DE69735759T2

DE69735759T2 - Mikrogefertigter vibrationsdrehgeschwindigkeitskreisel

Info

Publication number: DE69735759T2
Application number: DE69735759T
Authority: DE
Inventors: A. William Fremont CLARK; Thor Berkeley JUNEAU; T. Roger Lafayette HOWE
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2017-05-31
Also published as: AU3474497A; WO1997045699A2; EP0902876A4; US5992233A; WO1997045699A3; DE69735759D1; EP0902876B1; US6296779B1; JP2002515976A; EP0902876A1; US6067858A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikrogefertigte Sensoren im allgemeinen und im speziellen auf mikrogefertige Kreiselsensoren.
Multiachsensensoren sind zur Trägheitserfassung der Bewegung in drei Dimensionen hochbegehrt. Bisher sind solche Sensoren aus relativ großen und teuren elektromagnetischen Bauteilen gefertigt worden. Erst vor kurzer Zeit sind mikromechanische Sensoren mittels Halbleiterverarbeitungstechniken hergestellt worden. Speziell mikromechanische Beschleunigungsmesser und Kreiselgeräte sind mittels photolithografischer Techniken aus Silizium-Wafern hergestellt worden. Solche mikrogefertigten Sensoren versprechen Massenproduktionstauglichkeit und dadurch niedrige Kosten.
Eine Zielsetzung in der Konstruktion mikrogefertigter Sensoren ist es, die Sensitivität zu erhöhen und das Signal-/Rauschverhältnis des Bauteils zu verbessern. Ein weiteres Ziel ist es, die Fertigungsschritte zu vereinfachen, sodass im Herstellungsverfahren die Kosten und Komplexität reduziert und die Ausbeute erhöht werden.
Die Integration dreier Kreiselsensoren zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit um die drei mit Beschleunigungssensoren gekoppelten, separaten Achsen, um die Beschleunigung entlang der drei Achsen auf einem einzelnem Baustein zu bestimmen, würde ein monolithisches Inertialmesssystem mit sechs Freiheitsgraden bieten, das dazu in der Lage wäre, alle möglichen Translationen und Orientierungen des Bausteins zu messen.
Es wäre nützlich, einen Kreiselsensor zur Messung der Rotation um die Achsen parallel zur Oberfläche eines Substrats bereitzustellen, auf dem der Kreiselsensor hergestellt ist. Fer ner wäre es nützlich, einen Kreiselsensor mit reduziertem Rauschen zur Verfügung zu stellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bietet einen Sensor zur Messung der Rotation über einen Eingabezugang, wobei der Sensor umfasst: ein Substrat (24); eine durch ein Aufhängungssystem (30) mit dem Substrat verbundenen Masse (22), um der Masse eine Bewegung relativ zum Substrat zu ermöglichen; ein Antriebssystem zur Verursachung von Schwingung der Masse im Wesentlichen entlang einer Antriebsachse (X-Achse) in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Substrats; eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern (38), die von der Masse im Wesentlichen entlang der Antriebsachse zeigen, um bewegliche Messelektroden (56) zu bilden; eine zweite auf dem Substrat angeordnete Vielzahl von Elektrodenfingern (70), um stationäre Messelektroden (62) zu bilden, wobei die zweite Vielzahl an Elektrodenfingern paarweise angeordnet ist, jedes Paar einen rechten Finger (74) und einen linken Finger (76) einschließt, wobei die erste Vielzahl von Elektrodenfingern derart mit der zweiten Vielzahl der Elektrodenfingern ineinadergreift, dass jeder Elektrodenfinger der ersten Vielzahl neben einem linken Finger und einem rechten Finger der zweiten Vielzahl liegt; einer oder mehr Gleichspannungsquellen (120, 122, 124, 126) zur Anlegung verschiedener Spannungen an die linken und rechten Fingern in einer zweiten Vielzahl, um zu bewirken, dass die Masse in Abwesenheit einer Coriolis-Kraft entlang der Antriebsachse schwingt; und einem Positionssensor (80) zur Messung der Auslenkung der Masse entlang der Sensorachse (y-Achse) in der Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats.
Ein Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bietet eine wie in Anspruch 18 beanspruchte Methode.
Andere bevorzugte Merkmale von Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung schliessen Folgendes ein. Der Kreiselsensor misst die Rotation um eine Achse parallel zu der Oberfläche des Substrats. Der Kreiselsensor hat einen reduzierten Quadraturfehler. Der Kreiselsensor kann eine Vibrationsstruktur und ineinandergreifende Elektroden mit einer hohen Verhältniszahl umfassen. Der Kreiselsensor hat einen signifikant reduzierten Rauschpegel.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung ersichtlich, einschließlich der Zeichnungen und Ansprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Federmassensystems, das einem elektrostatischen Kreisel entspricht.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines mikrofabrizierten Kreiselsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Draufsicht der beweglichen Elemente des Kreiselsensors aus 2.
4 ist eine schematische Draufsicht der unbeweglichen Elemente des Kreiselsensors aus 2.
5 ist eine schematische Draufsicht des Antriebssystems des Kreiselsensors aus 2.
6 ist eine schematische Draufsicht des Sensorsystems des Kreiselsensors aus 2.
7A–7C sind schematische Illustrationen der Bewegung der Messmasse unter dem Einfluss der Coriolis-Beschleunigung und dem Quadraturfehler.
8A ist ein schematischer Schaltplan eines Integrators, der dafür verwendet wird, um die Position der Messmasse in dem Kreiselsensor zu messen.
8B ist ein schematischer Schaltplan, in dem der Integrator aus 8A durch einen Spannungspuffer ersetzt ist.
8C ist ein schematischer Schaltplan, in dem der Integrator aus 8A einen Unterschwellenwert-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet.
9 ist eine schematische Darstellung des signalverarbeitenden Schaltkreises eines Kreiselsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Foto eines hergestellten Kreiselsensors.
11 ist ein Graph, der die Antwort des Kreiselsensors auf die Rotation um die z-Achse zeigt.
12 ist ein Graph, der die Antwort der y-Achsen-Resonanzfrequenz auf eine angelegte Vorspannung zeigt.
13 ist ein Graph, der die Antwort des Quadraturfehlers auf ein angelegtes Spannungsdifferential zeigt.
14 ist eine schematische Draufsicht eines Kreiselsensors, in dem die Mess-, Betriebs- und Quadraturkorrektionsfunktionen durch verschiedene Elektrodenstrukturen verrichtet werden.
15 ist eine schematische Darstellung des Schaltkreises des Kreiselsensors.
16 ist eine schematische Darstellung eines Federmassensystems, das einem zweiachsigen elektrostatischen Kreiselgerät entspricht.
17A ist eine schematische Draufsicht eines zweiachsigen Kreiselsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
17B ist ein Photo eines hergestellten zweiachsigen Kreiselsensors.
18 ist eine schematische Darstellung des elektronischen Schaltkreises des zweiachsigen Kreiselsensors aus 17A.
19 ist eine Schnittzeichnung entlang Linie 19-19 der 17A, die schematisch die durch die Quadraturkorrekturelektroden erzeugten Feldlinien zeigt.
20 ist eine schematische Draufsicht eines zweiachsigen Kreiselsensors, wobei das Quadraturkorrektursystem Elektrodenplatten umfasst.
21 ist eine schematische Darstellung des Schaltkreises eines Kreiselsensors, in dem die Mess-, Betriebs- und Quadraturfunktionen in einer einzelnen Elektrodenstruktur kombiniert sind.
22 ist eine schematische perspektivische Darstellung eine Kreiselsensors, der mit einer Schwingstruktur hoher Verhältniszahl gefertigt wurde.
23 ist ein schematisches Schaltbild der signalverarbeitenden Schaltkreise des Kreiselsensors aus 22.
24A–24G sind schematische Schnittzeichnungen, die Herstellungsschritte des Kreiselsensors aus 22 zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bezug nehmend auf 1 arbeitet ein z-Achsen Schwingungsratenkreiselgerät, indem er Coriolis-Beschleunigung erzeugt und misst. Die funktionale Arbeitsweise des z-Achsen Schwingungsratenkreiselgeräts der vorliegenden Erfindung ist durch ein entsprechendes Federmassensystem dargestellt. In einem Schwingungsratenkreiselgerät 10 wird eine Messmasse 12 durch eine bewegliche Aufhängung 14 von einem steifen Rahmen 16 getragen. Weil sich der Rahmen um die z-Achse dreht, wird die Messmasse 12 durch eine Antriebskraft F_D entlang der X-Achse (der Antriebsbetrieb) zum Schwingen angeregt. Die Kombination aus Rotation und Schwingung erzeugt entlang der Y-Achse eine Coriolis-Kraft F_C auf die schwingende Messmasse. Die Coriolis-Beschleunigung wird als eine Auslenkung der Messmasse entlang der Y-Achse detektiert (der Messbetrieb).
Bezug nehmend auf 2 umfasst ein gemäß vorliegender Erfindung konstruierter mikrogefertigter Kreiselsensor 20 ein mikroelektromechanisches Messelement oder Korrekturmasse 22, die mit einem steifen Rahmen oder Substrat 24 verbundenen ist. Der Kreiselsensor 20 misst die z-Achsen-Schwingungsrate, d.h. die Rotation um die Achse, die senkrecht zur mikrogefertigten Oberfläche 26 des Substrats 24 steht. Der mikrogefertigte Kreiselsensor 20 schließt drei Hauptelemente ein: Ein Aufhängungssystem 30, ein Antriebssystem 32, das dafür benutzt wird, um die Oszillation der Messmasse entlang der X-Achse aufrechtzuerhalten, und ein Messsystem 34, das dafür benutzt wird, um sowohl Auslenkungen der Messmasse 22 entlang der Y-Achse zu detektieren als auch um elektrostatische Kräfte anzulegen, um jeglichen Quadraturfehler so zu beheben, wie es im Folgenden detailliert beschrieben wird.
Bezug nehmend auf 3 kann das Aufhängungssystem 30 mit integrierter Messmasse 22 gebaut sein. Das Aufhängungssystem 30 trägt die Messmasse, sodass sie in einer Ebene parallel zur Oberfläche 26 schwingen kann. Das Aufhängungssystem 30 hält die Messmasse 22 beispielsweise ungefähr zwei Mikrometer oberhalb der Substratoberfläche. Die Gesamtmasse der Messmasse 22 kann ca. 0,1 bis 0,3 Mikrogramm sein. Das Aufhängungssystem 30 ist im großen und ganzen H-förmig, mit zwei Parallelbalken 40 und 42, die im Allgemeinen entlang der X-Achse angeordnet sind. Jeder Balken kann ca. 500 bis 1000 Mikrometer lang sein, speziell ca. 800 Mikrometer lang. Das Ende jedes Balken ist mit einer Verankerung 44 verbunden, die das Aufhängungssystem mit dem Substrat verbindet (siehe 2). Das Ende eines jeden Balkens kann eine geknickte oder J-förmige Biegung einschließen (siehe 3). Alternativ können die Balken 40 und 42 gerade sein.
Zwei Balken oder Querverstrebungen 46 und 48 verbinden den Balken 40 mit dem Balken 42. Die Querverstrebungen 46 und 48 können ca. 800 Mikrometer lang sein und sind so angeordnet, dass sie die Balken 40 und 42 dritteln. Zwei Querbalken 50 und 52 verbinden die Querverstrebungen 46 und 48. Ein dritter Balken oder Querverstrebung 54 kann die Mitte des Querbalkens 50 mit der Mitte des Querbalkens 52 verbinden.
Die beweglichen Elemente des Aufhängungssystems 30 sind aus polykristallinem Silizium gefertigt und haben z.B. eine Breite und Dicke in der Größenordnung von zwei Mikrometer. Die Verankerungen können ca. 8 Quadratmikrometer sein.
Das Aufhängungssystem 30 ist konzipiert, um entlang der X-Achse und Y-Achse flexibel und in Richtung der anderen Schwingungsmoden so steif wie möglich zu sein. Insbesondere bedeutet das, dass das Aufhängungssystem im Wesentlichen unnachgiebig bzgl. Rotation um die Z-Achse sein muss, da kleine Rotationen das Leistungsvermögen des Kreiselsensors herabsetzen können. Große Auslenkungen können ebenso dazu führen, dass die beweglichen Elektrodenfinger in die stationären Elektrodenfinger geraten. Das Aufhängungssystem bietet die notwendige Nachgiebigkeit bezüglich Translationen, während es die rotationale Steifheit durch Verdickung der Bereiche von Balken 40 und 42 aufrechterhält, die zwischen den Querverstrebungen 46 und 48 angeordnet sind, um die Streben 41 und 43 zu bilden. Die Streben 41 und 43 können eine drei- bis vierfache Breite der übrigen Balken haben, d.h. ca. sechs bis acht Mikrometer. Die Bereiche der Querverstrebungen 46, 48 und 54, von denen Finger vorstehen, können eine Breite von ungefähr vier Mikrometer haben.
Die Messmasse 22 schließt ferner eine Vielzahl von Fingerelektroden (oder einfach Fingern) ein, die dafür verwendet werden, um Messmassenschwingungen entlang der X-Achse und y-Achse anzutreiben und zu erfassen. Eine Vielzahl von langen Fingern 38 stehen auswärts gerichtet entlang der X-Achse von den Querverstrebungen 46 und 48 hervor und eine Vielzahl von kurzen Fingern oder Stummeln 39 stehen einwärts gerichtet entlang der X-Achse von den Querverstrebungen 46, 48 und 54 vor. Die Querverstrebungen 46 und 48 bilden die Rückgrate und die langen Finger 38 bilden die Gabel zweier beweglicher Messelektroden 56. Ähnlich bilden die Querverstrebungen 46, 48 und 54 die Rückgrate und die kurzen Finger 39 bilden die Gabel zweier beweglicher Antriebselektroden 58 und zweier beweglichen Rückkopplungselektroden. Die kurzen Finger 39 können ca. zehn bis fünfundzwanzig Mikrometer lang, speziell fünfzehn Mikrometer lang sein, wohingegen die langen Finger 38 ca. einhundert bis zweihundert Mikrometer lang sind, speziell einhundertundfünfzig Mikrometer lang.
