfte, moduliert werden. Dieser Vorgang ist als Überlagerung oder Frequenzmodulation bekannt.
Die frequenzmodulierte Ausgabe jedes dieser Oszillatoren wird zu ihren entsprechenden Demodulatoren, Gegenstande 15 und 16, gesendet, wo die Durchschnittsfrequenzen der Resonatoren aus dem Signal entfernt werden. Die Ausgabe der Demodulator wird dann zu zwei Zweistufendetektoren 17 und 18 geschickt, um Ausgaben zu erzeugen, die proportional zu der Linearbeschleunigung und Rotationsgeschwindigkeit sind.
Wichtig zu bemerken ist, dass die Resonatoren 3 und 4 an gegenüberliegenden Enden der Prüfmasse 2 angeordnet wurden. Dies wurde bewerkstelligt, so dass die auf jeden Resonator angewendeten Beschleunigungs- und Korioliskräfte in dem Betrag gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt sind. Werden die Signale aus jedem Kanal der MAC-Sensor-Elektronik in den Zweistufendetektoren 17 und 18 kombiniert, dann werden die Teile der Signale, die jedem Beschleunigung- und Rotationssignal proportional sind, addiert (um die Empfindlichkeit zu verdoppeln) und die im Gleichtakt stehenden Teile werden abgezogen (um Erfassungsfehler zu verringern). Die Ausgaben 27 und 28 sind daher wahre Differentialsignale (true differential signals), die zu der Linearbeschleunigung und der Winkelgeschwindigkeit, die auf den Sensorchip angewendet werden, proportional sind.
Der mikrogefertigte Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor (MAC) ist eine stark integrierte Vorrichtung, die die simultane, differentielle Erfassung der Linear- und Winkelbewegung, unter Verwendung lediglich einer monolithischen Prüfmasse, bereitstellt. Trotz der Vielzahl von Funktionen bietet der MAC-Sensor eine strukturelle Einfachheit, die bei früheren Sensoren des gleichen Typs nicht gefunden wird. Um seinen Betrieb zu erklären werden die Prüfmasse, den Resonator und die Signaldetektionsubsysteme getrennt beschrieben. Insbesondere werden die Übertragung der Beschleunigungs- und Rotationssignale als auch die Erfassungsfehler durch das Sensorsystem diskutiert.
Die Hauptfunktion der Prüfmasse besteht darin, Kräfte auf die MAC-Resonatoren anzuwenden, die auf die Trägheitsbewegung des Sensors bezogen sind. Eine dieser Kräfte wird durch die Beschleunigung in der z-Richtung erzeugt. Wenn das Trägermaterial entlang dieser Achse beschleunigt wird, dann erzeugt die Trägheit der Prüfmasse eine Gegenkraft, die an jedem Ende durch die zwei Resonatoren eingezwängt wird. Gemäß Newtons' Gesetz ist die durch Linearbeschleunigung erzeugte Kraft Fa = mpmaz (1)worin F_a die Linearbeschleunigungskraft ist, m_pm die Masse der Prüfmasse ist und a_z die Linearbeschleunigung ist. Wird der Sensor entlang der z-Achse beschleunigt, dann erzeugt die Prüfmasse eine Kraft in Resonator 3, die dehnend ist und eine Kraft in (is) Resonator 4, die zusammendrückend ist.
Die Koriolis-"Kraft" ist tatsächlich eine offensichtliche Beschleunigung, die einem Körper zugeschrieben wird, der sich bezüglich eines rotierende Koordinatensystems in Bewegung befindet. Schwingt die Prüfmasse in 1 in der Richtung 5 und rotiert das Sensorträgermaterial um die Richtung 6, dann wird eine Korioliskraft in Richtung 7 erzeugt, die gleichzeitig senkrecht sowohl zum Geschwindigkeits- als auch dem Rotationsvektor liegt. Die Korioliskraft schwingt mit einer Frequenz der Prüfmasse und moduliert die Eigenresonanzfrequenz der beiden Resonatoren 3 und 4. Jeder dieser Resonatoren erzeugt dann ein frequenzmoduliertes Trägersignal, dass durch die in 3 gezeigte Signalverarbeitungselektronik abgetastet wird.
Der Betrag der Korioliskraft, die der Prüfmasse aufgezwungen wird, ist das Vektorprodukt des Prüfmassen-Geschwindigkeitsvektors 5 und des Koordinaten-(coordinate)-Rotationsvektors 6 und wird gegeben durch Fc = 2mpmvΩy (2)worin F_c die Korioliskraft ist, v die Geschwindigkeit der Prüfmasse ist und Ω_y die anfängliche Rotationsgeschwindigkeit entlang der y-Achse ist.
