DE69924235T2

DE69924235T2 - Anordnung zur messung der winkelgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE69924235T2
Application number: DE69924235T
Authority: DE
Inventors: Gert Andersson; Nils Hedenstierna; Per Svensson
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: US6467349B1; EP1467179A2; EP1467179B1; JP4577671B2; JP2009075115A; AU2446999A; EP1049936A1; EP1467179A3; JP2002501202A; WO1999038016A8; SE9800194D0; DE69924235D1; JP4223191B2; AU737306B2; WO1999038016A1; EP1049936B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit. Eine Anordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung kann in einem Motorfahrzeug dazu verwendet werden, einen Unfall mit Überschlag zu erfassen, um die Ausbringung einer Sicherheitseinrichtung wie etwa eines Airbags zu steuern.
Schwingende Meßgeräte für die Winkelgeschwindigkeit bzw. Gyrometer des Typs der Stimmgabel, oder bei denen andere schwingende Teile verwendet werden, sind bis heute sowohl aus Metall als auch aus Quarz und auch aus Silizium aufgebaut und getestet worden. Beide Bauarten können mit einer offenen Schleife und mit einer geschlossenen Schleife mit Rückführung aufgebaut werden. Der Vorteil von auf Quarz und Silizium basierten Gyrometern im Vergleich zu dem früher vorgeschlagenen Gyrometer mit Metallgabel (Barnaby et. al., Aeronautical engineering review, S. 31, Nov. 1953) besteht darin, daß sie minaturisiert und relativ kostengünstig in großen Produktionsläufen durch chargenweise Herstellung hergestellt werden können.
Anders als rotierende Gyrometer, bei denen die Corioliskraft ein konstantes Drehmoment während einer Umdrehung erzeugt, führt eine Drehung eines schwingenden Gyrometers zu einem oszillierenden Drehmoment, bei dem die Amplitude proportional zu der Umdrehungsgeschwindigkeit ist und die Phase die Drehrichtung anzeigt. Als Ergebnis davon werden relativ aufwendige elektronische Schaltungen zur Anregung und Erfassung und zur Auswertung des Gyrometersignals von einem schwingenden Gyrometer benötigt, im Vergleich mit einem herkömmlichen rotierenden Gyrometer.
Da Silizium ein gut entwickeltes elektronisches Material ist, besteht ein beträchtlicher Vorteil darin, ein auf Silizium basierendes Gyrometer integriert zusammen mit der zugehörigen An regungs- und Sensorelektronik zu verwenden. Allerdings ist es bisher nicht möglich gewesen, eine herkömmliche Stimmgabel auf einfache Weise aus Silizium herzustellen und zu erregen.
Der Vorteil einer Stimmgabelkonstruktion besteht darin, daß sie in einem dynamisch ausgeglichenen Modus zum Schwingen gebracht werden kann, der das Gyrometer unempfindlich gegenüber einer Schwingung macht und der einen großen Q-Faktor erbringt, da wenig Schwingungsenergie an die Umgebung abgegeben wird. Auch wenn es vom Grundsatz her möglich ist, moderne Plasmaätztechniken zu verwenden, um aus Silizium eine Stimmgabel herauszuätzen (oder eine andere horizontal schwingende Struktur (Satchell, britische Patentanmeldung GB2198231A )), verbleibt dennoch das Problem der Anregung.
Bei Silizium ist es nicht möglich, den piezoelektrischen Effekt unmittelbar für die Anregung wie im Falle von Quarz auszunutzen, da Silizium kein piezoelektrisches Material ist. Es kann zwar selbstverständlich eine piezoelektrische Schicht auf Silizium abgelagert werden, aber wenn die Struktur in vertikaler Richtung ausgehend von der Oberfläche des Substrats nach unten herausgeätzt worden ist, bedeutet dies, daß eine piezoresistive Schicht mit konstanter Dicke auf vertikalen Wänden abgelagert werden muß, wobei dies ziemlich problematisch sein kann.