Bezug nehmend auf 4 können eine oder mehrere stationäre Antriebselektroden, eine oder mehrere stationäre Rückkopplungselektroden und eine oder mehrere stationäre Messelektroden starr mit dem Substrat 24 verbunden sein. Zum Beispiel können zwei stationäre Antriebselektroden 60a, 60b relativ zueinander in gegensätzlicher Konfiguration angeordnet sein. Gleichermaßen können sich zwei stationäre Rückkopplungselektroden 61a, 61b in gegensätzlicher Konfiguration gegenüberstehen. Jede stationäre Antriebselektrode 60a, 60b und jede stationäre Rückkopplungselektrode 61a, 61b umfasst eine Vielzahl an kurzen Fingern 66. Stationäre Antriebs- und Rückkopplungselektroden 60a, 60b und 61a, 61b können ein paar bis Dutzende Finger haben. Kurze Finger 66 können eine Länge von ungefähr fünfzehn Mikrometern und eine Breite von ungefähr drei bis sechs Mikrometern haben. Die Breite kann beispielsweise vier Mikrometer sein.
Zwei stationäre Messelektroden 62a, 62b können sich in gegensätzlicher Konfiguration gegenüberstehen. Stationäre Messelektroden 62a, 62b schließen eine Vielzahl von langen Fingern 70 ein. Jeder lange Finger 70 ragt von einer Basis 72 hervor. Die Finger der stationären Messelektroden 62a sind paarweise angeordnet, wobei jedes Paar einen rechten Finger 74a und einen linken Finger 76a hat. Auf ähnliche Weise sind die Finger der stationären Messelektrode 62b in Paaren angeordnet, wobei jedes Paar einen rechten Finger 74b und einen linken Finger 76b hat. Jeder lange Finger 70 kann ungefähr einhundertundfünfzig Mikrometer lang und ungefähr vier Mikrometer breit sein.
Bezug nehmend auf 5 schließt das Antriebssystem 32 bewegliche und stationäre Antriebselektroden 58 und 60a, 60b und bewegliche und stationäre Rückkopplungselektroden 59 und 61a, 61b ein. Ein Satz kurzer Finger 39 ist mit den kurzen Fingern 66 der stationären Antriebselektroden 60a, 60b ineinander verschränkt. Ein weiterer Satz kurzer Finger 39 ist mit kurzen Fingern 66 der stationären Rückkopplungselektroden 61a, 61b verschränkt. Kurze Finger 39 der beweglichen Elektroden 58 und 59 und kurze Finger 66 der stationären Elektroden 60a, 60b und 61a, 61b können aus derselben Schicht aus polykristallinem Silizium vor dem Entfernen der Opferschicht sein, sodass die Finger koplanar sein können.
Die Antriebselektroden des Antriebssystems 32 wirken als elektromechanische Wandler. Durch das Anlegen einer Wechselspannung zwischen zwei stationären Antriebselektroden 60a, 60b und beweglichen Antriebselektroden 58 wird die Messmasse 22 gezwungen, entlang der X-Achse zu schwingen oder sich hin- und herzubewegen. Die Bewegung entlang der X-Achse bewirkt eine Biegung in den Querverstrebungen 46 und 48, sodass sich die Messmasse 22 in Richtung zu den stationären Antriebselektroden 60a, 60b und wieder von ihnen weg bewegen kann. Eine ausführlichere Erklärung der Verhaltensweise des im Betrieb befindlichen Antriebssystems 32, um Schwingungen der Messmasse 22 aufrecht zu erhalten, kann im U.S. Patent Nr. 5 025 346, ausgestellt am 18. Juni 1991 auf Tang et al., mit dem Titel „Laterally Driven Resonant Microstructures" gefunden werden, welches an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, wobei die gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme einfließt, und im U.S. Patent Nr. 5 491 608, ausgestellt am 13. Februar 1996 auf Nguyen, mit dem Titel „Q-controlled Microresonators and Tunable Electronic Filters Using Such Resonators", das an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, wobei die gesamte Offenbarung hierin durch Referenz einfließt.
Bezug nehmend auf 6 schließt ein Messsystem 34 stationäre Messelektroden 62a, 62b und bewegliche Messelektroden 56 ein. Die langen Finger 38 der beweglichen Messelektroden 56 und die langen Finger 70 der stationären Messelektroden 62a, 62b sind mit jedem langen Finger 38 verschränkt, der zwischen einem rechten Finger 74a, 74b und einem linken Finger 76a, 76b der Messelektroden 62a, 62b angeordnet ist. Der Abstand, Y₀, zwischen den Fingern 70 und den Fingern 38 kann ungefähr ein Mikrometer sein. Die Finger 38 und 70 können aus derselben Schicht polykristallinem Silizium geformt sein, sodass die Finger koplanar sind. Demzufolge können alle der Antriebs- und Messelemente in demselben Herstellungsschritt gefertigt werden. Zusätzlich arbeiten der Antriebsbetrieb und der Messbetrieb in der zur Oberfläche des Substrats 24 parallelen X-Y-Ebene. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden wird, wird das Messsystem 34 dazu verwendet, um die Auslenkung der Messmasse 22 entlang der Y-Achse zu erfassen, um elektrostatische Kräfte anzulegen, um den Effekt einer Quadraturstörung auszugleichen und zu eliminieren und um die Resonanzfrequenz der Y-Achsen Schwingungen der Messmasse abzustimmen.
Wie oben erörtert bewirkt das Antriebssystem 32, dass die Messmasse 22 entlang der X-Achse schwingt. Die Position der Messmasse entlang der X-Achse, x(t), ist durch die folgende Gleichung gegeben: x(t) = X0 sinωxt, (1)wobei X₀ die Amplitude der Schwingung ist und ω_x die Frequenz der Antriebsspannung (und somit die Schwingungsfrequenz) ist. Die Frequenz der Antriebsspannung ω_x kann zwischen 7 kHz und 100 kHz liegen und die Antriebsspannung kann hinreichend sein, um zu bewirken, dass die Messmasse einer Maximalauslenkung, X₀, von ca. einem Mikrometer ausführt.
Die Größe der Coriolis-Beschleunigung, y''_Coriolis, ist durch folgende Gleichung gegeben: y''Coriolis = 2·Ωz(t) × x'(t), (2)wobei Ωz(t) die Rotationsgeschwindigkeit der Messmasse um die z-Achse ist und x' die Geschwindigkeit der Messmasse entlang der x-Achse ist. Gleichungen (1) und (2) können wie folgt kombiniert werden: y''Coriolis = 2·Ωz(t)·X0·cos ωxt. (3)
Für einen Kreiselsensor mit einer Schwingungsamplitude X₀ = 1 μm, einer Schwingungsfrequenz ω_x = 20 kHz und einer Eingangsrotationsgeschwindigkeit Ω_z = 1 °/s hat die Coriolis-Beschleunigung einen Wert von 0,45 mG.
Die Coriolis-Beschleunigung ist ein amplitudenmoduliertes Signal, in dem die Trägerfrequenz die Schwingungsfrequenz ist und die Rotationsgeschwindigkeit die Amplitude moduliert. Die resultierende Coriolis-Beschleunigung ist ein duales Seitenbandsignal, das auf die Schwingungsfrequenz zentriert ist. Bezug nehmend auf 7A ist die Bewegung der Messmasse elliptisch, da die Y-Achsen-Beschleunigungen proportional zur Geschwindigkeit sind. Die maximale Auslenkung der Messmasse 22 entlang der Y-Achse wird einige Nanometer betragen. Die durch ein Kreiselsensor 20 detektierbare Auslenkung kann in der Größenordnung von einem Pikometer liegen.
In einem idealen Gerät sind die beweglichen Elektroden perfekt mit den stationären Elektroden ausgerichtet, sodass die einzige Bewegung, die durch das Antriebssystem 32 bewirkt wird, entlang der x-Achse erfolgt. Allerdings ist ein Effekt der Herstellungsfehler der Quadraturfehler. Bezug nehmend auf 7B tritt ein Quadraturfehler auf, wenn die Messmasse 22 entlang einer Achse schwingt, die nicht exakt parallel zur X-Achse verläuft. Wenn dies der Fall ist, gibt es einen kleinen Bruchteil, ε, der Antriebsschwingung X(t), der entlang der Y-Achse liegt. Diese Quadraturverschiebung entlang der Y-Achse ist durch die folgende Gleichung gegeben: yQuadratur = –ε·x(t). (4)
Wird diese Verschiebung zweimal abgeleitet, kann die Beschleunigung, y''_Quadratur, bestimmt werden, die auf die Schwingung von der Achse weg zurückgeht. Diese Beschleunigung, die unten in Gleichung (5) angegeben ist, bezeichnet man als Quadraturfehler. y''Quadratur = ε·X0·ωx 2·sin ωxt (5)
Man beachte die Ähnlichkeit zwischen dem Quadraturfehler und der Coriolis-Beschleunigung: Beides sind auf die Schwingungsfrequenz zentrierte sinusförmige Signale. Allerdings können diese Signale anhand ihrer Phase relativ zu der Antriebsschwingung unterschieden werden. Im Speziellen heißt das, dass die Coriolis-Beschleunigung um 90° gegenüber der Antriebsschwingung, ω_x, verschoben ist, während der Quadraturfehler mit der angetrieben Schwingung in Phase ist.
Der Quadraturfehler kann ziemlich groß sein. Tatsächlich übertrifft der Quadraturfehler leicht die Coriolis-Beschleunigung. Das Verhältnis zwischen dem Quadraturfehler und der Coriolis-Beschleunigung wird durch Gleichung 6 gegeben:
Benutzt man das vorhergehende Beispiel einer Eingangsrotationsgeschwindigkeit, Ω_z, von 1 °/s und einer Schwingungsfrequenz, ω_x, von 20 kHz, so muss, damit der Quadraturfehler genauso klein ist wie die Coriolis-Beschleunigung, die Schwingungsrichtung auf den Faktor 1 zu 3,6 Millionen genau sein. Aufgrund von Herstellungsfehlern und anderen Unausgeglichenheiten kann der Quadraturfehler um einiges größer sein als dieser Wert. Entsprechend hat der Kreiselsensor 20 einen Mechanismus, der den Quadraturfehler reduziert oder aufhebt.
Der mikrohergestellte Kreiselsensor 20 kann durch das Messsystem 34 elektrostatische Kräfte auf die Messmasse ausüben. Durch die Wahl einer geeigneten elektrostatischen Kraft, kann der Quadraturfehler aufgehoben werden. Wie aus Gleichung (5) ersichtlich, ist der Quadraturfehler direkt proportional zur Position der Messmasse entlang der X-Achse. Um dieses Fehlersignal zu beheben, ohne das Coriolis-Signal zu beeinflussen, muss eine Ausgleichskraft verwendet werden, die ferner direkt proportional zur Position der Messmasse entlang der X-Achse ist. Der Kreiselsensor 20 legt eine solche Ausgleichskraft an, indem er die miteinander verschränkten Y-Achsen-PositionsMessfinger verwendet.
Bezug nehmend auf 7C wird die Messmasse 22 mit zwei Fingern 38a und 38b gezeigt, die von beiden Seiten der Messmasse weg vorstehen. Der Finger 38a ist umgeben von rechten und linken Fingern 74a und 76a, wohingegen der Finger 38b von rechten und linken Finger 74a und 76b umgeben ist. Ein kleines Spannungsdifferential, 2ΔV, wird zwischen rechtem Finger 74a und linkem Finger 76a angelegt. Das gegensätzliche Spannungspotential –2ΔV sei zwischen rechtem Finger 74b und linkem Finger 76b angelegt. Diese Spannungsdifferenz erzeugt eine Ausgleichskraft, F_y, die dem Quadraturfehler entgegenwirkt. Die Ausgleichskraft wirkt so auf die Messmasse 22, dass die Finger 39 in Abwesenheit der Coriolis-Kraft ausschließlich entlang der X-Achse schwingen. Wie oben erwähnt, muss die Ausgleichskraft genau proportional zur Position der Messmasse entlang der X-Achse sein. Eine elektrostatische Kraft zwischen zwei geladenen Oberflächen ist proportional zu dem überlappenden Bereich der Oberflächen. Da der überlappende Bereich zwischen den Fingern 38 und den Fingern 70 direkt proportional zur Position der Messmasse 22 entlang der X-Achse ist, während die Messmasse schwingt, verändern sich die Positionsmesskondensatoren proportional. Dadurch wird auch die elektrostatische Ausgleichskraft F_Y proportional zur Position der Messmasse 22 sein. Das Messsystem 34 legt eine Gleichspannungs-Vorspannung V_DC an die Finger 74a, 74b, 76a und 76b und ein Spannungsdifferential ZΔV zwischen die Finger 74a, 74b, 76a und 76b, das durch die nachfolgend stehende Gleichung (7) gegeben ist:
wobei C_überlapp die größtmögliche Veränderung der Kapazität zwischen den Fingern 70 und den Fingern 38 ist, wenn die Struktur schwingt und y₀ die Gleichgewichtsdistanz zwischen den Fingern 70 und den Fingern 38 ist.