Um diese Gleichung zu berechnen, ist es notwendig die Prüfmassengeschwindigkeit zu berechnen. Da die Prüfmasse 2 durch den Oszillator 12 harmonisch angetrieben wird, ist seine Bewegungsgleichung gegeben durch x = xpmsin(ωpmt) (3)worin x die Verschiebung der Prüfmasse ist, ω_pm die Resonanzfrequenz der Prüfmasse ist und x_pm der Verschiebungsbetrag der Prüfmasse ist. Diese Gleichung wird bezüglich der Zeit differenziert/abgeleitet, um die Prüfmassengeschwindigkeit zu erhalten v = ωpmxpmcos(ωpmt) (4).
Dieses Ergebnis kann in Gleichung (1) eingefügt werden, um Fc = 2mpmωpmΩyxpmcos(ωpmt) (5)zu erhalten. Gleichung (5) beschreibt den Betrag der Korioliskraft, der durch die schwingende Prüfmasse 2 erzeugt wird. Sie ist entlang der z-Richtung ausgerichtet und schwingt mit einer Frequenz der Prüfmasse.
Die Korioliskraft wird auf beide der zwei Resonatoren 3 und 4, die die Prüfmasse in der z-Richtung unterstützen, angewendet. Angenommen, dass die Biegestützen 8, 9, 10, und 11 vernachlässigbare Steifheit in der z-Richtung bieten, dann wird die auf die zwei Resonatoren angewendete Kraft Fc3 = Fc/2 (6) Fc4 = Fc/2 (7)worin F_c3 die auf den Resonator 3 angewendete Korioliskraft ist und F_c4 die auf den Resonator 4 angewendete Korioliskraft ist.
Es sollte angemerkt werden, dass die Resonatoren angeordnet wurden, so dass die Korioliskraft, die auf jeden Resonator angewendet wird in dem Betrag gleich aber in der Richtung entgegengerichtet ist. Beispielsweise, ist der Resonator 3 unter Spannung, dann ist der Resonator 4 zusammengedrückt.
Die Resonatoren 3 und 4 sind gebogen angebrachte "Strahl ähnliche" Strukturen, die eine mechanische Eigenresonanz und eine Empfindlichkeit gegenüber in der Ebene (z-Achse) liegende mechanische Kräfte, aufzeigen. In Abwesenheit von einer in der Ebene liegenden Kraft schwingt jeder Resonator mit einer Eigenresonanz, die durch die Masse und Steifheit der Struktur bestimmt wird. Wird eine in der Ebene liegende Kraft auf den Resonator angewendet, dann ändert sich die Frequenz mit einer Geschwindigkeit, die abhängig ist von der Knickbelastung der Struktur. Insbesondere, wenn die angewendete Kraft dehnend ist, dann erhöht sich die Frequenz des Resonators. Wenn die Kraft zusammendrückend ist nimmt die Frequenz ab. Diese Frequenzantwort ist gegeben durch ω = ωo + k1FT + k2FT 2 (8)worin ω_o die Eigenfrequenz des Resonators ist, k₁ der lineare Skalierungsfaktor der Frequenz ist, F_T die gesamte netto Kraft, die auf den Resonator, entlang der z-Achse angewendet wird und k₂ der nicht-lineare Skalierungsfaktor der Frequenz ist.
Der erste Ausdruck in dieser Gleichung ist die Eigenfrequenz des Resonators und wird durch die Masse und Steifheit der Struktur bestimmt. Der zweite Ausdruck dieser Gleichung ist der Ausdruck, der die Kraftempfindlichkeit des Resonators beschreibt. Der letzte in der Gleichung (8) gezeigte Ausdruck steht für die Nicht-Linearität der Kraftempfindlichkeit des Resonators. Darüber hinaus werden Ausdrücke höherer Ordnung durch die Strahltheorie vorhergesagt, sind aber gewöhnlich klein genug, dass sie für die meisten Analysen ignoriert werden können.
Die durch die Linearbeschleunigung und Rotationsgeschwindigkeit erzeugten Kräfte werden durch die Gleichungen (1), (6) und (7) erhalten. Ersetzen dieser in Gleichung (8) ergibt ω = ωo + Δωa(t) + Δωc(ωpm) + ωn(2ωpm) (9)worin Δω_a(t) die Frequenzverschiebung aufgrund von Beschleunigung und gleich mit k₁m_pma_z ist, Δω_c(ω_pm) die Frequenzverschiebung aufgrund von Rotation und gleich mit k₁2m_pmω_pmΩ_yx_pmcos(ω_pmt) ist und Δω_n(2ω_pm) die Frequenzverschiebung aufgrund von Nicht-Linearität ist und gleich mit k₂ (F_a + F_c)² ist.
Gleichung (9) zeigt die direkte Zeitabhängigkeit der verschiedenen Ausdrücke.
Insbesondere weisen der Beschleunigungsausdruck und der Korialisausdruck getrennte Zeitabhängigkeiten auf, die ihre Trennung in dem später beschriebenen Signalverarbeitungsschema gestatten werden.