Statt dessen hat die bis heute am meisten gebräuchliche Lösung für das Problem der Anregung für auf Silizium basierende Gyrometer darin bestanden, eine elektrostatische Anregung bzw. Erregung unter rechten Winkeln zu der Substratoberfläche zu verwenden, indem leitende Platten auf einer oder beiden Seiten einer Stange oder Taumelscheibe, möglicherweise mit einem Gewicht darauf, anzubringen, oder alternativ ganz einfach die gesamte Komponente auf einer piezoelektrischen Platte praktisch "festzukleben".
Ungünstigerweise ist es so, daß die mikromechanischen Gyrometer, die früher vorgeschlagen worden sind und bei denen eine elektrostatische Anregung unter einem rechten Winkel zu der Substratoberfläche verwendet wurde, die relativ leicht hergestellt werden können, den Nachteil eines niedrigen gyroskopischen Skalenfaktors in der Größenordnung von 0,01 bis 0,2 aufweisen (Boxhorn, US-Patent 4 598 585). Dies kann mit einer Stimmgabel verglichen werden, die einen gyroskopischen Skalenfaktor von 2 aufweist, die allerdings wesentlich schwie riger herzustellen ist, weil sie eine Erregung parallel zu der Substratoberfläche erfordert, da die Schenkel in der Ebene des Substrats und in Gegenphase zueinander schwingen müssen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor bereitgestellt, der dazu angepaßt ist, auf eine Drehung anzusprechen, wobei der Sensor einen Grundkörper aufweist, der aus einem im wesentlichen ebenen Substrat gebildet ist, wobei der Grundkörper einen Träger aufweist, wobei der Träger zwei einander gegenüberliegende Enden aufweist und jedes Ende dazu bestimmt ist, in einer Position fixiert zu werden, wobei der Träger mit zumindest einer trägen Masse versehen ist, die mit dem Träger an einer vorbestimmten Position verbunden ist, wobei dem Grundkörper ein Mittel zugeordnet ist, um eine erste Oszillation der trägen Masse im wesentlichen um eine Achse hervorzurufen, die senkrecht zu der Ebene des Substrats ist, wobei ein Mittel vorhanden ist, um eine zweite Oszillation der Masse im wesentlichen um eine Achse zu erfassen, die mit der Längsachse des Trägers übereinstimmt, wobei die zweite Oszillation durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, die entsteht, wenn der Grundkörper einer Drehung um eine Achse unterworfen ist, die zumindest eine Komponente in der genannten Ebene aufweist, aber senkrecht zu der genannten Achse des Trägers ist, wobei der Träger so konfiguriert ist, daß sich der Träger am leichtesten in einer vorbestimmten Richtung durchbiegt, wobei diese Richtung einen spitzen Winkel mit der Ebene bildet, so daß diese Richtung weder parallel zu noch senkrecht zu der Ebene ist, so daß die erste Oszillation durch eine Erregungskraft eingeleitet werden kann, die nicht parallel zu der genannten Ebene ist.