Durch geeignete Auswahl der Spannungsdifferenz ΔV kann der Quadraturfehler signifikant reduziert werden, z.B. um einen Faktor zehn bis einhundert. Die passende Spannungsdifferenz kann aus den Gleichungen (7) und (5) und dem Newtonschen Gesetz F = ma wie folgt berechnet werden:
wobei M die Masse der Messmasse 22 ist. Da der Quadraturfehler ein Ergebnis von Herstellungsfehlern ist, hängt die entsprechende Spannungsdifferenz von der spezifischen Struktur ab und kann von Bauteil zu Bauteil variieren. Ein Spannungsdifferenz im Bereich von 1 mV bis 100 mV sollte geeignet sein. Die optimale Spannungsdifferenz, um den Quadraturfehler zu beheben, kann experimentell bestimmt werden (siehe 13, die weiter unten diskutiert wird).
Zusätzlich zur Aufhebung des Quadraturfehlers kann das Messsystem 34 des Kreiselsensors 20 dazu verwendet werden, um die Y-Achsen Resonanzfrequenz ω_y der Messmasse 22 an die Antriebsschwingungsfrequenz ω_y anzupassen. Weil der Kreiselsensor 20 ein System zweiter Ordnung mit hoher Güte ist, kann die Antwort der Messmasse 22 auf die Coriolis-Beschleunigung verstärkt werden. Wie durch Gleichung (3) gezeigt, ist die Coriolis-Beschleunigung ein um die Schwingungsfrequenz ω_x zentriertes Signal. Deswegen haben die relativen Werte der Schwingungsfrequenz ω_x und der Y-Achsen Resonanzfrequenz ω_y einen dramatischen Effekt auf die Antwort des Messbetriebs und somit der Sensorsensibilität. Wenn die Y-Achsen Resonanzfrequenz an die Schwingungsfrequenz angepasst ist, kann das Gerät eine Verstärkung von Q in der Systemantwort erfahren. Allerdings ist die Bandbreite des Sensors dann auf ω_y/Q beschränkt. Da das System im Vakuum betrieben wird und Q typischerweise größer als 10000 ist, wird die Systembandbreite für ω_x = ω_y nur einige Hertz sein.
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Für eine größere Bandbreite und eine erhöhte Sensitivität wird der Kreiselsensor 20 mit einem leichten Versatz zwischen der Resonanzfrequenz ω_y und der Schwingungsfrequenz ω_x betrieben. Die Systemantwort der auf die Coriolis-Beschleunigung zurückzuführenden y-Achsenverschiebung ist gegeben durch:
Vorausgesetzt, dass es ein Mittel zum Abstimmen der Y-Achsenfrequenz gibt, ist es erforderlich, den Kreiselsensor mit einem Frequenzversatz, Δω/ω_x, von 5–10% zu betreiben, was zu einer Verstärkung von 5–10 in der Sensitivität führt. Wenn ω_x z.B. ungefähr 12 kHz ist, dann kann ω_y als ungefähr 12,5 kHz gesetzt werden. Alternativ kann der Frequenzversatz auf ungefähr 1–2% reduziert werden. Eine weitere Reduzierung des Versatzes mag die Sensitivität erhöhen, ist jedoch schwierig, für eine längere Zeit aufrecht zu erhalten, da sich die Resonanzfrequenz verändert, wenn sich die Temperatur des Kreiselsensors verändert.
Das Abstimmen der Y-Achsenresonanz[frequenz] zur Verbesserung der Sensitivität wird durch die Verwendung elektrostatisch „negativer" Federn bewerkstelligt, d.h. durch das Anlegen einer DC-Vorspannung, V_DC, zwischen Messmasse 22 und stationären Messelektroden 62. Wenn die DC-Spannung zwischen der sich bewegenden Messmasse und der stationären Messelektrode angelegt ist, verringert die resultierende anziehende Kraft (attraktive Kraft) die Gesamtfederkonstante und stimmt so die Resonanzfrequenz ab.
Indem ein Modell erster Ordnung für die Parallel-Plattenkondensatoren verwendet wird, ergibt sich die linearisierter Federkraft, die auf elektrostatische Kräfte zurückzuführen ist, zu:
wobei y die Auslenkung der Messmasse entlang der Y-Achse aus ihrer Gleichgewichtslage ist.
Die Y-Achsenresonanzfrequenz, ω_y, ist durch die folgende Gleichung gegeben:
wobei k_y die rein mechanische Federkonstante ist, k_e ist die elektrostatische Federkonstante und M ist die Masse der Messmasse 22. Die mechanische Federkonstante k_y ist in erster Hinsicht eine Funktion der Steifheit des Aufhängungssystems 30.
Die elektromagnetische Federkonstante, k_e, ist durch die folgende Gleichung gegeben:
in der C_s die Messkapazität des Kreiselsensors und y₀ der Abstand zwischen den Fingern 38 und 70 ist (siehe 7A). C_s hängt von der Gesamtzahl der Finger und der Größe des Überlappbereichs ab und sollte wenigstens 30 femtoFarad (fF) sein. Erhöht man die Anzahl der Finger, kann C_s auf ungefähr 1 Picofarad (pF) vergrößert werden. Wie oben erwähnt, ist der Abstand y₀ zwischen den Fingern ungefähr 1 μm. Es sei erwähnt, dass k_e einen negativen Wert hat, sodass ω_y abnimmt, sobald V_DC vergrößert wird. Das System fängt mit ω_y größer als ω_x an, und die Vorspannung V_DC wird vergrößert, bis der erforderliche Versatz Δω/ω_y erreicht wird, wodurch sich ω_y reduziert. Der korrekte Wert für V_DC kann experimentell bestimmt werden (siehe 12, die weiter unten diskutiert wird), sollte aber in der Größenordnung von 1 bis 10 Volt sein.
Zusätzlich zur Aufhebung des Quadraturfehlers und zur Abstimmung der Y-Achsen-Resonanzfrequenz kann das Messsystem 34 dazu verwendet werden, die Effekte von Zentrifugal- oder Zentripetal-Kräften aufzuheben. Weil der Kreiselsensor um die Z-Achse rotiert, wird eine Zentrifugalkraft die Messmasse aus wärtsgerichtet schieben (wobei angenommen wird, dass die Rotationsachse nicht exakt durch das Massenzentrum der Messmasse geht). Eine Spannungsdifferenz, V_c, kann zwischen den entgegengesetzt liegenden stationären Messelektroden 62a und 62b angelegt werden. Da die Zentripetalkraft verglichen mit den Frequenzen der Coriolis-Kraft bei niedrigen Frequenzen variiert, kann ein Hochpassfilter verwendet werden, um den Zentripetalkraft-Effekt von dem Ausgang zu entfernen.
Der Kreiselsensor 20 misst die Position der Messmasse 22 entlang der Y-Achse durch kapazitive Auslenkungsmessung. Die miteinander verschränkten Finger des Messsystems 34 (in 2 gezeigt) werden verwendet, um die Auslenkung der Messmasse entlang der Y-Achse zu erfassen. Die Finger sind in einer Kondensatorbrücke angeordnet, sodass jede Auslenkung der Messmasse in messbaren Veränderungen in der relativen Größe der Kondensatoren resultiert. In einem Modell erster Ordnung ist die Kapazität eines Parallel-Plattenkondensators umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen den Platten.
Bezug nehmend auf die 6 und 8A bildet der Raum zwischen Finger 38 der beweglichen Messelektrode 56 und rechten Fingern 74a, 74b der Messelektroden 62a, 62b einen ersten Kondensator C₁ und der Raum zwischen Finger 38 und linken Fingern 76a, 76b bildet einen zweiten Kondensator C₂. Wenn die bewegliche Messelektrode 56 entlang der Y-Achse ausgelenkt wird, verändern sich C₁ und C₂. Wenn die Messelektrode 56 zum Beispiel nach links gerichtet ausgelenkt wird, nimmt der Abstand zwischen Finger 38 und rechten Fingern 74a, 74b zu, wodurch C₁ abnimmt, während der Abstand zwischen Finger 38 und linken Fingern 76a, 76b abnimmt, wodurch C₂ zunimmt. Die Veränderung in der Kapazität wird durch einen Positionssensor 80, beispielsweise einem Integrator oder Spannungspuffer, detektiert, der einen Verstärker 82 umfasst. Finger 38 ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers 82 verbunden. Der Ausgang des Verstär kers 82 ist über einen integrierenden Kondensator 84 mit dem negativen Eingang des Verstärkers verbunden, um einen Integrator zu bilden. Der negative Eingang des Verstärkers 82 ist über eine Parasitärkapazität 83 geerdet. Der positive Eingang des Verstärkers 82 kann direkt geerdet sein.
Da Kapazität nicht mit einer Gleichspannung gemessen werden kann, legt eine Spannungsquelle 90 eine Wechselspannung V_S zwischen den Finger 74a, 74b und 76a, 76b an. Die Spannung V_S beträgt ungefähr 0,1 bis 5,0 V, bevorzugt ungefähr 1 V, und hat eine viel höhere Frequenz als die Betriebsfrequenz ω_x. Die Frequenz der Spannungsquelle 90 kann beispielsweise ungefähr 1 MHz sein.
Der in 8A gezeigte Integrator bietet die Flexibilität, durch Variieren der integrierenden Kondensatorgröße Bandbreite gegen Sensitivität einzutauschen. Der Integrator sorgt auch für eine geringere Verzerrung. Einige der in mikroelektromechanischer Systeme involvierten Parasitärkapazitäten sind nichtlinear, was die Verstärkung des Puffers verändern und dadurch eine Verzerrung bewirken wird, und die Praxis der Bootstrap-Parasitärkapazität ist eine Form positiver Rückkopplung, die die Verstärkerverzerrung verschlimmert. Allerdings wird die Verzerrung minimal gehalten, da der Integrator einen festen, linearen Kondensator verwendet.
Eine andere übliche Verstärkerkonfiguration, die für kapazitive Positionsmessung verwendet wird, ist in 8B gezeigt, in der der Ausgang des Verstärkers 82 mit seinem negativen Eingang verbunden ist und die Messelektroden 56 mit dem positiven Eingang des Verstärkers verbunden sind, um einen Spannungspuffer zu bilden.
Unglücklicherweise stellt der Integrator ein schwieriges Vorspannungsproblem dar. Idealerweise kann das Anlegen einer Vorspannung durchgeführt werden, indem ein sehr großer Widerstand mit dem integrierenden Kondensator parallel geschaltet wird. Jede praktische Implementierung eines großen Widerstandes resultiert allerdings in einer beträchtlichen Parasitärkapazität. Eine Diode kann auch parallel mit der integrierenden Kapazität verwendet werden. Das fügt allerdings eine nichtlineare Kapazität zu der integrierenden Kapazität hinzu, was zu Verzerrung führt. Bezug nehmend auf 8C ist dieses Vorspannungsproblem durch die Verwendung eines Unterschwellenwert-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) 88 gelöst worden. Das MOSFET-Bauteil ist mit dem integrierenden Kondensator 84 parallel verbunden, sodass die Quelle (Source) des MOSFETs 88 mit dem Ausgang des Verstärkers 82 verbunden ist, die Senke (Drain) mit dem negativen Eingang des Verstärkers 82 verbunden ist und das Tor (Gate) geerdet ist. Der negative Eingang des Verstärkers 82 kann über eine Diode 86 geerdet werden und der positive Eingang des Verstärkers 82 kann direkt geerdet werden. In dem Unterschwellenwertbereich besitzt das MOSFET-Bauteil eine extrem niedrige Durchlassfähigkeit und keine Quelle-zu-Senke-Kapazität. Die Verwendung eines Unterschwellenwertbereich-MOSFET-Bauteils führt zu einem gut reagierenden Integrator, der mit einem 50 F integrierenden Kondensator bis herunter zu 1 kHz ohne zusätzliches Rauschen oder Verzerren, das dem Vorspannungsschaltkreis zuzuordnen ist, einsatzfähig ist.
Bezug nehmend auf 9 umfasst der Kreiselsensor 20 einen phasengekoppelten Regelkreis (PLL) 100 und einige synchrone Demodulatoren oder Mixer, um Signalverarbeitung durchzuführen. Der phasengekoppelte Regelkreis 100 erzeugt extrem genaue digitale Signale, die eine Antriebsfrequenz ω_x zwischen ungefähr 7 kHz und 100 kHz haben. Die Antriebsfrequenz, ω_x, kann durch Abtrennen des Signals von der Spannungsquelle 90 erzeugt werden. Der phasengekoppelte Regelkreis stellt sicher, dass die Positionssignale genau in Phase sind mit der Position der Messmasse 22. Der phasengekoppelte Regelkreis 100 kann ferner ein Geschwindigkeitssignal auf Leitung 108 erzeugen, das zu einem Positionssignal auf Leitung 11 genau 90° phasenverschoben ist. Positionssignale auf den Leitungen 102 und 104, die entgegengesetzte Amplituden haben, sind durch den phasengekoppelten Regelkreis 100 jeweils an die positiven und negativen Ausgängen eines Transimpedanzverstärker 106 angeschlossen. Gegenüberliegende stationäre Antriebselektroden 60a und 60b sind ebenfalls mit den positiven und negativen Ausgängen des Transimpedanzverstärkers 106 verbunden. Gegenüberliegende Rückkopplungselektroden 61a und 61b sind auch mit den positiven und negativen Eingängen des Transimpedanzverstärker 106 verbunden. Einer der Ausgänge des Transimpedanzverstärkers 106 ist durch einen Mischer 112 mit den Geschwindigkeitssignalen gemischt. Der kombinierte Ausgang des Mischers 112 ist an den Transimpedanzverstärker 106 angelegt, um einen automatischen Verstärkungskontrollschaltkreis (AGC) zur Kontrolle der Schwingungsamplituden der Messmasse 22 entlang der X-Achse bereitzustellen. Die Phasengenauigkeit des phasengekoppelten Regelkreises ist für die Funktion des Kreiselsensors 20 entscheidend, weil jeglicher Phasenfehler zu einer Kreuzkopplung zwischen der Coriolis-Kraft und den Quadratursignalen führt. Angenommen, dass ein Phasenfehler θ_n(t) durch Phasenrauschen in dem phasengekoppelten Regelkreis erzeugt wird, so kann der Fehler in der Rotationsgeschwindigkeit Ω, wie unten in den Gleichungen 13 bis 15 gezeigt, abgeleitet werden:
Da der phasengekoppelter Regelkreis 100 überaus genau ist, wird das Phasenrauschen minimiert und die schwankende Kreuzkopplung ist äußerst klein. Zusätzlich reduziert die Quadraturfehlerkorrektur die Kreuzkopplung und das Phasenrauschen.