Die Resonatoren sind ebenso zusätzlichen Parametern gegenüber empfindlich, die nicht Teil der zu erfassenden Trägheitsbewegung sind. Diese zusätzlichen Parameter tragen zu dem Sensorrauschen bei und könnten zu Unsicherheiten der Erfassung beitragen. Diese Fehlermechanismen werden beschrieben durch Δωe = ΔωT + Δωε + Δωg + Δωs (10)worin Δω_e die Frequenzverschiebung aufgrund von Fehlern ist, Δω_T die Frequenzverschiebung aufgrund von Temperatur ist, Δω_ε die Frequenzverschiebung aufgrund von Trägermaterialbelastung ist, Δω_g die Frequenzverschiebung aufgrund von elektrostatischen Lückenänderungen ist und Δω_s die Frequenzverschiebung aufgrund von Resonatorbeanspruchung ist.
Der erste Ausdruck in Gleichung (10) stellt die Änderung in der Frequenz bereit, die durch Änderungen in der Resonatortemperatur bewirkt wird. Für Silizium ist dieser Ausdruck in der Temperatur linear und wird definiert durch ΔωT = αTωoT (11)worin α_T der Temperaturkoeffizient ist und T die Temperatur ist.
Andere Resonatormaterialien wie etwa Quartz zeigen nicht-lineare Ausdrücke, die zu bedeutend sind um ignoriert werden zu können und es würde notwendig sein sie in diese Gleichung aufzunehmen.
Der zweite Ausdruck in Gleichung (11) beschreibt die Änderung in der Frequenz, die durch Beanspruchung in dem Sensorträgermaterial bewirkt wird. Diese Beanspruchung kann durch Befestigungsbeanspruchung, durch verbleibende Materialbeanspruchung, die während thermischer Herstellungszyklen und Sensorchipanordnung erzeugt wird, oder durch allgemeines Langzeitaltern, bewirkt sein. Insbesondere wird der Ausdruck definiert durch Δωε = k1εsEAr (12) worin ε_s die Trägermaterialbelastung ist, E der Umrechnungsfaktor von Elastizität (Elastizitätmodul) ist und A_Γ die Resonatorquerschnittsfläche ist.
Beide Gleichungen (11) und (12) beschreiben Erfassungsfehler, die relativ unabhängig von der Zeit sind und zumeist eine sehr langsame Zeitänderung aufweisen.
Der dritte Ausdruck in Gleichung (10) ist eine Anpassung, die durchgeführt werden muss, um die Änderung in der elektrostatischen Lücke des Resonators zu berücksichtigen, die auftritt, wenn die Prüfmasse in der x-Richtung schwingt. Bemerke, dass der Ausdruck zu der Prüfmassenbewegung um 90 Grad aus der Phase ist und schließlich durch die Signalverarbeitungselektronik entfernt werden wird. Der Ausdruck wird definiert durch Δωg = χxsin(ωpmt) (13)worin χ der elektrostatische Lückenkoeffizient ist.
Der letzte Ausdruck in der Gleichung (10) berücksichtigt eine Frequenzmodulation Rechnung, die durch Dehnen des Resonators bewirkt wird, wenn die Prüfmasse sich in der x-Richtung bewegt. Diese Bewegung erzeugt eine Spannung in dem Resonator, die dehnend für beide Richtungen der x-Bewegung ist. Als Ergebnis ist die Frequenzverschiebung, der durch Resonatordehnung bewirkt wird proportional dem Quadrat der Prüfmassenverschiebung gemäß Δωs = γx2 = 5γxpm 2(1 – cos2ωpmt) (14)worin γ gleich ist mit k₁EA_T/(2L²) und L die Länge des Resonators ist.
Bemerke, dass dieser letzte Ausdruck einen Zeit unabhängigen Teil aufweist und einen Teil, der mit der doppelten Prüfmassenfrequenz schwingt. Dies kommt daher, dass die Resonatordehnung proportional dem Quadrat der Prüfmassenverschiebung ist.
Jetzt können die Gleichungen (9) und (10) kombiniert werden, um die Antwort jeden Resonators zu analysieren. Beliebiges Zuordnen von Resonator 3 zu Kanal A und Resonator 4 zu Kanal B ergibt folgende Gleichungen. ωA = ωo + Δωa(t) + Δωc(ωpm) + Δωn(2ωpm) + Δω (15) ωB = ωo – Δωa(t) – Δωc(ωpm) + Δωn(2ωpm) + Δω (16)
Diese Gleichungen beschreiben die Frequenzausgabe jedes Kanals wie durch die Linearbeschleunigung, Rotationsgeschwindigkeit und ausgesuchten Fehlermechanismen moduliert. Die Spannungsausgaben von jedem Oszillator können ebenso bestimmt werden. Insbesondere wird die Spannungsausgabe von Kanal A erhalten durch VA = Vo(cos(ωA + M1Acos(ωpmt) + M2cos(ωpmt))) (17)worin V_o die Oszillator-Ausgabespannung ist, ωA = ωo + Δωa(t) + Δωn(t) + ΔωT + Δω (18) M1A = Mc + iMg (19)
M2 = Mn + MS (22)
Ähnliche Gleichungen werden für Kanal B wie folgt verwendet VB = Vo(cos(ωB + M1Bcos(ωpmt) + M2cos(ωpmt))) (25) ωB = ωo + Δωa(t) + Δωn(t) + ΔωT + Δωε (26) M1B = –Mc + Mg (27).