Bevorzugt ist bei einem Sensor gemäß Anspruch 1 vorgesehen, daß das Mittel zum Hervorrufen der ersten Oszillation angepaßt ist, um eine Anregungskraft zu erzeugen, die im wesentlichen senkrecht zu der genannten Ebene ist.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß die vorbestimmte Richtung, in der sich der Träger am leichtesten durchbiegt, unter 55° zu der Ebene des Substrats verläuft.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die oder jede träge Masse zwei Elemente aufweist, die jeweils auf einer Seite des Trägers innerhalb des Ebene des Substrats angeordnet sind, wobei die bei den Elemente durch einen Verbindungsstab miteinander verbunden sind, wobei der zentrale Bereich des Verbindungsstabs einteilig mit einem Abschnitt des Trägers verbunden ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Mittel zum Hervorrufen der ersten Oszillation der oder jeder trägen Masse eine Anordnung aufweist, die zumindest eine kapazitive Platte umfaßt, die benachbart zu einem ausgewählten Abschnitt der oder jeder jeweiligen trägen Masse angeordnet ist, und ein Mittel, um ausgewählte Potentiale an die oder jede kapazitive Platte anzulegen, wobei die oder jede träge Masse mit einem leitenden Abschnitt versehen ist, wobei ein Mittel vorhanden ist, um ein vorbestimmtes Potential an den leitenden Abschnitt anzulegen, wobei die Anordnung so ist, daß die Potentiale, die an die oder jede kapazitive Platte angelegt sind, einen Teil der oder jeder trägen Masse dazu veranlassen, dazu zu neigen, außerhalb der Ebene des Substrats durchgebogen zu werden.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß eine Anzahl der genannten kapazitiven Platten vorhanden ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die oder jede kapazitive Platte auf einem Substrat aus Glas oder halbisolierendem Silizium angeordnet ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Mittel zum Anlegen von Potentialen an die oder jede kapazitive Platte angepaßt ist, um Signale bereitzustellen, die eine wippenartige Bewegung der oder jeder trägen Masse um den Verbindungsstab erzeugen, wobei die Wirkung der Anordnung des Trägers so ist, daß diese Oszillation die genannte erste Oszillation um die Achse senkrecht zu der Ebene des Substrats erzeugt.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß das Mittel zum Erfassen der zweiten Oszillation zumindest eine weitere kapazitive Platte aufweist, die benachbart zu einem ausgewählten Abschnitt der oder jeder trägen Masse angeordnet ist, und ein Mittel, um die Kapazität zwischen der oder jeder weiteren kapazitiven Platte und dem genannten Grundkörper zu messen, um die zweite Oszillation zu erfassen.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß eine Anzahl der genannten weiteren kapazitiven Platten vorhanden ist.
In einer Ausführungsform sind Mittel an den gegenüberliegenden Enden des Trägers vorgesehen, um den Träger in einer Position anzubringen, und es ist nur eine einzelne träge Masse vorhanden, wobei die träge Masse im wesentlichen mittig bzgl. des Trägers auf halber Strecke zwischen den Mitteln zum Anbringen des Trägers in einer Position angeordnet ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die träge Masse symmetrisch um die Achse des Trägers ist.
In einer alternativen Ausführungsform sind zwei träge Massen vorhanden, wobei die trägen Massen symmetrisch auf dem Träger angeordnet sind und jede träge Masse an einer Position zwischen dem mittleren Abschnitt des Trägers und einem jeweiligen Ende des Trägers angeordnet ist.
Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß die beiden trägen Massen identisch sind und symmetrisch um die Achse des Trägers sind.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß jede träge Masse mit einem Mittel zum Hervorrufen einer ersten Oszillation der Masse um eine Achse senkrecht zu der Ebene des Substrats versehen ist, wobei die Anordnung so ist, daß die Massen in Gegenphase oszillieren.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Grundkörper aus einem monokristallinen Substrat hergestellt ist, wie etwa Silizium.