Das Ausgleichen des Quadraturfehlers, das Abstimmen der Y-Achsen-Resonanzfrequenz und das Ausbalancieren der Zentrifugalkräfte wird durch die Anlegung geeigneter Spannungen an die Finger 70 der gegenüberliegenden stationären Messelektroden 62a und 62b erreicht. Speziell umfasst der Kreiselsensor 20 vier Gleichspannungs-Vorspannungsguellen 120, 122, 124 und 126. Die Spannungsquelle 120 legt eine Gesamtspannung V_t = V_DC + ΔV + V_c an die rechten Finger 74a der Messelektrode 62a. Die Spannungsquelle 122 legt eine Gesamtspannung von V_DC – ΔV – V_c an die linken Finger 76a an. Die Spannungsquelle 124 legt eine Gesamtspannung von V_DC – ΔV + V_c an die rechten Elektrodenfinger 74b der Messelektrode 62b an. Die Spannungsquelle 126 legt eine Gesamtspannung von V_DC + ΔV – V_c an die linken Finger 76b an. Folglich bieten die Spannungsquellen 120, 122, 124 und 126 alle die notwendigen Vorspannungen, um den Quadraturfehler aufzuheben, um die gewünschte Y-Achsen-Resonanzfrequenz auszuwählen und um jegliche Zentrifugal- oder andere niederfrequente Kräfte aufzuheben. Selbstverständlich kann jede andere Kombination von Spannungsquellen verwendet werden, die dieselbe effektive Totalspannung an die Finger der Messelektroden anlegt. Ferner können die Spannungen auch über verschiedene Fingersätze der stationären Messelektrode angelegt werden, z.B. könnte V_DC über einen Satz an Fingern angelegt werden und ΔV könnte über einen anderen Satz an Fingern angelegt werden.
Um die Position, den Coriolis-Effekt und die Quadratursignale von dem kapazitiven Positionssensor 80 zu entnehmen, wird das Signal von dem Verstärker 82 durch einen Schwingungsverstärker 130 verstärkt, um ein Ausgangssignal auf Leitung 132 zu erzeugen. Dieses Ausgangssignal kann mit Signalen von einem Modulator oder einem Taktgeber und den Positions- und Geschwindigkeitssignalen von dem phasengekoppelten Regelkreis 100 gemischt werden. Die Spannungsquelle 90 kann eine hohe Frequenz erzeugen, z.B. ein 1 MHz-Taktsignal auf Leitung 134. Um dieses Positionssignal zu erzeugen, wird das Taktsignal mit dem Ausgangssignal auf Leitung 132 durch einen Mischer 136 gemischt. Zwecks Erzeugung des Coriolis-Signal wird das Taktsignal auf Leitung 134 mit dem Geschwindigkeitssignal auf Leitung 108 durch einen Mixer 140 gemischt, um ein kombiniertes Signal auf Leitung 142 zu erzeugen. Das kombinierte Signal auf Leitung 142 wird dann mit dem Ausgangssignal auf Leitung 132 durch einen Mischer 144 gemischt, um das Coriolis-Signal zu produzieren. Schließlich wird, um das Quadratursignal zu erzeugen, das Taktsignal auf Leitung 134 mit dem Positionssignal auf Leitung 110 durch einen Mischer 150 gemischt, um ein kombiniertes Signal auf Leitung 152 zu erzeugen. Um das Quadratursignal zu erzeugen, wird das kombinierte Signal auf Leitung 152 dann mit dem Ausgangssignal auf Leitung 132 durch einen Mischer 154 gemischt. Die Positions-, Coriolis- und Quadratursignale können Tiefpassfilter passieren, um hohe Frequenzkomponenten herauszufiltern.
Bezug nehmend auf 10 ist ein Kreiselsensor 20 auf einem Siliziumsubstrat 24 hergestellt worden, indem eine Kombination von Metalloxidhalbleiter- und mikroelektromechanischen Herstellungstechniken verwendet wurde. Der Transimpedanzverstärker und Integrator wurden auf demselben Plättchen hergestellt und die verbleibende Elektronik wurde von dem Halbleiterplättchen entfernt implementiert. Das mechanische Messelement ist ungefähr 1 mm breit.
Es gibt etliche mögliche Rauschquellen beim Kreiselsensor 20. Hauptsächlich sind unter diesen: Brownsches Rauschen, Operationsverstärkerrauschen in dem Integrator und Phasenrauschen des phasengekoppelten Regelkreises. Das Brownsche Rauschen, Ω_nB, repräsentiert die fundamentale Grenze bei Winkelgeschwindigkeit und ist gegeben durch:
wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur, M die Masse der Messmasse, BW die Bandbreite des Kreiselsensors und Q der Qualitätsfaktor ist. Man betrachte als ein Beispiel einen Kreiselsensor mit der Masse M = 0,2 μg, einer Schwingungsamplitude X₀ = 1 μm, einem Qualitätsfaktor Q = 10 000, einer Bandbreite BW = 100 Hz, einer Antriebsfrequenz ω_x = 20 kHz und einer Resonanzfrequenz ω_y = 20 kHz. Für dieses Beispiel finden wir ein Brownsches Grundrauschen Ω_nB = 0,06 °/s. Da der Kreiselsensor im Vakuum betrieben wird und ein hohes Q hat, ist das Brownsche Rauschen nicht die beherrschende Rauschquelle.
Wie durch Gleichung 15 gezeigt, kann das Phasenrauschen in dem phasengekoppelten Regelkreis, repräsentiert durch θ_n(t), eine schwankende Kreuzkopplung zwischen den Quadratur- und Coriolis-Signalen bewirken. In dem Kreiselsensor 20 wird dieser Effekt aufgrund des geringen Phasenrauschens in dem phasengekoppelten Regelkreis und des aufgehobenen Quadraturfehlers auf einem Minimum gehalten.
Das Integrator-Operationsverstärkerrauschen ist die beherrschende Rauschquelle im Kreiselsensor 20. Das auf den Eingang bezogene Rauschen, Ω_E, des Operationsverstärkerrauschens ist eine Funktion der Gesamtkapazität C_T, die an dem summierenden Knoten des Integrators angebracht ist und durch folgende Gleichung gegeben ist:
wobei f_T die maximale Betriebsfrequenz der Transistoren im Kreiselsensor 20 ist. Das elektronische Rauschen ist am besten bei Ω_nE = 0,08 °/s für einen CMOS-Prozess mit f_T = 250 MHz, einem Frequenzversatz Δω = 1 kHz, einer Messspannung V_S = 1 V, einer Messkapazität C_S = 100 fF, und der Schwingungsamplitude und dem Fingerabstand X₀ = y₀ = 1 μm.
Eine anfängliche Charakterisierung der Kreiselsensorantwort ist in 11 gezeigt. 11 ist ein Graph des Logarithmus der Ausgangsspannung des Coriolis-Signals auf der Y-Achse als eine Funktion der Frequenz auf der X-Achse. Der Graph wurde durch das Messen des Ausgangs-Coriolis-Signals in Antwort auf eine 1 Hz-, 5 °/s-Sinuswellenrotation erzeugt. Der Kreiselsensor wurde mit einer Schwingungsfrequenz, ω_x, von 12 kHz und einer Y-Achsen-Resonanzfrequenz, ω_y, von etwa 12,5 kHz betrieben. Das Grundrauschen für diese Version des Z-Achsen-Schwingungsraten-Kreiselsensors beträgt 1 °/s/Hz^½.
Bezug nehmend auf 12 sind dort gemessene mechanische Resonanzfrequenzen der Messmasse 22 als eine Funktion der Gleichspannungs-Vorspannung dargestellt, die an die Positions-Messfinger angelegt wurde. 12 zeigt einen Graph der Resonanzfrequenzen der Messmasse 22 (auf der Y-Achse des Graphen) als eine Funktion der RMS-Spannung (auf der X-Achse des Graphen), die zwischen Fingern 38 und Fingern 70 angelegt wurde. Die RMS-Spannung ist eine Kombination der Gleichspannungs-Vorspannung und der Wechselspannung, die durch die Spannungsquelle 90 erzeugt wird. Die entstehenden elektrostatischen Federn reduzieren die Resonanzfrequenz der Messmoden (ω_y), erhöhen die Resonanzfrequenzen der ausserebenen Moden und lassen die Antriebsmoden (ω_x) unbetroffen. Wie erwartet, fällt die Y-Achsen-Resonanzfrequenz wenn die Vorspannung vergrößert wird und die Schwingungsfrequenz der Messmasse 22 verbleibt konstant bei 12 kHz. Die Resonanzfrequenzen der vertikalen und Kipp-Betriebsarten erhöhen sich mit der Gleichspannungs-Vorspannung aufgrund der elektrostatischen Schwebeeffekte.
Wie oben diskutiert, umfasst der Kreiselsensor 20 eine Vorrichtung, um den Quadraturfehler aufzuheben. 13 zeigt einen Graphen der gemessenen Spannung V_out auf der Y-Achse als eine Funktion des Spannungsdifferentials ΔV auf der X-Achse, das zwischen rechten Fingern 74a, 74b und linken Fingern 76a und 76b angelegt wird. Sowohl die Quadratur- als auch Rotationsratensignale wurden für eine Null-Rotationsrate aufgetragen, während ΔV abgestimmt wurde. Messungen der Quadraturfehler- und Rotationsratensignale zeigen, dass das Quadraturfehlersignal unabhängig von dem Coriolis-Signal kontrolliert werden kann.
Eine andere Ausführungsform des Kreiselsensors, in der die Mess- und Quadraturkorrekturspannungen durch verschiedene Elektrodenfinger angelegt werden, wird durch 14 gezeigt. Bezug nehmend auf 14 umfasst ein mikrobearbeiteter Kreiselsensor 200 eine Messmasse 202, die durch ein Aufhängungssystem 206 mit einem Substrat 204 verbunden ist. Der Kreiselsensor 200 umfasst drei elektronische Hauptelemente: ein Antriebssystem 210, das dazu verwendet wird, die Schwingung der Messmasse 202 entlang der X-Achse aufrecht zu erhalten, ein Messsystem 212, das dazu verwendet wird, Auslenkungen der Messmasse 202 entlang der Y-Achse zu detektieren, und ein Quadraturkorrektursystem 214, das dazu verwendet wird, jegliche Quadraturfehler auszugleichen.
Die Messmasse 202 umfasst eine rechtwinklige äußere Komponente 220 und eine rechtwinklige innere Komponente 222. Jede Ecke der äußeren Komponente 220 ist durch eine abgeknickte oder J-förmige erste Biegung 224 mit einem Anker 226 verbun den, der die Messmasse 202 und das Aufhängungssystem 206 mit dem Substrat 204 verbindet. Ähnlich ist jede Ecke der inneren Komponente 222 mit der äußeren Komponente 220 durch eine zweite Biegung 228 verbunden. Die erste Biegung 224 ist dafür vorgesehen, es der äußeren Komponente 220 zu erlauben, primär mit Bezug auf das Substrat 204 entlang einer Y-Achse zu schwingen, wobei eine zweite Biegung 228 dafür vorgesehen ist, es der inneren Komponente 222 zu erlauben, im Wesentlichen entlang der X-Achse mit Bezug auf die äußere Komponente 220 zu schwingen. Mehrere Stäbe oder Querverstrebungen 230 können gegenüberliegende Seiten der inneren Komponente 222 verbinden.
Die physikalischen Charakteristiken des Kreiselsensors 200 sind ähnlich denen des Kreiselsensors 20. Der Sensor kann seitlich ungefähr 0,5 bis 2,0 mm sein, die Messmasse kann eine Gesamtmasse von ungefähr 0,1 bis 0,5 μg haben, die flexiblen Elemente des Aufhängungssystems können aus polykristallinem Silizium aufgebaut sein und können eine Breite und Dicke in der Größenordnung von 2 μm haben. Die Gesamtanordnung kann durch die Verwendung traditioneller Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise hergestellt werden.
Bezug nehmend auf FIF. 14 umfasst das Antriebssystem 210 zwei Antriebselektroden 232a und 232b und zwei Rückkopplungselektroden 234a und 234b, die alle mit dem Substrat 204 verbunden sind. Eine Vielzahl von Elektrodenfingern 236 steht entlang der X-Achse von jeder Rückkopplungselektrode und jeder Antriebselektrode vor. Eine Vielzahl von Elektrodenfingern 238 stehen von der inneren Komponente 222 der Messmasse 202 entlang der X-Achse vor und sind mit den Elektrodenfingern 236 der Mess- und Antriebselektroden verschränkt.