Gleichungen (15 bis 27) beschreiben jetzt die Ausgabe beider Kanäle bezüglich der Signalausgabe und der Fehlerausgabe. Beide Kanäle sind ähnlich und unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen, das den Signalausdrücken voransteht. Es wird nachfolgend gezeigt, dass alle Fehlerausdrücke durch die differentielle Zweistufennatur der MAC-Sensorgeometrie und elektronischen Signalverarbeitung ausgestrichen werden.
Jeder der Resonatoren 3 und 4 ist mit ihren eigenen Oszillatoren 13 und 14 verbunden. Jeder Oszillator ist seinerseits mit einem von zwei Signalverarbeitungswegen, die die getrennten Kanäle eines elektronischen Zweistufensystems ausmachen, verbunden. Da jeder Signalweg identisch ist, kann die Beschreibung des Signalverarbeitungssystems durch Erklärung lediglich eines Wegs abgedeckt werden.
Der Oszillator 14 tastet die augenblickliche Frequenz des Resonators 3 ab und stellt ein Feedbacksignal (Rüchkopplungssignal) gleicher Frequenz und Phase bereit, um die Vibrationsbewegung des Resonators aufrechtzuerhalten. Dieses Feedbacksiganl kann ebenso durch die Signalverarbeitungselektronik überwacht werden, um die augenblickliche Frequenz des Resonators zu bestimmen.
Bei normalem Betrieb werden alle Modulations-Kennziffern (M) bei einem viel geringeren Wert als Einheit beibehalten (durch Ausführung). Gemäß der Winkelmodulationstheorie kann die Ausgabe des Oszillators in getrennte Ausdrücke geteilt werden, wobei die Trägerwelle bei der unmodulierten Frequenz des Resonators arbeitet und zwei Seitenbänder bei der Summe und Differenz der modulierenden Frequenzen arbeiten. Dieser Vorgang, der als Überlagerung bekannt ist, wandelt ein Signal bei niedriger Frequenz (d. h., die Prüfmassenfrequenz) in ein Band von Frequenzen um, die um die höhere Frequenz des Resonators zentriert sind.
Die Oszillatorausgabe wird in der Demodulatorschaltung 16 nachgewiesen. Diese Schaltung könnte ein Phasenregelkreis (PLL) oder ein anderer Typ einer Frequenz-Diskriminatorschaltung sein. In beiden Fällen besteht die Funktion des Demodulators darin, die Trägerfrequenz zu identifizieren und sie von der Oszillatorausgabe zu trennen. Die Ausgabe des Demodulators ist das Trägersignal mit der durch Gleichung (18) für Kanal-A und Gleichung (26) für Kanal B gegebenen Frequenz. Diese Ausgabe enthält das Signal der Linearbeschleunigung wie auch Ausdrücke, die sich auf die Eigenfrequenz des Resonators, thermische Frequenzverschiebung, verbleibende Belastungswirkungen und Versetzungen, die durch Resonatordehnung und Nicht-Linearitäten bewirkt werden, beziehen.
Die zweite Ausgabe des Demodulators ist ein Signal, das die Zeit abhängigen Ausdrücke, die ursprünglicherweise den Resonator modulierten, enthalten. Diese Ausgabe ist eine AC Spannung, die gegeben ist durch V'A = αG(M1Asin(ωpmt) + M2sin(ωpmt)) (28)für Kanal A und durch V'B = = αG(M1Bsin(ωpmt) + M2sin(ωpmt)) (29)für Kanal B, worin α der Umrechnungskoeffizient (Volt/Hertz) der Frequenz ist und G der System-Verstärkungsfaktor (Volt/Volt) ist. Diese Ausgabe enthält das Signal der Rotationsgeschwindigkeit wie auch Fehlersignale, die durch Lückenschwankungen und Resonatordehnung bewirkt werden.
Gleichungen (15), (16), (28) und (29) sind Ausgaben des Resonators nach Verarbeitung durch die beiden Kanäle der Signalverarbeitungselektronik. Ein Paar dieser (Gleichungen 15 und 16) beschreiben die Signale, die verwendet werden, um die Linearbeschleunigung des Sensors zu bestimmen. Das verbleibende Paar (Gleichungen 28 und 29) stellen die Rotationsgeschwindigkeit bereit.