Der Sensor kann dazu angepaßt sein, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, das für eine Winkelgeschwindigkeit repräsentativ ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Sensor, wie er vorstehend beschrieben ist, der auf einem Motorfahrzeug angebracht ist, um das Ausbringen einer Sicherheitseinrichtung zu steuern.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Konstruktion eines schwingenden Gyrometers bereit, der aus einem Substrat gebildet ist, das sich dazu eignet, elektrostatisch und unilateral angeregt zu werden, mit einem gyroskopischen Skalenfaktor, der größer als 0,2 ist, und die in Form einer dynamisch ausgeglichenen Struktur ist, die unempfindlich sowohl gegenüber einer linearen Beschleunigung als auch gegenüber einer Winkelbeschleunigung ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die gyroskopische Masse oder die Massen auf einem Stab aufgehängt werden, der so konfiguriert ist, daß er sich am leichtesten in einer vorbestimmten Richtung durchbiegt, die in dieser Beschreibung als die „weiche" Biegerichtung bezeichnet wird und die nicht unter einem rechten Winkel zu oder parallel zu der normalen Ebene des Substrats verläuft. Als Ergebnis davon kann die gyroskopische Masse oder die Massen dazu gebracht werden, sich im wesentlichen innerhalb der Ebene des Substrats zu bewegen, wenn eine elektrostatische Anregung mit der richtigen Frequenz im wesentlichen unter einem rechten Winkel zu dem Substrat aufgebracht wird. Auf diese Weise kann die Bewegung der Masse ausgenutzt werden, so daß ein großes gyroskopisches Drehmoment aus der Ebene heraus erhalten wird, wenn die Anordnung einer Drehung in der Ebene unter einem rechten Winkel zu der Bewegung der Masse unterworfen wird. Frühere, kardanisch aufgehängte Konstruktionen, wie etwa die, die aus dem schwedischen Patent SE9500729-0 bekannt ist, weisen den beträchtlichen Nachteil auf, daß sie einen niedrigen gyroskopischen Skalenfaktor besitzen, was den Gyrometer empfindlich für Schwingungen macht, insbesondere dann, wenn er nicht in einem vollständig ausgeglichenen Modus schwingt – etwas, das bisher mit unilateraler Anregung und Erfassung unmöglich war.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dehnt die Technologie von schwingenden Konstruktionen für Gyrometer, die aus einem Halbleitersubstrat gebildet sind, aus, so daß eine Integration mit einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser möglich ist, wenn die gleiche Herstellungstechnik, wie sie aus dem schwedischen Patent SE9203648-2 bekannt ist, verwendet wird, um einen Stab zu verkörpern, dessen „weiche" Biegerichtung nicht unter einem rechten Winkel oder parallel zu der normalen Ebene des Substrats verläuft, und ermöglicht die Herstellung von schwingenden Gyrometern in dem gleichen Substrat für die gleichzeitige Messung einer Drehung um zwei Achsen unter einem rechten Winkel zueinander. In Abhängigkeit von den Anforderungen der Anwendung können die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl von Konfigurationen in dem gleichen Substrat integriert werden, in dem auch Beschleunigungsmesser eingegliedert sein können. Dadurch ist die gleichzeitige Messung einer Drehung um eine Vielzahl von Achsen möglich, möglicherweise in Kombination mit einer Beschleunigungsmessung. Außerdem kann die Anordnung in Abhängigkeit von den Anforderungen der Anwendung an die Genauigkeit entweder mit einer offenen Schleife oder mit einer geschlossenen Schleife mit Rückführung ausgebildet sein. Die Verwendung der hochentwickelten Siliziumtechnologie bei der Herstellung ermöglicht eine Massenproduktion bei niedrigen Kosten und mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit weist einen Stab auf, dessen weiche Biegerichtung nicht unter einem rechten Winkel oder parallel zu der Normalen zu dem Substrat verläuft, mit einer zentral angeordneten trägen Masse, die aus dem gleichen Material wie der Stab herausgeätzt werden kann. Ein Beispiel für ein solches Material ist Silizium, das dotiert werden kann, um leitende Elemente zu erzeugen, wo diese benötigt werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung zum Messen einer Winkelgeschwindigkeit weist einen Stab auf, dessen weiche Biegerichtung nicht unter einem rechten Winkel zu oder parallel zu der Normalen zu dem Substrat verläuft, und wobei zwei träge Massen entlang des Stabs angeordnet sind, die aus dem gleichen Material wie der Stab herausgeätzt werden können. Ein Beispiel für ein solches Material ist Silizium, das dotiert werden kann, um leitende Elemente zu erzeugen, wo diese benötigt werden.