Wie in 15 gezeigt, sind die Rückkopplungselektroden 234a und 234b jeweils mit den positiven und negativen Eingängen eines Transimpedanzverstärkers 240 verbunden. Die Antrieb selektroden 232a und 232b sind jeweils mit den positiven und negativen Ausgängen des Transimpedanzverstärker 240 und mit einem phasengekoppelten Regelkreis 242 verbunden, wie zuvor mit Bezug auf 9 beschrieben wurde.
Das Messsystem 212 umfasst eine Vielzahl von Paaren an Messelektrodenfingern, die in einer Linie mit der X-Achse sind. Jedes Paar der Messelektrodenfinger umfasst einen rechten Finger 244 und einen linken Finger 246. Eine Vielzahl von Elektrodenfingern 248 ist mit der äußeren Komponente 220 verbunden und miteinander verschränkt, so dass jeder Elektrodenfinger 248 zwischen einem rechten Finger 244 und einem linken Finger 246 angeordnet ist. Eine Messspannungsquelle 250 (siehe 15) legt eine Wechselspannung zwischen die rechten Finger 244 und die linken Finger 246 an.
Das Quadraturkorrektursystem 214 umfasst einige Korrekturelektrodensätze, die nahe der Mittelachse des Sensors angeordnet und mit dem Substrat verbunden sind. Jeder Satz von Korrekturelektroden umfasst eine obere linke Elektrode 260 und ein obere rechte Elektrode 262, eine untere linke Elektrode 264 und eine untere rechte Elektrode 266. Die obere rechte Elektrode 262 und die untere linke Elektrode 264 können, wie gezeigt, eine einzelne Elektrode oder separate Elektroden sein. Eine Vielzahl von Elektrodenfingern 268 erstreckt sich von den Querverstrebungen 230 und ist mit den Verbindungselektroden verschränkt. Insbesondere erstreckt sich jeder Elektrodenfinger 268 von der Querverstrebung 230 entlang der X-Achse und ist zwischen der oberen linken Elektrode 260 und der oberen rechten Elektrode 262 angeordnet. Ähnlich erstreckt sich jeder Elektrodenfinger 268 von der Querverstrebung 230 entlang der X-Achse und ist zwischen der unteren linken Elektrode 264 und der unteren rechten Elektrode 266 angeordnet. Die obere linke Elektrode 260 ist mit den unteren rechten Elektroden 266 elektrisch verbunden und die obere rechte Elektrode 262 ist elektrisch mit der unteren linken Elektrode 264 verbunden.
Eine Spannungsquelle 270 (15) legt eine Gleichspannungs-Vorspannung zwischen den Korrekturelektroden 260, 266 und 262, 264 an. Das Spannungsdifferential erzeugt zwischen den linken und rechten Elektroden eine Ausgleichskraft, um dem Quadraturfehler, wie oben mit Bezug auf 7C diskutiert, entgegen zu wirken. Der Rest des Schaltkreises, einschließlich eines Integrators 280 und den Mischern 282 bis 286, kann in einer Art montiert und betrieben werden, die, mit Bezug auf 9, dem oben diskutierten Schaltkreis ähnlich ist.
Bezug nehmend auf 16 kann die Quadraturkorrektur dazu verwendet werden, um Herstellungsfehler zu kompensieren, die bei der Herstellung einer anderen Art von Kreiselsensoren, wie beispielsweise X- und Y-Achsen-Kreiselsensoren, auftreten. Ein zweiachsiges Schwingungskreiselgerät arbeitet durch Erzeugen und Messen der Coriolis-Beschleunigungen. Die funktionale Arbeitsweise des zweiachsigen Schwingungskreisel-geräts wird anhand eines äquivalenten Federmassensystems gezeigt. In einem zweiachsigen Kreiselsensor 290 wird eine Messmasse 292 durch eine flexible Aufhängung 294 von einem Rahmen 296 getragen. Die Messmasse ist im Allgemeinen scheibenförmig und befindet sich in einer Ebene, die im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche des Substrats ist. Die Messmasse wird durch ein Antriebsdrehmoment Fd mit einer Frequenz ω_z um die Z-Achse zum Schwingen angeregt (der Achse senkrecht zu der Oberfläche des Substrats). Wenn der Rahmen mit einer Rotationsgeschwindigkeit Ω_y um eine erste Achse rotiert, die parallel zu der Oberfläche des Substrats ist, z.B. der Y-Achse, dann erzeugt die Kombination dieser Rotation und Schwingung ein schwingendes Coriolis-Drehmoment F_c um eine zweite Achse parallel zu der Oberfläche des Substrats und senkrecht zu der ersten Achse, d.h. der X-Achse. Dieses Coriolis-Kraft-Drehmoment wird dazu tendieren, die Messmasse bei einer Frequenz ω_x um die X-Achse zu schwingen. Dadurch verursacht die Rotation der Messmasse um die Y-Achse, dass die Messmasse eine Wipp-Bewegung um die X-Achse ausführt. Ähnlich wird eine Rotation um die X-Achse eine Coriolis-Schwingung um die Y-Achse hervorrufen.
Die Coriolis-Beschleunigung um die X-Achse, die durch die Rotation der Messmasse um die Y-Achse erzeugt wurde, ist durch die folgende Gleichung gegeben: IxxΘ''x + CxΘ'x + KxΘx = –IzzΩy × Θz0ωz cos(ωzt), (18)wobei θ_x der Neigungswinkel der Messachse ist, I_xx das X-Achsenträgheitsmoment, C_x der Dämpfungskoeffizient, K_x die Federkonstante, ω_z die Schwingungsfrequenz um die Z-Achse, I_zz das Z-Achsenträgheitsmoment und Ω_y die Rotationsrate der Schwingung der Messmasse um die Y-Achse ist. Die Winkelschwingung des Rotors, die durch die Coriolis-Beschleunigung bewirkt wird, kann als ein amplitudenmoduliertes Signal mit einer Trägerfrequenz ω_z angesehen werden. Die Amplitude des modulierten Signals ist direkt proportional zu der Y-Achsen-Rotationsgeschwindigkeit Ω_y. Die Gleichung für die Coriolis-Beschleunigung um die Y-Achse ist im Wesentlichen identisch, außer dass die x- und y-Indizes umgekehrt sind und die rechte Seite der Gleichung positiv ist.
Bezug nehmend auf 17A schließt ein zweiachsiger Kreiselsensor 300 eine im Allgemeinen ringförmige Messmasse 302 ein, die mit einem starren Rahmen oder Substrat 304 über ein Aufhängungssystem 306 verbunden ist. Der zweiachsige Kreiselsensor 300 misst die X-Achsen- und Y-Achsen-Rotationsgeschwindigkeiten, d.h. die Rotation des Substrats um die Achsen parallel zu der Oberfläche des Substrats 304. Der zweiachsige Kreiselsensor 300 umfasst drei elektronische Hauptelemente: ein Antriebssystem 310, das dazu verwendet wird, die Schwingung der Messmasse 302 um die Z-Achse aufrecht zu erhalten, ein Messsystem 312, das dazu verwendet wird, Auslenkungen der Messmasse 302 um die X-Achse und die Y-Achse zu detektieren, und ein Quadraturkorrektursystem 314, das dazu verwendet wird, jeglichen Quadraturfehler auszugleichen. Der zweiachsige Kreiselsensor 300 kann hergestellt werden, indem Standardtechniken der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden.
Die Messmasse 302 umfasst einen im Wesentlichen ringförmigen Rotor 316. Der Rotor 316 kann ein 2 μm dicker Ring aus polykristallinem Silizium mit einem äußeren Radius von ungefähr 250 μm und einem inneren Radius von ungefähr 200 μm sein. Die Messmasse 302 ist im Wesentlichen symmetrisch um die X- und Y-Achse.
Das Aufhängungssystem 306 kann vier Stege 320 umfassen, die eine innere Ecke 322 der Messmasse mit einem Anker 324 verbinden, der den Rotor 316 an dem Substrat 304 sichert. Die Stege 320 können auch aus polykristallinem Silizium ausgebildet sein und können eine Breite und Dicke in der Größenordnung von 2 μm haben.
Alternativ kann das Aufhängungssystem eine Serpentinaufhängung mit geknickten Stegen umfassen. In noch einer anderen Version, kann die Messmasse über 4 Stege, die mit einer äußeren Ecke des Rotors verbunden sind, aufgehängt werden. Ein Serpentinaufhängungssystem sorgt für eine niedrigere Eigenfrequenz und kann eine Wölbung des Rotors aufnehmen.
Das Aufhängungssystem 306 ist dafür bestimmt, eine Torsionsaufhängung für Rotor 316 bereitszustellen, um eine Rotation um die drei senkrechten Achsen zu ermöglichen. Allerdings ist das Aufhängungssystem 306 dafür bestimmt, starr gegenüber Translationalbeschleunigungen entlang der X- und Y-Achse zu sein. Obwohl der Rotor 316 der translationalen Beschleunigung entlang der Z-Achse ausgesetzt sein kann, hebt das unten diskutierte Differenzmessverfahren die Empfindlichkeit auf solche Beschleunigungen im Wesentlichen auf.
Für maximale mechanische Empfindlichkeit ist das Aufhängungssystem dafür konzipiert, die Frequenzen aller drei rotationalen Moden ausreichend gut abzustimmen, sodass die elektrostatische Abstimmung Prozessschwankungen während der Herstellung des Kreiselsensors ausgleichen kann. Insbesondere sind die Messachseneigenfrequenzen dafür vorgesehen, ungefähr zehn Prozent oberhalb der Antriebseigenfrequenzen zu liegen, sodass die Messfrequenzen runtergestimmt werden können, um mit der Antriebsfrequenz zusammenzupassen.
Eine Vielzahl an inneren Kämmen 330a bis 330d zeigen einwärts gerichtet von der inneren Ecke 322 des Rotors 316. Jeder innere Kamm umfasst ein Rückgrat 332 und eine Vielzahl von Zähnen 334, die von beiden Seiten des Rückgrats herausragen. Die Anzahl und die Anordnung der inneren Kämme in 17A ist lediglich veranschaulichend. Das zweiachsige Kreiselgerät kann zwölf innere Kämme umfassen, wobei jeder 5 Zähne hat. Vier äußere Kämme 340a bis 340d zeigen auswärtsgerichtet von einer äußeren Ecke 326 des Rotors 316 weg. Jeder äußere Kamm umfasst ein Rückgrat 342 und eine Vielzahl an Zähnen 344, die von beiden Seiten des Rückgrats hervorstehen. Obwohl die Zähne 334 und 344 in 17A als geradlinig eingezeichnet sind, ist es, wie in 17B gezeigt, für die Zähne vorteilhaft, als Bogenabschnitte konzentrischer Kreise ausgebildet zu sein.
Wie zuvor erwähnt veranlasst das Antriebssystem 310 Schwingungen der Messmasse 302 um die Z-Achse. Das Antriebssystem 310 umfasst eine oder mehr Antriebselektroden 350a bis 350b und eine oder mehrere Rückkopplungselektroden 352a bis 352b, die mit dem Substrat 304 verbunden sind. Vorzugsweise sind die Antriebs- und Rückkopplungselektroden in gegenüberliegenden Paaren angeordnet, die sich auf beiden Seiten jedes inneren Kamms 330a bis 330d befinden. Jede Rückkopplungs- und Antriebselektrode umfasst eine Vielzahl von Zähnen 354, die mit Zähnen 334 des benachbarten inneren Kamms verschränkt sind. Die Zähne 354 können eine Bogenlänge von ungefähr 20 μm und eine Breite von ungefähr 2 μm haben. Die Antriebselektroden des Antriebssystems 310 fungieren als elektrische, mechanische Wandler. Durch das Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Antriebselektroden und der Messmasse kann die Messmasse gezwungen werden, um die Z-Achse zu schwingen. Speziell können die Stege 320 biegen oder knicken, sodass der Rotor 316 rotieren kann.
Bezug nehmend auf 18 umfasst der zweiachsige Kreiselsensor 300 einen Transimpedanzverstärker 366, der Antriebssignale 362 und 364 erzeugt, die eine Antriebsfrequenz ω_z von ungefähr 20 bis 30 kHz haben. Die Antriebssignale 362 und 364 sind gleich in ihrer Größe, aber entgegengesetzt in ihren Vorzeichen. Ein phasengekoppelter Regelkreis 360 erzeugt ein extrem genaues digitales Ausgangssignal auf Leitung 368, das mit der Rotationsgeschwindigkeit der Messmasse in Phase ist. Die gegenüberliegenden Rückkopplungselektroden 352a und 352b sind mit den positiven und negativen Eingängen des Transimpedanzverstärkers 366 verbunden. Die gegenüberliegenden Antriebselektroden 350a und 350b sind mit den positiven und negativen Ausgängen 362 und 364 des Transimpedanzverstärkers 366 und dem phasengekoppelten Regelkreis 360 verbunden. Die positiven und negativen Ausgänge des Transimpedanzverstärkers 366 sind ferner mit dem digitalen Ausgangssignal auf Leitung 368 durch einen Mischer 370 gemischt. Der Ausgang des Mischers 370 wird dann verwendet, um den Transimpedanzverstärker 366 zu modulieren. Diese Modulation sorgt für einen automatischen Verstärkerkontrollschaltkreis, um die Amplitude der Schwingungen der Messmasse 302 zu kontrollieren. Dadurch sorgt das Antriebssy stem 310 für eine phasengekoppelte Schwingung konstanter Amplitude für die Messmasse und sorgt für ein sauberes Signal für die Coriolis-Demodulation.