Insbesondere werden die Signale (Gl. 14 und Gl. 15) der Linearfrequenz in dem Differentialfrequenz-Zähler 18 kombiniert. Diese Schaltung erfasst die Frequenz von jeder seiner Eingaben und stellt eine Ausgabe bereit, die die Differenz der Eingaben ist. Dies führt zu der linearen Ausgabe ωA – ωB = 2Δωa(t) = 2k1mpmaz(t) = Δω (30)worin
ist.
Dies zeigt, dass die Frequenz der Endausgabe proportional zu der Linearbeschleunigung ist. Die Fehlerausdrücke des Gleichtakts, die durch die Eigenfrequenz des Resonators, thermische Verschiebungen, verbleibende Belastungen und Resonatordehnung bewirkt werden, sind durch die Differentialfunktion des Zweikanals-Zählers 18 ausgeglichen worden.
Die einzelnen, Einstufen Koriolisausgaben des MAC-Sensors werden mit dem Referenzsignal 19 der Prüfmasse bei dem Zweistufen, Synchrondetektor 17 zusammen verbunden. Diese Schaltung multiplizieren beide Koriolisausgaben durch das Referenzsignal der Prüfmasse, um die Zeit abhängigen Coninusfaktoren in Gleichungen (28) und (29) zu entfernen. Die einzigen Anteile dieser Signale, die kohärent und in Phase mit dem Referenzsignal der Prüfmasse sind, sind V''A = αGΔωc (32) V''B = –αGΔωc (33).
Aufgrund der differentiellen Natur von Detektor 17 ist seine Endausgabe |V''A – V''B| = |ΔV''| = 2αG|Δωc| = 2αG(2k1mpmωpmxpmΩy) (34)
Dies ist eine DC-Spannung, die proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit ist und verwendet werden kann, um diese Quantität unter Verwendung von
zu erfassen, worin β = 4αGk1mpmωpmxpm (36)ist.
Erneut, die Differentialfunktion dieser Schaltung hat die Fehlerausdrücke, die nicht kohärent mit der Prüfmasse sind, entfernt. Das Ergebnis ist ein Koriolissignal dessen Amplitude proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit und frei von Gleichtaktfehlern ist.
Gleichungen (31) und (32) beschreiben die Endausgaben des MAC-Sensors. Diese Gleichungen sind sehr genau, wenn Resonatoren 3 und 4 exakt identisch sind und die gleiche Resonanzfrequenzen und Empfindlichkeiten aufzeigen. Wenn aufgrund von Herstellungstoleranzen und Materialschwankungen die Resonatoren nicht ideal passen, dann könnten Gleichungen (31) und (35) zu Taylorreihen erweitert werden, die die Frequenzen oder elektrischen Spannungen beider Stufen verwenden würden. Diese erweiterten Formeln können genau kleine Unterschiede bei der Resonatorleistung berücksichtigen und können die Fehler, die sich aus diesen Unterschieden ergeben würden, modellieren.
Abschätzungen der Leistung des MAC-Sensors kann aus der vorstehenden Analyse berechnet werden. Beispielsweise listet Tabelle 1 Werte von MAC-Sensor-Parametern auf, die mit gegenwärtigen mikrofertigenden und elektronischen Ausführungspraktiken übereinstimmen.
Tabelle 1 – Leistungsabschätzungen
Diese Parameter sagen einen Skalenendwert der Beschleunigungsausgabe von 11,1 Khz bei einer Eingabe von 100 G (19,600 cm/sec²) voraus. Die Ausgabe der Rotationsgeschwindigkeit würde 4,96 Volt mit einer Eingabe von 200°/sec (3,49 rad/sec) sein. Dies zeigt, dass sowohl Ausgaben der Linearbeschleunigung als auch der Rotations-(bzw. rationalen)geschwindigkeit durch den MAC-Sensor in der Größe vernünftig sind und einfach erfasst werden können.
Der mikrogefertigte Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor ist eine einzigartige Ausführung, die einige inhärente Vorteile aufweist. Alle diese Merkmale stammen aus der Geometrie des Aufhängungssystems, das verwendet wird, um die Prüfmasse und den Resonator innerhalb des Sensorchips zu stützen.
Die Tatsache, dass lediglich eine Prüfmasse notwendig ist, um differentielle Ausgaben für sowohl Linear- als auch Winkelerfassungen zu erzeugen, bietet einige Vorteile. Der Erste ist eine Verringerung in der Größe von ungefähr 2 zu 1 relativ zu der Zwei-Prüfmassen-Ausführung. Dies verringert nicht nur die Größe des endgültigen Sensorchips, sondern erhöht ebenso die Anzahl von Chips, die auf einem einzelnen Herstellungswafer angeordnet werden können. Wenn in großen Mengen hergestellt, dann kann diese letzte Wirkung die Kosten des einzelnen Chips erheblich verringern.