Bei diesen beiden Anordnungen sind die trägen Massen mit dem Rest des Substrats durch eine flexiblen Stab verbunden, der eine Biegerichtung aufweist, die nicht unter einem rechten Winkel oder parallel zu der Normalen zu dem Substrat verläuft. Dies kann auf unterschiedliche Weisen erreicht werden, beispielsweise durch anisotropes Ätzen von gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleitersubstrats, um einen Stab zu erzeugen, der unter einem Winkel zu der normalen Ebene ausgerichtet ist, gemäß der SE9203648-2, und dadurch, daß dieser die trägen Massen mit dem Substrat verbindet. Alternativ kann ein anisotropes Ätzen, bei dem unter einem schrägen Winkel zu der normalen Ebene geätzt wird, mit einem trockenen Ätzen kombiniert werden, bei dem unter einem rechten Winkel zu der normalen Ebene geätzt wird, um einen Stab mit einem dreieckförmigen Querschnitt zu erzeugen. Alternativ ist es möglich, eine Ecke eines Stabs mit einem rechteckförmigen Querschnitt wegzuätzen, mit dem Ergebnis, daß die bevorzugte Biegerichtung geändert ist, so daß die bevorzugte Biegerichtung nicht mehr unter einem rechten Winkel zu den langen Seiten des rechteckförmigen Querschnitts verläuft. Die Breite und Dicke des Stabs kann für alle vorstehend genannten Beispiele so dimensioniert werden, daß eine hohe Nachgiebigkeit oder Elastizität gegenüber einer Biegung entlang der erforderlichen Achse erzielt wird.
Beide vorstehend diskutierten Konfigurationen eignen sich für eine Ausführungsform des Typs mit einer offenen Schleife und für eine Ausführungsform des Typs mit einer geschlossenen Schleife und mit Rückführung. Gemischte Ausführungsformen sind ebenfalls möglich, bei denen ein System mit einer geschlossenen Schleife und mit Rückführung mit einer langen Zeitkonstanten hergestellt wird, so daß das Gyrometer auf plötzliche Veränderungen reagiert, während langsame Verschiebungen durch die Rückführung aufgehoben werden. Die größten Vorteile einer gemischten oder hybriden Konstruktion bestehen darin, daß die mechanische Verstärkung bzw. der Q-Faktor in der Richtung der Erfassung, erhalten bei der Resonanzfrequenz, verwendet werden kann, und daß sämtliche statischen Fehlerquellen automatisch aufgehoben werden, während das Problem im Zusammenhang mit einer Verschiebung über eine längere Zeit eliminiert ist. Bei einem herkömmlichen System mit einer geschlossenen Schleife verbleibt der Q-Faktor bei 1 als Ergebnis der starken Rückführung. Die hybride Konstruktion hat trotzdem den Nachteil, daß es möglich ist, lediglich Veränderungen in der Drehgeschwindigkeit zu messen, nicht dagegen eine konstante Drehgeschwindigkeit, da das konstante Signal durch die schwache Rückführung über die Zeit aufgehoben wird. Der Sensor weist eine hochpaßartige Charakteristik auf, dessen Abschneidefrequenz durch die Zeitkonstante der Rückführung festgelegt ist.
Eine Konstruktion mit offener Schleife ist ebenfalls möglich, erfordert allerdings wiederum eine gewisse Art von Ausgleich der Struktur, entweder mechanisch oder, was interessanter ist, mit Hilfe einer Gleichspannung. Da die elektrostatische Kraft eine nicht lineare Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Elektroden aufweist, wie dies im Falle eines Plattenkondensators der Fall ist, ist es möglich, mit Hilfe einer Gleichspannung negative Federkonstanten elektrisch einzuführen. Dies macht es möglich, ein mechanisches Ungleichgewicht und ein elektrisches Ungleichgewicht in der Struktur dadurch zu kompensieren, daß unterschiedliche Gleichspannungen für die Anregung angelegt werden, und auch an die Erfassungsplatten, und möglicherweise auch an gesonderte Ausgleichselektroden, gemäß eines vorbestimmten geeigneten Musters.
Eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus Halbleitermaterial durch auf dem Gebiet der Halbleiter bekannte Herstellungsmethoden hergestellt werden, beispielsweise durch photolithographisches Kopieren oder isotropisches und anisotropisches Ätzen. Hierdurch werden zahlreiche Vorteile erzielt, wie etwa eine enge Kontrolle von Toleranzen, und die Möglichkeit, die gesamte oder einen Teil der Elektronik für die Signalverarbeitung in einem einzigen gemeinsamen Substrat mit relativ gemäßigter Dicke zu integrieren, während Zugang zu einer Technologie geschaffen wird, die eine effektive Massenproduktion durch chargenweise Herstellung ermöglicht. Nachgebildete leitende Oberflächen können auf die Oberfläche des Stabs und der trägen Massen beispielsweise durch anodische Bindung (Anodic Bonding) oder durch unmittelbare Siliziumbindung (Silicon Direct Bonding) aufgebracht werden. Eine anodische Bindung ermöglicht es, daß Quarzglas an Silizium, Oxide, Nitride und Metalle bei relativ niedrigen Temperaturen, üblicherweise 300–400° C, gebunden werden kann, indem ein elektrisches Feld über die Verbindung angelegt wird. Eine unmittelbare Siliziumbindung, die seit 1986 bekannt ist (Lasky, Applied Physics Letters Vol. 48, S. 78, 1986) ermöglicht zum Beispiel eine Bindung von Silizium an Silizium, Silizium an Siliziumdioxid und von Siliziumdioxid an Siliziumdioxid. Die direkte Siliziumbindung und die anodische Bindung können ebenfalls dazu verwendet werden, um mechanische Anschläge an dem Stab zu befestigen, so daß er nicht bricht, wenn er größeren Kräften als beabsichtigt unterworfen wird. Wenn das Binden unter Vakuum ausgeführt wird, können die Techniken gleichzeitig mit einem Verfahren für eine Vakuumeinkapselung der Anordnung verwendet werden.
Aus der W096/27135 geht eine Sensoranordnung hervor, die konfiguriert ist, um auf eine Drehung anzusprechen, um die Winkelgeschwindigkeit eines Substrats zu messen. Die Vorrichtung weist einen monokristallinen Grundkörper auf, einen Schwingungsaktivator und einen Schwingungsdetektor. Aus der Beschreibung geht hervor, daß der monokristalline Grundkörper aus einem monokristallinen Material geätzt ist, um einen Träger festzulegen, der eine träge Masse trägt. Ein Rahmen ist ebenfalls aus dem monokristallinen Material geätzt und wird durch ein Paar von koaxialen Torsionsstäben getragen, die so angeordnet sind, daß sie senkrecht zu der Achse des zentralen Trägers sind. Die Oberflächen des Trägers sind durch die Kristallebenen des Grundkörpers festgelegt. Der Schwingungsaktivor ist so konfiguriert, daß er entweder auf den Träger oder auf den Rahmen einwirkt, und der Detektor ist so konfiguriert, daß er Schwingungen des jeweils anderen Teils, des Rahmens oder des Trägers, erfaßt.
Die Erfindung wird nachfolgend näher im einzelnen im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung erläutern, und in denen
1 eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht entlang der dargestellten Linie zeigt, wobei ein Grundkörper eines Gyrometers dargestellt ist, der aus Silizium in einer ersten Ausführungsform besteht, gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Anregungs-, Erfassungs- und Empfindlichkeitsachsen dargestellt sind.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Grundkörpers nach 1 mit den zugehörigen Anregungs- und Erfassungsschaltungen.
3 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht entlang der dargestellten Linie von einer Alternative zu dem Grundkörper nach der ersten Ausführungsform, der aus Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, wobei die Anregungs-, Erfassungs- und Empfindlichkeitsachsen dargestellt sind.
4 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht entlang der dargestellten Linie aus Silizium gemäß einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht des Grundkörpers nach 4 mit zugehörigen Anregungs- und Erfassungsschaltungen,
6 zeigt eine Schnittansicht, die dazu verwendet wird, um die Festlegung des Grundgedankens der weichen Ebene des Stabs und der Biegerichtung zu erläutern,
7 zeigt Beispiele von unterschiedlichen Querschnitten des Stabs, dessen weiche Biegerichtung nicht unter einem rechten Winkel oder parallel zu der normalen Ebene verläuft, und
8 zeigt schematisch ein Beispiel für einen elektronischen Schaltkreis für kapazitive Erfassung und Anregung zur Verwendung mit dem Grundkörper eines Gyrometers nach 1 und 2.