Wieder mit Bezug auf 17A umfasst das Messsystem 312 vier Messelektroden 374a bis 374b (gestrichelt gezeigt, da sie sich neben dem Rotor 316 befinden). Jede Messelektrode ist als ein Vierteltortenabschnitt geformt und kann aus einer n+ Diffusionsregion im Substrat 304 gebildet sein. Die Messelektroden 374a und 374c sind entlang der X-Achse angeordnet, wohingegen die Messelektroden 374b und 374d entlang der Y-Achse angeordnet sind. Die Coriolis-Schwingung wird durch die Erfassung der Kapazitätsänderung zwischen Rotor 316 und Messelektroden 374a bis 374d gemessen. Wenn sich der Kreiselsensor zum Beispiel um die Y-Achse dreht, kann die Coriolis-Kraft bewirken, dass sich der rechte Teil des Rotors 316 dichter an die Messelektrode 374b bewegt und der linke Bereich des Rotors 316 sich weiter von der Messelektrode 374d weg bewegt. Auf diese Weise vergrößert sich die Kapazität zwischen Messelektrode 374b und Rotor 316, wohingegen die Kapazität zwischen Messe lektrode 374d und Rotor 316 abnimmt. Da jedes Paar gegenüberliegender Messelektroden für eine Differenzmessung sorgt, ändert die Translation des Rotors auf oder ab entlang der Z-Achse die Messausgabe nicht.
Bezug nehmend auf 18 verbindet eine erste Spannungsquelle 376 die gegenüberliegenden Messelektroden 374a und 374c und eine zweite Messspannungsquelle 378 verbindet die gegenüberliegenden Messelektroden 374b und 374d. Die Messspannungsquellen 376 und 378 erzeugen Wechselspannungen mit unterschiedlich modulierten Frequenzen. Zum Beispiel kann eine Spannungsquelle bei 200 kHz arbeiten und die andere Spannungsquelle kann bei 300 kHz arbeiten. Um die Positionssignale, die die Winkelposition des Rotors 316 um die X-Achse und die Y-Achse anzeigen, zu extrahieren, wird die Messmasse 302 elek trisch mit einem Integrator 380 verbunden. Der Integrator 380 kann einen Kondensator 381 umfassen, der eine Kapazität von ungefähr 50 Femtofarad hat. Ein Nutzen des Integrators 380 besteht darin, dass er die Linearität verbessert.
Der Ausgang des Integrators 380 wird mit dem Signal der Messspannungsquelle 376 durch einen Mischer 382 demoduliert. Der Ausgang des Integrators 380 wird ferner mit dem Signal der Messspannungsquelle 378 von einem Mischer 384 demoduliert. Die Ausgänge der Mischer 382 und 384 werden dann durch Mischer 386 und 388 mit einem digitalen Ausgangssignal auf Leitung 368 des phasengekoppelten Regelkreises 360 demoduliert. Der Ausgang des Mischers 386 liefert eine Winkelrotationsgeschwindigkeit des Kreiselsensors um die X-Achse und der Ausgang des Mischers 388 liefert eine Rotationsgeschwindigkeit des Kreiselsensor um die Y-Achse.
Die kombinierte mechanische und elektrische Empfindlichkeit des zweiachsigen Kreiselsensors 300 kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei V_s die Messspannung ist, C_i die Kapazität des integrierenden Kondensators ist, Q_x die Qualität des inversen Dämpfungskoeffizienten ist und V_out das Spannungssignal von dem Mischer ist. Ein Nachteil des Messsystems ist, dass eine kleine inhärente Spannung bei der zweifachen Antriebsfrequenz erzeugt wird. Allerdings ist diese Spannung weit von den Messmodulationsfrequenzen entfernt.
Wie oben beschrieben, wenn der zweiachsige Kreiselsensor 300 um eine Achse parallel zu der Oberfläche des Substrats ro tiert, dann induziert die Schwingung des Rotors 316 um die Z-Achse eine Schwingung um die X-Achse oder Y-Achse, die auf die Coriolis-Kraft zurückzuführen ist. In einem idealen Bauteil ist der Rotor 316 perfekt ausgerichtet, sodass die einzige Bewegung, die durch das Antriebssystem 310 bewirkt wird, innerhalb der X-Y-Ebene liegt. Allerdings können Herstellungsmängel den Rotor 316 dazu bringen, zu taumeln, da er Rotation um die Z-Achse ausführt ist. Speziell kann er aus der X-Y-Ebene schwingen oder taumeln, auch wenn der Kreiselsensor nicht um die X-Achse oder Y-Achse rotiert, da der Rotor 316 um die Z-Achse rotiert. Das Taumeln, das durch die Herstellungsmängel verursacht wird, erzeugt eine falsche Rotationsgeschwindigkeitsmessung, die Quadraturfehler genannt wird. Der Quadraturfehler in dem zweiachsigen Kreiselsensor 300 ist ähnlich dem Quadraturfehler in dem Z-Achsen-Kreiselsensor 20; der Quadraturfehler und die Coriolis-Beschleunigung sind beide sinusförmige Signale, die ihr Zentrum bei der Frequenz der Schwingung haben und um 90° phasenversetzt sind. Idealerweise eliminiert die Demodulation den Phasenversetzungsquadraturfehler. Allerdings verschlechtern ein gewisser Prozentsatz des Quadraturfehlers die Messung der Rotationsgeschwindigkeit, da die elektronischen Komponenten eine kleine Phaseverzögerung haben können.
Zurückkkehrend auf 17A umfasst das Quadraturkorrektursystem 314 acht Korrekturelektroden 390a bis 390h. Die Korrekturelektroden sind paarweise mit jedem äußeren Kamm 340a bis 340d angeordnet, der von zwei gegenüberliegenden Korrekturelektroden umgeben ist. Zum Beispiel wird der äußere Kamm 340a durch die Korrekturelektroden 390a und 390b flankiert. Jede Korrekturelektrode hat eine Vielzahl von Zähnen 392, die mit den Zähnen der äußeren Kämme verschränkt sind. Das Quadraturkorrektursystem 314 kann Spannungen an die Korrekturelektroden 390a bis 390h anlegen, um die Zähne 344 der äußeren Kämme auszuziehen und den Quadraturfehler aufzuheben.
Zurückkommend auf 18 kann jedes Paar von gegenüberliegenden Korrekturelektroden mit einer Gleichspannungsoffsetspannungsquelle verbunden sein. Zusätzlich können die Korrekturelektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors verbunden sein. Zum Beispiel kann die Korrekturelektrode 320a elektrisch mit der Korrekturelektrode 390f verbunden sein. Eine erste Gleichspannungsquelle 394 kann die Elektrode 390a mit der Elektrode 390b verbinden und eine zweite Gleichspannungsquelle 396 kann die Korrekturelektrode 390c und 390d verbinden. Der Gleichspannungsoffset kann gewählt sein, um die äußeren Kämme 340a bis 340d elektrostatisch anzuziehen und dadurch den Quadraturfehler aufzuheben.
Bezug nehmend auf 19 kann ein Bereich des Substrats 304 neben den Zähnen 344 und 392 eine n+ Diffusionsregion sein, um eine Kontrollfeldelektrode 398 zu bilden. Die Kontrollfeldelektrode 398 ist mit der Messmasse 302 elektrisch verbunden. Durch Anlegen einer üblicherweise positiven Spannung an die Zähne 392 und einer üblicherweise negativen Spannung an die Zähne 344 und die Kontrollfeldelektrode 398 erzeugt das elektrische Feld (durch die Feldlinien 399 gezeigt) eine aufwärtsgerichtete Kraft F_z auf die Zähne 344.
Bezug nehmend auf 17A erzeugen die Korrekturelektroden 390a und 390f eine aufwärtsgerichtete Kraft auf die Zähne der linken Seite des Rotors, die stärker als die aufwärtsgerichtete Kraft auf der rechten Seite des Rotors ist, die durch die Elektroden 390b und 390e erzeugt wird. Diese Kraftungleichgewicht erzeugt ein Ausgleichsdrehmoment, das das Bestreben hat, den Rotor so zu drehen, dass er in Abwesenheit des Coriolis-Kraft ausschließlich in der X-Y-Ebene schwingt. Da der Quadraturfehler zu einer linearen Verschiebung führt, müssen die Ausgleichkräfte proportional zu der Position der Messmasse um die Z-Achse sein. Das Ausgleichsdrehmoment F_z ist proportional zu der überlappenden Fläche zwischen Zähnen 344 und Zähnen 392. Da die überlappende Fläche zwischen Zähnen 344 und Zähnen 392 direkt proportional zu der Winkelposition des Rotors 316 ist, wird das Ausgleichsdrehmoment auch proportional zu der Winkelposition des Rotors sein.
Bezug nehmend auf 20 umfasst eine weitere Ausführungsform des zweiachsigen Kreiselsensors 300' ein modifiziertes Quadraturkorrektursystem 314'. In Quadraturkorrektursystem 314' sind vier im Allgemeinen rechtwinklige oder keilförmige Platten 340a' bis 340d' mit der äußeren Ecke 326 des Rotors 316 verbunden. Zwei befestigte Elektrodenfelder 390a' und 390b' sind neben jeder Platte auf dem Substrat 304 angeordnet. Die befestigten Elektrodenfelder 390a' und 390b' können aus n+ Diffusionsregionen in dem Substrat gebildet sein. Eine Offsetgleichspannung kann zwischen jedem Elektrodenfelderpaar angelegt werden, um den Quadraturfehler zu korrigieren. Z.B. kann eine positive Offsetspannung so angelegt werden, dass die Spannung des Elektrodenfelds 390b' höher als die Spannung des Elektrodenfelds 390a' ist. Weil der Rotor 316 entgegengesetzt des Uhrzeigersinns rotiert und sich die Platte 340a' nach rechts bewegt, wird mehr von der Platte mit dem Elektrodenfeld 390b' überlappen, und so wird die rechte Seite der Platte mehr zu dem Substrat hingezogen sein als die linke Seite der Platte. Dies wird ein Drehmoment erzeugen, das darauf abzielt, den Rotor 316 um die X-Achse zu drehen. Der zweiachsige Kreiselsensor 300' funktioniert ansonsten in einer Art ähnlich des zweiachsigen Kreiselsensors 300.
Bezug nehmend auf 21 verwenden in einem Kreiselsensor 400 das Antriebssystem, das Messsystem und das Quadraturkorrektursystem einen einzelnen Satz Elektroden. Der Kreiselsensor 400 umfasst eine Messmasse 402, die über eine flexible Aufhängung 406 mit einem Substrat 404 verbunden ist. Eine Vielzahl gegenüberliegender Elektrodenfinger 410a und 410b (es sind nur zwei gegenüberliegende Finger gezeigt) stehen von der Messmasse 402 entlang der X-Achse vor. Jeder Elektrodenfinger 410a ist durch jeweils stationäre Elektrodenfinger 412a und 414a flankiert. Auf die gleiche Weise wird jeder Elektrodenfinger 410b durch stationäre Elektrodenfinger 412b und 414b flankiert.
Um die Position der Messmasse entlang der Y-Achse zu erfassen, legt eine Spannungsquelle 420 eine hochfrequente (z.B. 1 MHz) Wechselspannung zwischen oberen Elektrodenfingern 412a, 412b und unteren Elektrodenfingern 414a, 414b an. Die Messmasse 402 ist mit einem Integrator 422 elektrisch verbunden. Der Ausgang des Integrators 422 liefert ein Positionssignal.
Um die Messmasse entlang der X-Achse anzutreiben, ist ein spannungskontrollierter Oszillator 426 angeschlossen, um eine Wechselspannung mit einer Frequenz ω zwischen den gegenüberliegenden Elektrodenfingern 412a, 414a und 412b, 414b anzulegen. Der Ausgang des Integrators 422 ist an einen Phasenmessschaltkreis 428 angelegt und der Ausgang des Phasenmessschaltkreises 428 kontrolliert den spannungskontrollierten Oszillator 426.
Die Ausgangsspannung V_out des Integrators 422 ist
wobei Q_struct die Ladung auf der Messmasse ist und C_I die Kapazität des Integrators 422 ist. Q_struct ist durch die Gleichung gegeben:
wobei V_F(t) der Wechselspannungsanteil der Antriebsspannung ist, C_x(t) die sich verändernde Kapazität auf den Antriebselektroden ist, sobald sich die Struktur entlang der X-Achse verlagert, und V_sense die Messspannung ist, die durch die Spannungsquelle 420 angelegt wird. Wenn man die Gleichungen 20 und 21 kombiniert führt das zu:
Wenn die Antriebsspannung V_F(t) V_Fsin(ωt) ist, dann ist die sich ergebende Verlagerung x(t) durch die folgende Gleichung gegeben: x(t) = X0(ω, ωx)sin(ωt + ϕ(ω, ωx)), (23)wobei ω die Antriebsfrequenz, ω_x die Antriebs-Moden-Resonanzfrequenz, X₀(ω,ω_x) die Amplitude und ϕ(ω,ω_x) die Phasendifferenz ist. Da ΔCx(t) proportional zu x(t) ist, ist
Wenn die Antriebsfrequenz ω gleich der Resonanzfrequenz ω_x ist, beträgt die Phase 90°. Da der cos(ϕ(ω, ω_x))-Term der Gleichung 25 einen Gleichspannungsoffset erzeugt, kann der Phasenmessschaltkreis (428) durch Messen, wann kein Gleichspannungsoffset gegeben ist, die Frequenz ω des spannungskontrollierten Oszillators 426 zur Resonanzfrequenz ω_x treiben. Dadurch verbleibt die Antriebsspannung mit der Position der Messmasse in Phase.
Die Quadraturfehlerkorrektur kann im Kreiselsensor 400 durch das Anlegen einer Gleichspannung zwischen Elektrodenfingern 412a und 414a und einer gleichen, aber entgegengesetzten Gleichspannung zwischen Elektrodenfingern 412b und 414b ausgeführt werden.