Die Verwendung lediglich einer Prüfmasse verringert ebenso die Energieerfordernisse, die notwendig sind, um die Prüfmasse in Vibration zu versetzen, wenn sie mit Zwei-Prüfmassen-Vorrichtungen verglichen wird. Nicht nur gibt es da weniger Masse zu bewegen, sondern es gibt dort keine Notwendigkeit für mechanische Verbindungen der Phasensteuerung zwischen getrennten Prüfmassen.
Es gibt wichtige Leistungsvorteile, die aus einer Einzel-Prüfmassen-Ausführung stammen. Diese beziehen sich auf die verbesserte Symmetrie, die für differentiellen, Zweipunktbetrieb erreicht werden kann. Insbesondere ereignen sich Erfassungsfehler bezogen auf Unterschiede in der Prüfmassen-Temperatur, Vibration und Ausrichtung in einer Einzel-Prüfmassen-Vorrichtung nicht, da diese Unterschiede nicht vorhanden sind.
Die Komplexität des in 1 gezeigten Aufhängungssystems unterscheidet sich von früheren Ansätzen in der Anzahl und Form der Biegungen, die notwendig sind, um Prüfmasse und Resonatorbewegung zu steuern. Der MAC-Sensor verwendet weniger Biegungen und erfordert keine Ätztechniken hohen Aspekts (high aspect etching techniques), die benötigt werden, um Biegungen herzustellen, die lang und eng sind. Als ein Ergebnis wird die Anzahl von Lithographiemasken und die Schwierigkeit des mikrofertigenden Vorgangs verringert. Die Verwendung breiter, kurzer Biegungen erhöht ebenso die Stärke der Struktur, da Materialbelastungen für diese Geometrien verringert sind.
Ein anderer Vorteil der MAC-Ausführung ist eine Vereinfachung der in der Struktur inhärenten Vibrationsmodi. Die Verringerung der verschiedenen Biegungen in Anzahl und Komplexität verringert die Anzahl und erhöht die Frequenztrennung nicht erwünschter, parasitärer Modi. Diese verringert das notwendige Bemühen, um die Struktur auszuführen und verbessert die gesamte Erfassungsleistung.
Der MAC-Sensor unterscheidet sich von früheren Vorrichtungen darin, dass die Rasterbewegung der Prüfmasse anstelle parallel senkrecht zu der Waferoberfläche liegt. Diese gestattet größere Genauigkeit bei der Ausrichtung der Kräfte, die die Rasterbewegung erzeugen und in den Biegestrukturen, die diese Bewegung steuern.
Abwechselnde/alternative Ansätze vertrauen auf externe Teile, wie etwa Magnete und Polschuhe, die die Ausrichtung von in der Ebene befindlichen Rasterkräften bewirken können. Diese externen Teile sind gegenüber ihren Befestigungsstrukturen empfindlich und können sich aufgrund von Handhabung und Alterung der gesamten Sensoranordnung verschieben oder ändern. Diese Wirkungen sind in der MAC-Geometrie verringert, da die elektrostatischen Platten, die die senkrechten Rasterkräfte bestimmen, integraler Teil jeden MAC-Sensorchips sind.
Ein anderer Vorteil von senkrechter Bewegung bezieht sich auf die Isolation orthogonaler Vibrationsmodi. Die Frequenz der Prüfmasse in senkrechter Richtung ist erheblich niedriger als die in der Ebene befindlichen Richtungen. Diese bedeutet, dass die Isolation dieser Modi und die Fähigkeit nicht erwünschte in der Ebene befindliche Rasterbewegung zu beseitigen, verbessert ist.
Sowohl die Prüfmasse als auch die Resonatoren verwenden elektrostatische Felder, um ihre Vibrationsbewegung zu erzeugen. Da die exakte Frequenz eines elektrostatischen Resonators durch Verwendung einer externen DC-Vorspannung in diesen Feldern angepasst werden kann, ist es möglich, nachdem der Sensorchip herstellt worden ist, die Prüfmassen- und die Resonatorfrequenzen fein abzustimmen. Dies bedeutet, dass leichte Änderungen in der Frequenz oder elektronischen Antwort, die durch Herstellungstoleranzen verursacht sind, nach der Herstellung korrigiert werden können. Dies wird durch Anpassung der DC-Vorspannungen, die durch ihre externe Elektronik auf die MAC-Chips angewendet wird, ausgeführt.
Folgend sind einige alternative Anordnungen, die der MAC-Sensor nehmen kann, dargelegt.
Der MAC-Sensor kann aus anderen als den vorstehend genannten Materialen hergestellt werden. Insbesondere die Pyrexaufsätze 24 und 25 könnten aus Silizium hergestellt werden. Dies würde die verbleibenden Belastungen verringern, die durch Unterschiede bei thermischer Ausdehnung zwischen Pyrex und Silizium verursacht werden. Während die Verwendung von Siliziumaufsätzen die Verbindung und Prüfung des Chips komplizierter gestalten würde, ist die Ausführung mit beiden Materialien vereinbar und die endgültige Wahl des Materials kann abhängig sein von den Anwendungen für die der Chip gestaltet ist.