Bezug nehmend auf 22 kann ein mikrobearbeiteter Kreiselsensor 500 hergestellt werden, indem mikrobearbeitende Techniken für Einkristall-Silizium mit hoher Verhältniszahl verwendet werden, um ein überaus dickes Bauteil zu produzieren. Der Kreiselsensor 500 umfasst eine Schwingungsstruktur 502, die mit einem starren Rahmen oder Substrat 504 an den Ankerpunkten 511 verbunden ist. Die Struktur 502 ist so konfiguriert, dass sie in einer Ebene parallel zur Oberfläche 505 des Substrats schwingt. An sich trennt ein Spalt von ungefähr 0,5 bis 4,0 μm, wie z.B. ungefähr 1 μm, die Schwingungsstruktur von der Oberfläche 505.
Die Struktur 502 ist im Allgemeinen H-förmig und umfasst einen Messmassenanteil 506 und einen flexiblen Aufhängungsanteil 508. Der Aufhängungsanteil umfasst zwei parallele Querstege 516 und vier parallele Krümmungen 510, die im Allgemeinen entlang der X-Achse angeordnet sind. Ein Ende einer jeden Krümmung ist mit der Verankerung 511 verbunden, die die Struktur 502 mit dem Substrat verbindet, und das andere Ende einer jeden Krümmung ist mit einem der Querstege 516 verbunden. Die Gesamtlänge eines Quersteges 516 und zwei Krümmungen 510 kann ungefähr 200 bis 1500 μm in der Länge sein, vorzugsweise ungefähr 1250 μm.
Der Messmassenanteil 506 umfasst zwei Querstege 512, die mit zwei Stegen 514 verbunden sind, um eine im Allgemeinen quadratische Anordnung zu bilden. Zwischen den Stegen 514 sind außerdem drei zusätzliche Querstege 512 verbunden. Eine Vielzahl an Elektrodenzähnen oder -fingern stehen entlang der X-Achse von den Querbalken 512 vor. Vier zusätzliche Krümmungen 518 können die Krümmungen 510 mit dem Messmassenbereich 506 verbinden.
Die Struktur 502 kann aus einkristallinem Silizium gebildet sein. Die Struktur 502 kann eine Dicke T von wenigstens 25 μm haben und es ist vorteilhaft, wenn die Dicke T wenigstens 50 μm ist. Die Dicke kann zwischen ungefähr 50 und 100 μm sein, aber für einige Anwendungen kann die Dicke 250 μm sein. Die Krümmungen der Struktur können eine Breite W_F von ungefähr 2 bis 5 μm haben. Das Seitenverhältnis der Krümmungen, d.h. das Verhältnis von Breite zu Dicke, sollte größer als 10:1 sein und es ist für das Seitenverhältnis vorteilhaft, größer als 20:1 zu sein. Das Seitenverhältnis kann aber auch 50:1 oder größer sein. Die Stege und Querverbindungen der Messmasse können eine Breite W_B von ungefähr 5 bis 10 μm haben. Die Gesamtmasse der Struktur 502 kann ungefähr 10 bis 50 μg sein.
Der Aufhängungsbereich 508 ist so konstruiert, dass er entlang der X-Achse und Y-Achse flexibel ist und starr hinsichtlich anderer Schwingungsmoden. Insbesondere das hohe Seitenverhältnis der Krümmungen führt zu einer Struktur, die sehr starr bezüglich Verdrehungen und Z-Achsen-Beschleunigungen ist.
Bezug nehmend auf 23 umfasst der mikrogefertigte Kreiselsensor 500 vier elektronische Hauptelemente: ein Antriebssystem 520, das dazu verwendet wird, um die Schwingungen der Struktur 502 entlang der X-Achse aufrecht zu erhalten, ein Messsystem 540, die beide dazu verwendet werden, Auslenkungen der Struktur 502 entlang der Y-Achse zu detektieren, ein Messabstimmungssystem 560, das dazu verwendet wird, um die Resonanzfrequenz der Struktur 502 entlang der Y-Achse abzustimmen, und ein Quadraturkorrektursystem 580, das dazu verwendet wird, elektrostatische Kräfte anzulegen, um den Quadraturfehler aufzuheben.
Wie in den 15 und 16 gezeigt, umfasst das Antriebssystem 520 zwei gegenüberliegende Antriebselektrodenkämme 522a und 522b und zwei Rückkopplungselektrodenkämme 524a und 524b, alle mit dem Substrat 504 verbunden. Jeder Antriebselektrodenkamm und Rückkopplungselektrodenkamm umfasst eine Vielzahl an Elektrodenzähnen oder -fingern 526, die entlang der Antriebsachse vorstehen und die mit den Elektrodenzähnen oder -fingern 528, die von der Struktur 502 vorstehen, verschränkt sind. Die Elektrodenzähne 526 und 528 können eine Länge L von ungefähr 15 μm und eine Breite W_E von ungefähr 2 bis 6 μm haben. Die Elektrodenzähne 526 können durch einen Spalt von ungefähr 2,5 μm von den Elektrodenzähnen 528 getrennt werden. Die Elektrodenzähne 526 und 528 können aus derselben Schicht des einkristallinen Silikons bestehen und eine Dicke von ungefähr 100 μm haben.
Die Rückkopplungselektrodenkämme 524a und 524b sind elektrisch mit den positiven und negativen Eingängen eines Transimpedanzverstärkers 530 verbunden. Die Antriebselektrodenkämme 522a und 522b sind jeweils mit den positiven und negativen Ausgängen des Transimpedanzverstärkers und zu einer phasengekoppelten Regelkreisschaltung 532 verbunden. Wenigstens einer der Ausgänge des Transimpedanzverstärkers 530 kann mit einem Geschwindigkeitssignal des phasengekoppelten Regelkreises 532 durch einen Mischer 534 gemischt werden. Der Ausgang des Mischers 534 wird dann verwendet, um den Transimpedanzverstärker 530 zu modulieren, um einen automatischen Verstärkungskontrollschaltkreis für die Kontrolle der Schwingungsamplitude der Struktur 502 bereitzustellen.
Das Messsystem 540 umfasst ein gegenüberliegendes Paar von Messelektrodenkämmen, die linke Messelektrodenkämme 542a und 542b, und rechte Elektrodenkämme 544a und 544b haben. Die linken Messelektrodenkämme 542a, 542b umfassen eine Vielzahl von "linken" Elektrodenzähnen 546 und die rechten Messelektrodenkämme 544a, 544b umfassen eine Vielzahl von an "rechten" Elektrodenzähnen 548. Die Elektrodenzähne 546 und 548 sind mit den Elektrodenzähnen 550, die von der Struktur 502 derart vorstehen, dass jeder Elektrodenzahn 550 zwischen einem linken Zahn 546 und einem rechten Zahn 548 angeordnet ist, verschränkt.
Die Elektrodenzähne 546, 548 und 550 können eine Länge L von ungefähr 15 μm und eine Breite W_E von ungefähr 2 bis 6 μm haben. Die Elektrodenzähne 546, 548 und 550 haben eine Dicke von wenigstens 25 μm und die Dicke kann ungefähr zwischen 50 und 100 μm sein. Das Seitenverhältnis der Elektrodenzähne sollte bei wenigstens ungefähr 5:1 liegen. Das Seitenverhältnis kann bei wenigstens 10:1 liegen und es kann zwischen ungefähr 10:1 und 20:1 sein. Die Elektrodenzähne 550 können von den Elektrodenzähnen 546 und 548 durch einen Spalt getrennt sein, der eine Breite W_G zwischen ungefähr 0,5 und 4,0 μm hat, wie z.B. 2,5 μm. Das Seitenverhältnis des Spalts sollte wenigstens 10:1 sein und es kann größer als 20:1 und sogar größer als 50:1 sein. Die Elektrodenzähne 546, 548 und 550 können aus derselben Schicht des einkristallinen Siliziums in demselben Herstellungsschritt gebildet sein, sodass die Zähne koplanar sind.
Eine erste Spannungsquelle 552 legt eine Wechselspannung an die linken Messelektrodenkämme 542a und 542b an. Eine zweite Messspannungsquelle 554 legt eine Wechselspannung, die um 180° phasenversetzt zu der ersten Messspannung ist, an die rechten Messelektrodenkämme 544a und 544b an. Die Messspannungsquellen können Wechselspannungssignale erzeugen, die eine Maximalspannung von ungefähr 0,1 bis 5,0 V und eine Frequenz von ungefähr 0,1 bis 5,0 MHz haben. Die Wechselspannungssigna le können eine Spannungsamplitude von 1 V und eine Frequenz von 1 MHz haben.
Um das Coriolis-Signal Ω_z zu messen, ist die Struktur 502 elektrisch mit einem Integrator 556 verbunden und der Ausgang des Integrators 556 durch einen Wechselspannungsverstärker 558 verstärkt. Das Signal von einer der Messspannungsquellen wird mit einem Positionssignal des phasengekoppelten Regelkreises 532 durch einen Mischer 536 gemischt. Der Ausgang des Mischers 536 wird dann mit dem Ausgang des Verstärkers 558 durch einen Mischer 538 gemischt, um das Coriolis-Signal zu erzeugen.
Die Abstimmung der Y-Achsen-Resonanzfrequenz kann durchgeführt werden, indem das Messabstimmungssystem 560 eine Gleichspannungs-Vorspannung zwischen einem Satz innerer Abstimmungselektroden 562 und äußeren Abstimmungselektroden 564 anlegt. Die Elektroden 566 stehen über die Struktur 502 hinaus und sind mit den inneren Abstimmungselektroden 562 und den äußeren Abstimmungselektroden 564 verschränkt. Eine Abstimmungsspannungsquelle 568 legt eine Vorspannung V_Δfy zwischen inneren Elektroden 562 und äußeren Abstimmungselektroden 564 an. Alternativ könnte die Y-Achsen-Resonanzfrequenz durch das Anlegen einer Gleichspannungs-Vorspannung zwischen der Schwingungsstruktur und den Abstimmungselektroden abgestimmt werden.
Die Aufhebung des Quadraturfehlers wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen diagonalen Elektrodenpaaren erreicht. Das Quadraturfehlerkorrektursystem 580 umfasst eine untere linke Elektrode 582a, eine obere linke Elektrode 582b, eine untere rechte Elektrode 584a und eine obere rechte Elektrode 584b. Die untere linke Elektrode 582a ist mit der oberen rechten Elektrode 584b verbunden und die obere linke Elektrode 582b ist mit der unteren rechten Elektrode 584a verbunden. Eine Quadraturkorrekturspannungsquelle 586 legt zwischen den Elektrodenpaaren 582a, 584b und 582b, 584a eine Vorspannung 2 U_Quad an. Die Vorspannung erzeugt eine Ausgleichskraft, die proportional zu der Position der Messmasse entlang der X-Achse ist. Die Vorspannung kann experimentell bestimmt werden (wie in 13 gezeigt) und kann in der Größenordnung von 1 mV bis 100 mV liegen.
Zusätzlich kann das Quadraturfehlerkorrektursystem 580 einen Rückkopplungskreis umfassen, um die Vorspannung automatisch anzupassen. Ein Geschwindigkeitssignal des phasengekoppelten Regelkreises 532 kann mit einem Signal von einem der Messspannungsquellen durch einen Mischer 590 gemischt werden. Der Ausgang des Mischers 590 kann mit dem Ausgang des Verstärkers 558 durch einen Mischer 592 gemischt werden. Der Ausgang des Mischers 592 kann dazu verwendet werden, um die Spannungsquelle 586 zu kontrollieren.
Angenommen dass die Masse M der Struktur 502 36 μg ist, die Antriebs- und Messfrequenzen ω_x und ω_y jeweils 63 kHz sind, der Qualitätsfaktor Q für einkristallines Silizium 200 000 ist (ungefähr 3- bis 4-mal höher als der von polykristallinem Silizium) und die Amplitude X₀ der Antriebsmode 5 μm ist, dann kann man aus Gleichung 16 errechnen, dass das Brownsche-Rauschen Ω_nB bei Raumtemperatur für eine Bandbreite (BW) von 60 Hz ungefähr 2 °/h ist.
Das elektronische Grundrauschen ist durch das thermische Rauschnivenau im Ladungsintegrator 556 bestimmt. Wenn die Messfrequenz ω_y elektrostatisch mit der Antriebsfrequenz ω_x plus einer Offsetfrequenz Δω abgestimmt wird, kann das elektronische Rauschen Ω_nE aus der Gleichung errechnet werden:
wobei g₀ die Messkondensatorspaltbreite ist, X₀ die Schwingungsamplitude, V_s die Messspannung, k_B die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur, C_S die Messkapazität, C_P die parasitäre Kapazität, f_T die CMOS-Übergangsfrequenz und BW die Bandbreite ist.
Wenn man annimmt dass der Messkondensatorspalt g₀ 2,5 μm groß ist, die Messspannung V_S 1 V ist, C_S die Messkapazität ist, C_S 1,25 pF groß ist, die parasitäre Kapazität C_P 0,25 pF ist und die CMOS-Übergangsfrequenz f_T 1 GHz ist, dann kann man aus Gleichung 18 errechnen, dass ein Frequenzoffset Δω von 2π (175 Hz) erforderlich ist, um das elektronische Grundrauchen gleich 2,5 °/h zu machen. Dieser Abstimmungsgrad ist grundsätzlich möglich, da die Messungsbandbreite ungefähr 60 Hz beträgt.