Es ist für den MAC-Chip möglich Linear- und Winkelbewegungen getrennt zu erfassen und die Vorrichtung als einen individuellen Beschleunigungsmesser oder Coriolis-Rotationssensor zu verwenden. Da die Fähigkeit Linearbeschleunigung zu erfassen durch Rotationserfassung bewirkt wird, ist es möglich die Erfassung einer Größe auf Kosten der anderen zu optimieren. Diese Vorrichtung ist mit solchen Anwendungen vereinbar, in denen getrennte Beschleunigungs- und Rotationssensoren von besserer Leistung vorteilhaft sind.
Die in 1 gezeigte Sensorgeometrie kann geändert werden, um einen in 4 gezeigten Vier-Achsensensor herzustellen. Ein solcher Sensor weist die in 1 gezeigten Biegungen 8, 9, 10 und 11 auf, die durch zusätzliche Resonatoren 29 und 30 ersetzt sind. Es kann aus der Symmetrie des Chips ersehen werden, dass diese zusätzlichen Resonatoren eine Erfassungsfähigkeit für Linearbeschleunigungen in der y-Achse und Rotationsgeschwindigkeiten entlang der z-Achse zeigen würden. In dieser Ausführungsform würde ein Chip für solche Anwendungen als zwei Beschleunigungsmesser und zwei Rotationssensoren arbeiten, in denen dies vorteilhaft wäre.
Der MAC-Sensor könnte angeordnet sein, um als ein vollständiger Sechs-Achsensensor zu arbeiten, wenn (er) wie in 5 gezeigt geändert ist. Diese Anordnung ist der in 4 gezeigten ähnlich mit dem Zusatz von neuen Resonatoren 33 und 34. Diese Resonatoren sind angeordnet worden, so dass Rotationsbeschleunigung um die x-Achse erfasst werden kann.
Insbesondere würde eine Rotationsbeschleunigung um die x-Achse Resonator 3 eine Dehnbelastung hinzufügen, während in Resonator 33 eine Kompressionsbelastung erzeugt wird. Diese Rotationsbeschleunigung könnte erfasst werden durch Aufnehmen des Unterschieds in den Frequenzen dieser zwei Resonatoren, unter Verwendung der vorstehend diskutierten Signalverarbeitungstechniken. Erfassen des Frequenzunterschieds zwischen Resonatoren 29 und 34 würde Empfindlichkeit zu dieser Erfassung hinzufügen und zu der Verwerfung von diesem Erfassungsmodus üblichen Fehlern beitragen.
Erfassungen von Linearbeschleunigung entlang der x-Achse können durch Ausführen genauer Erfassungen des Rastersignals der Prüfmasse erhalten werden. Wenn eine DC-Vorspannung zwischen den Prüfmassen-Elektroden auf die Chipaufsätze 24 und 25 angewendet wird, dann wird die Durchschnittsfrequenz der Prüfmasse abhängig von der Gleichgewichtsstellung der Prüfmasse. Da diese Gleichgewichtsstellung durch Kräfte bewirkt wird, die in der x-Richtung angewendet werden, kann die Linearbeschleunigung entlang der x-Achse aus der Durchschnittsfrequenz der Prüfmasse bestimmt werden. Mit anderen Worten kann die Erfassung der Referenzfrequenz 19, die von dem Prüfmassenoszillator 12 kommt die Linearbeschleunigung in der x-Richtung bestimmen.
Da der MAC-Sensor der vorliegenden Erfindung nun vollständig beschrieben ist, kann daher gesehen werden, dass die vorstehend genannte Hauptaufgabe wirksam vollbracht ist, und da bestimmte Änderungen an dem vorstehend beschrieben MAC-Sensor ausgeführt werden können ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, ist es beabsichtigt, dass der gesamte, in der vorstehenden Beschreibung enthaltene oder in der beigefügten Zeichnungen gezeigte Inhalt, als erläuternd verstanden werden soll und nicht in einem beschränkenden Sinn.