Durch Vergrößerung der Dicke der Elektrodenzähne 546, 548 und 550 wird die Oberflächenfläche zwischen den stationären und beweglichen Elektroden vergrößert, was zu einer größeren Messkapazität führt. Die größere Messkapazität verringert das elektronische Rauschen. Gleichermaßen ist die dickere Struktur massiver und dadurch weniger der Brownschen Bewegung unterworfen. Kurz gesagt, ein Kreiselsensor, der Strukturen aus einkristallinem Silizium mit hohem Anteilverhältnis verwendet, kann ungefähr einhundertmal sensitiver sein als ein Kreiselsensor, der Strukturen verwendet, die aus dünnen polykristallinen Siliziumschichten gebildet sind.
Die Herstellung des Kreiselsensors 500 umfasst sechs Basisschritte: Prozessieren des Handhabungs-Wafers, Prozessieren des Bauteil-Wafers, Bindung, CMOS-Verarbeitung der verbundenen Struktur, Ätzen, um die Schwingungsstruktur und stationären Elektroden zu bilden, und die Abdeckung.
Bezug nehmend auf 24A kann die Verarbeitung eines unteren Substrats 600 mit einem Handhabungs-Wafer 602 anfangen, der ein einkristallines Siliziumsubstrat sein kann. Der Handhabungs-Wafer 602 wird oxidiert, um eine Oxidschicht 604 zu bilden, und eine polykristalline Siliziumschicht 606 wird auf der Oxidschicht 604 aufgebracht. Die polykristalline Siliziumschicht 606 wird dann dotiert, poliert und strukturiert, um die Verbindungen für die elektrisch isolierten Elektroden 522a, 522b, 524a, 524b, 542a, 542b, 544a, 544b, 562, 564, 582a und 584b und 582b und 584a des Kreiselsensors zu bilden.
Bezug nehmend auf 24B kann die Verarbeitung eines oberen Substrats 610 mit einem Bauteil-Wafer, wie z.B. einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat beginnen. Der Bauteil-Wafer umfasst eine Oxidschicht 616, die zwischen zwei einkristallinen Siliziumschichten 614 und 618 angeordnet ist. Eine oberflächliche Einkerbung 620 wird in der Oberfläche 622 der ein-kristallinen Siliziumschicht gebildet, außer in den Regionen 624. Die Regionen 624 bilden die Anker 511, die die Schwingungsstruktur 502 mit dem Substrat 540 verbinden. Die Einkerbung 620 kann durch Auftragung einer Photowiderstandsmaske, Wegätzen der exponierten Teile der einkristallinen Siliziumschicht 614 und der Entfernung der Maske gebildet werden. Alternativ kann die Einkerbung 620 durch mechanisches Ausdünnen gebildet werden.
Die Dicke der einkristallinen Siliziumschicht 614 definiert die Dicke der Schwingungsstruktur 502 und die Tiefe der Einkerbung 620 definiert den Abstand zwischen der Schwingungsstruktur und dem Substrat. Vorzugsweise ist die einkristalline Siliziumschicht 614 ungefähr 100 μm dick und die Einkerbung 620 ungefähr 1 μm tief.
Bezug nehmend auf 24C sind das untere Substrat 600 und das obere Substrat 610 mit der Oberfläche 622 des oberen Substrat 610 ausgerichtet, das an die strukturierte polykristalline Siliziumschicht 606 des unteren Substrat 600 angrenzt. Die oberen und unteren Substrate sind so verbunden, dass die Einkerbung 620 einen versiegelten Hohlraum 626 zwischen den zwei Substraten bildet. Bezug nehmend auf 24D, wird dann das obere Substrat 610 durch Ätzen oder mechanisches Entfernen der ein-kristallinen Siliziumschicht 618 ausgedünnt, um die Oxidschicht 616 freizulegen und die Oxidschicht 616 wird abgestreift. An diesem Punkt ist die verbundene Anordnung für eine Standard-CMOS-Verarbeitung bereit. Da der versiegelte Hohlraum 626 komplett im Inneren ist, erscheint die verbundene Anordnung als ein unverarbeiteter Silizium-Wafer und kann mit konventionellen Techniken weiter verarbeitet werden.
Bezug nehmend auf 24E wird der integrierte Schaltkreis des Kreiselsensors 500 auf einer freigelegten Oberfläche 630 einer einkristallinen Siliziumschicht 614 in Bauteilbereichen 632 hergestellt. Nach der Schaltkreisherstellung wird eine Thermokompressionsbindungsschicht 634 aufgebracht und strukturiert. Die Verbindungsschicht 634 kann ein leitendes Metall, wie z.B. Gold sein.
Bezug benehmend auf 24F werden die Strukturen des Kreiselsensors in der einkristallinen Siliziumschicht 614 gebildet. Eine Photowiderstandsmaske wird über der Verbindungsschicht 634 und der freigelegten Oberfläche 630 aufgebracht und um die Abstände zwischen der Schwingungsstruktur 502 und den stationären Elektroden (nicht gezeigt in dieser Querschnittsansicht) zu bestimmen, ist die Photowiderstandsmaske strukturiert. Die einkristalline Siliziumschicht 614 wird geätzt durch Anwenden von induktiv gekoppeltem, plasmabasierten Reaktivionen-Tiefätzen bis der Hohlkörper 626 freigelegt ist. Der Ätzschritt bildet Einkerbungen 636, die die freistehende Schwingungsstruktur und die verschiedenen Elektrodenstrukturen des Kreiselsensors erzeugen. Nach dem Reaktivionenätzen kann ein Sauerstoffplasma dazu verwendet werden, um die Photowiderstandsmaske zu entfernen und die Anordnung kann einer UV-Ozonreinigung unterzogen werden.
Schließlich, Bezug nehmend auf 24G, wird ein Abdeck-Wafer 640 ausgerichtet und mit dem oberen Substrat 610 verbunden. Der Abdeck-Wafer 640 kann aus Glas oder oxidiertem Silizium sein. Eine Unterseite 642 des Abdeck-Wafers kann eine strukturierte Thermokompressionsbindungsschicht 644 haben. Die Verbindungsschicht 634 kann mit der Verbindungsschicht 644 ausgerichtet sein und die Thermokompressionsbindung kann durch die Anwendung eines Drucks von ungefähr 20 psi und einer Temperatur von ungefähr 300 bis 350 °C für einige Minuten gebildet werden. Der Abdeck-Wafer kann ferner ein geätztes Loch 646 umfassen, das den Zugang zu Verbindungsflächen 648 in den Bauteilregionen 632 erlaubt.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr wird der Erfindungsumfang durch die angehängten Ansprüche festgelegt.

Claims

Sensor zur Messung der Rotation um eine Eingabeachse, wobei der Sensor aufweist: ein Substrat (24); eine Masse (22), die mit dem Substrat durch ein Aufhängungssystem (30) verbunden ist, um Bewegung der Masse relativ zu dem Substrat zu ermöglichen; ein Antriebssystem (32) zur Bewirkung von Schwingungen der Masse im Wesentlichen entlang einer Antriebsachse (x-Achse) in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Substrats; eine erste Vielzahl von Elektrodenfingern (38), die von der Masse (22) weg im Wesentlichen entlang der Antriebsachse zeigen, um bewegliche Abtastelektroden (56) zu bilden; eine zweite Vielzahl von Elektrodenfingern (70), die auf dem Substrat angeordnet sind, um stationäre Abtastelektroden (62) zu bilden, wobei die zweite Vielzahl der Elektrodenfinger in Paaren angeordnet ist, jedes Paar einen rechten Finger (74) und einen linken Finger (76) umfasst, wobei die erste Vielzahl von Elektrodenfingern mit der zweiten Vielzahl der Elektrodenfingern ineinander greift, sodass jeder Elektrodenfinger in der ersten Vielzahl mit einem linken Finger und einem rechten Finger der zweiten Vielzahl benachbart ist; eine oder mehrere Gleichspannungsquellen (120, 122, 124, 126) zur Anlegung verschiedener Spannungen an die linken und rechten Finger in der zweiten Vielzahl, sodass die Masse in Abwesenheit einer Coriolis-Kraft entlang der Antriebsachse schwingt; und einem Positionssensor (80) zur Messung der Auslenkung der Masse entlang einer Abtastachse (y-Achse) in der Ebene parallel zu der Oberfläche des Substrats.
Sensor gemäß Anspruch 1, worin der Positionssensor an die erste Vielzahl von Elektrodenfingern gekoppelt ist und einen Integrator umfasst, um ein Signal von der ersten Vielzahl von Elektrodenfingern zu integrieren.
Sensor gemäß Anspruch 1, worin die erste und zweite Vielzahl der Elektrodenfinger ein Seitenverhältnis von wenigstens 5:1 haben.
Sensor gemäß Anspruch 1, worin die Abstände zwischen den ersten und zweiten Elektrodenfingern ein Seitenverhältnis von wenigstens 10:1 haben.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Antriebssystem (32) aufweist: eine dritte Vielzahl von Elektrodenfingern (39), die von der Masse (22) weg zeigen, um bewegliche Antriebselektroden (58) zu bilden, und eine vierte Vielzahl von Elektrodenfingern (66), die auf dem Substrat (24) angeordnet sind, um stationäre Antriebselektroden (60a, 60b) zu bilden, wobei die dritte und vierte Vielzahl der Elektroden so angeordnet sind, dass Schwingungen der Masse entlang der Antriebsachse (X-Achse) bewirkt werden.
Sensor gemäß Anspruch 5, des weiteren umfassend eine Gleichspannungsquelle zur Anlegung einer Gleichspannung zwischen der dritten (39) und vierten (66) Vielzahl von Elektroden, um zu bewirken, dass die Masse schwingt.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Antriebssystem ferner aufweist: eine fünfte Vielzahl von Elektrodenfingern, die von der Masse (22) weg zeigen, um bewegliche Rückkopplungselektroden (59) zu bilden, und eine sechste Vielzahl von Elektroden, die auf dem Substrat (24) angeordnet ist, um stationä re Rückkkopplungselektroden (61a, 61b) zu bilden, wobei die fünfte und sechste Vielzahl von Elektroden so angeordnet sind, dass sie eine Rückkkopplung zur Positionskontrolle der Masse bilden.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei jeder Elektrodenfinger in der ersten Vielzahl eine erste Länge und jeder Elektrodenfinger in der dritten Vielzahl eine zweite Länge hat, die verschieden von der ersten Länge ist.
Sensor gemäß Anspruch 8, wobei die erste Länge größer als die zweite Länge ist.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei das Aufhängungssystem (30) umfasst: einen ersten Balken und einen zweiten Balken, der im Wesentlichen parallel zu dem ersten Balken ist, wobei jeder der ersten und zweiten Balken an beiden Enden mit dem Substrat verankert ist und einen dritten Balken und einen vierten Balken, der im Wesentlichen parallel zu dem dritten Balken ist, wobei ein Ende eines jeden dritten und vierten Balkens mit dem ersten Balken verbunden und ein anderes Ende mit dem zweiten Balken verbunden ist.
Sensor gemäß Anspruch 10, ferner einschließlich: eines fünften Balkens und eines sechsten Balkens, wobei ein Ende eines jeden fünften und sechsten Balkens mit dem dritten Balken verbunden ist und die anderen Enden mit dem vierten Balken verbunden sind; und eines siebten Balkens, wobei ein Ende des siebten Balkens mit dem fünften Balken verbunden und das andere Ende mit dem sechsten Balken verbunden ist.
Sensor gemäß Anspruch 10, wobei Bereiche der ersten und zweiten Balken, die zwischen den dritten und vierten Balken angeordnet sind, im Wesentlichen starr sind, um einer Rotation der Masse vorzubeugen.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der Positionssensor eine Auslenkung der Masse entlang der Abtastachse mißt, wenn die Masse um die senkrecht zur Oberfläche des Substrats angeordneten Z-Achse gedreht wird, wobei die Rotation um die Z-Achse und die Schwingung der Masse entlang der Antriebsachse eine Coriolis-Kraft erzeugen, um die Masse entlang der Abtastachse abzulenken.
Sensor gemäß Anspruch 13, ferner einschließlich: eines Signalprozessors, der an den Ausgang eines Positionssensors gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das sich mit der Rotationsrate der Masse um die Z-Achse verändert.
Sensor gemäß Anspruch 14, wobei der Positionssensor zur Anlegung einer Wechselspannung zwischen den linken und rechten Fingern der zweiten Vielzahl der Elektrodenfinger eine Wechselspannungsquelle umfasst.
Sensor gemäß Anspruch 15, wobei die Wechselspannung zwischen den linken und rechten Fingern der zweiten Vielzahl von Elektrodenfinger angelegt wird, um eine kapazitive Brücke der ersten Vielzahl der Elektrodenfinger zu bilden, und der Positionssensor mit der ersten Vielzahl von Elektrodenfingern verbunden ist, um Veränderungen in der Kapazität zu detektieren, wenn die Masse entlang der Abtastachse abgeleitet wird.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die Sensorachse im Wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse ist.
Verfahren zur Rotationsabtastung, das einen Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 verwendet, wobei das Verfahren einschließt: Rotieren der Masse um eine Rotationsachse; Bewirken, dass die Masse im Wesentlichen entlang der Antriebsachse schwingt, Rotation der Masse um die Rotationsachse und Schwingung der Masse entlang der Antriebsachse zur Erzeugung einer Coriolis-Kraft, um die Masse entlang der Abtastachse abzulenken; Messen der Auslenkung der Masse entlang der Abtastachse; und Anlegen einer Gleichspannung zwischen den linken und rechten Elektrodenfingern in der zweiten Vielzahl, sodass die angelegte Spannung bewirkt, dass die Masse entlang der Antriebsachse schwingt, wenn keine Coriolis-Kraft zugegen ist.