Der Umfang der Erfindung ist gekennzeichnet durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Mikrogefertigter Beschleunigungs- und Coriolis-Sensor (100) zum Messen von Linear- und Winkelbewegungen, wobei der genannte Sensor Folgendes umfasst: ein Substrat mit einem Hauptkörpereil (1), der mit einer Prüfmasse (2) in dem genannten Hauptkörperteil durch eine Mehrzahl von dazwischen gebildeten Resonatoren (3, 4) verbunden ist, wobei die genannte Prüfmasse eine erste Eigenresonanzfrequenz hat, wobei die genannte Mehrzahl von Resonatoren eine zweite Eigenresonanzfrequenz hat, wobei die genannte Prüfmasse die Aufgabe hat, die genannte Mehrzahl von Resonatoren jeweils als Reaktion auf Linear- und Winkelbewegungen des genannten Substrats mit Linearbeschleunigungs- und Rotational-Coriolis-Kräften zu beaufschlagen; eine erste Mehrzahl von Elektroden, die neben der genannten Prüfmasse angeordnet sind, wobei die genannte erste Mehrzahl von Elektroden die Aufgabe hat, die genannte Prüfmasse mit elektrostatischen Kräften zu beaufschlagen, um deren Vibration mit der genannten ersten Eigenresonanzfrequenz zu bewirken; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Resonatoren (3, 4), die die Prüfmasse (2) mit dem Hauptkörperteil (1) verbinden, auf gegenüberliegenden Seiten der genannten Prüfmasse angeordnet ist, und eine zweite Mehrzahl von Elektroden neben den genannten gegenüberliegend angeordneten Resonatoren angeordnet sind, um diese gleichzeitig mit der von der ersten Mehrzahl von Elektroden bewirkten Vibration der Prüfmasse auf der genannten zweiten Eigenresonanzfrequenz zu erregen, wobei die genannte Erregung und Vibration lotrecht zueinander gerichtet sind, und dadurch, dass ein elektronischer Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) zum Erregen der genannten ersten Mehrzahl von Elektroden und der genannten zweiten Mehrzahl von Elektroden und zum Erfassen von Modulationen in der genannten zweiten Eigenresonanzfrequenz der genannten Mehrzahl Resonatoren vorgesehen ist, die durch die genannten Linearbeschleunigungs- und Rotations-Coriolis-Kräfte bewirkt werden, um Beschleunigungs- und Rotationssignale zu erzeugen, die jeweils die genannte Linear- und Winkelbewegung des genannten Substrats anzeigen.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem die genannte erste Eigenresonanzfrequenz eine geringere Größe hat als die genannte zweite Eigenresonanzfrequenz.
Sensor nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Paar Aufsätze (24, 25), die auf das genannte Substrat gebunden sind, um die genannte erste Mehrzahl von Elektroden und die genannte zweite Mehrzahl von Elektroden zu tragen.
Sensor nach Anspruch 3, bei dem das genannte Paar Aufsätze (24, 25) einen oberen Aufsatz (24) und einen unteren Aufsatz (25) umfasst, wobei der genannte obere Aufsatz auf eine Oberseite des genannten Substrats (1) gebunden ist, wobei der genannte untere Aufsatz auf eine untere Seite des genannten Substrats gebunden ist, und wobei in den genannten oberen und den genannten unteren Aufsatz Mulden (26) eingeformt sind, die eine Vibration der genannten Prüfmasse (2) mit der genannten ersten Eigenresonanzfrequenz und eine Vibration der genannten Mehrzahl von Resonatoren (3, 4) mit der genannten zweiten Eigenresonanzfrequenz zuzulassen.
Sensor nach Anspruch 4, bei dem in dem genannten oberen Aufsatz (24) galvanisierte Durchführungslöcher (35) ausgebildet sind, um elektrische Verbindungen zwischen dem genannten elektronischen Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) und der genannten ersten Mehrzahl von Elektroden und der genannten zweiten Mehrzahl von Elektroden zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem der genannte elektronische Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) einen Prüfmassenoszillator (12) zum Erregen der genannten ersten Mehrzahl von Elektroden umfasst.
Sensor nach Anspruch 6, bei dem der genannte Prüfmassenoszillator (12) die Aufgabe hat, die genannte erste Eigenresonanzfrequenz der genannten Prüfmasse (2) zu erfassen und einen darauf bezogenen Referenzfrequenzausgang zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem der genannte elektronische Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) Prüfmassenoszillatoren (13, 14) zum Erregen der genannten zweiten Mehrzahl von Elektroden umfasst.
Sensor nach Anspruch 8, bei dem die genannten Prüfmassenoszillatoren (13,14) die Aufgabe haben, Modulationen in der genannten zweiten Eigenresonanzfrequenz der genannten Mehrzahl von Resonatoren (3, 4) zu erfassen und darauf bezogene frequenzmodulierte (20, 22) Ausgänge zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 9, bei dem der genannte elektronische Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) ferner Demodulatoren (15, 16) zum Verarbeiten der genannten frequenzmodulierten Ausgänge und zum Erzeugen von Linearbeschleunigungssignalen und Rotationsgeschwindigkeitssignalen umfasst.
Sensor nach Anspruch 10, bei dem der genannte elektronische Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) ferner einen Differentialsynchrondetektor (17) zum Verarbeiten der genannten Rotationsgeschwindigkeitssignale und zum Erzeugen von Differential-Rotationsgeschwindigkeitssignalen umfasst.
Sensor nach Anspruch 10, bei dem der genannte elektronische Schaltkomplex (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 27, 28) ferner einen Differentialfrequenzzähler zum Verarbeiten der genannten Linearbeschleunigungssignale und zum Erzeugen von Differential-Linearbeschleunigungssignalen umfasst.