Zunächst auf 1 und 2 bezugnehmend, ist ein Grundkörper 1 eines Sensor dargestellt, der dazu bestimmt ist, eine Drehung um eine vorbestimmte Achse zu erfassen. Der dargestellte Grundkörper 1 eines Sensors ist aus einem ebenen Substrat geätzt worden, das aus einem monokristallinen Material wie etwa Silizium besteht. Es sei darauf verwiesen, daß eine Vielzahl von Grundkörpern aus einem einzelnen Substrat eines eher kristallinen Grundkörpers wie etwa Silizium geätzt werden kann, so daß dieses eine Vielzahl von Sensoren enthalten kann, die dazu bestimmt sind, eine Drehung um eine Vielzahl von Achsen zu erfassen. Die Verwendung eines halbleitenden Materials wie etwa Silizium ist bevorzugt, da das Substrat dotiert werden kann, damit es Komponenten von einer zugehörigen elektronischen Anordnung enthalten kann.
Der Grundkörper 1, wie er in 1 dargestellt ist, weist einen länglichen Träger 2 auf, dessen gegenüberliegende Enden durch Blöcke 3, 4 getragen sind, so daß die einander gegenüberliegenden Enden des Trägers in festen vorbestimmten Positionen angebracht werden können. Die Blöcke 3, 4 sind als relativ kleine Blöcke dargestellt, aber es sei darauf verwiesen, daß die Polster einen integralen Teil eines wesentlich größeren Siliziumsubstrats bilden können.
Der Träger 2 ist so konfiguriert, daß er sich am leichtesten in einer vorbestimmten Richtung durchbiegt, nämlich in der weichen Biegerichtung. In der beschriebenen Ausführungsform ist die „weiche" Biegerichtung nicht parallel zu dem Substrat, und sie ist auch nicht senkrecht zu dem Substrat, sondern ist unter einem spitzen Winkel zu der Ebene des Substrats geneigt. In der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Träger 2 so ausgebildet wird, daß er einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, wobei die kürzeren Seiten des Rechtecks durch die oberen und unteren Oberflächen des Substrats gebildet werden, und wobei die längeren parallelen Seiten des Rechtecks unter einem spitzen Winkel zu den Oberflächen des Substrats geneigt angeordnet sind. In der beschriebenen Ausführungsform beträgt der spitze Winkel etwa 55°. Die weiche Biegerichtung des Trägers ist im wesentlichen senkrecht zu den längeren parallelen Seiten des rechteckigen Querschnitts.
Der Träger 2 ist mit einer trägen Masse oder schwingenden Masse 5 versehen. Die schwingende Masse 5 ist mit dem Träger 2 im wesentlichen an dessen Mittelpunkt verbunden. In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die schwingende Masse einen symmetrischen Grundkörper mit zwei beabstandet angeordneten, parallelen, rechtwinkligen Armen 6, 7 auf, die aus dem Substrat gebildet sind und die durch einen querverlaufenden Verbindungsstab 8 miteinander verbunden sind, wobei der querverlaufende Verbindungsstab 8 einen Mittelpunkt aufweist, der integral mit dem Mittelpunkt des Trägers 2 ausgebildet ist. Die Kombination der parallelen Arme und des Verbindungsstabs bildet eine H-förmige Konfiguration.
Die obere und/oder die untere Oberfläche des Grundkörpers 1 und somit die Oberfläche von jedem der Arme 6, 7 ist mit einer elektrisch leitenden Schicht 9 versehen, wie etwa eine abgelagerte Schicht aus Aluminium oder einem anderen Metall. Alternativ kann die leitende Schicht unter Verwendung einer Dotierungs- oder Bondingtechnik hergestellt sein.
Der Grundkörper 1, wie er in 1 dargestellt ist, ist dazu bestimmt, fest in einer Position angebracht zu werden, beispielsweise auf dem Fahrgestell bzw. der Karosserie eines Motorfahrzeugs, mit Hilfe der Blöcke 3, 4, um eine Drehung um eine Empfindlichkeitsachse 10 zu erfassen, wobei die Empfindlichkeitsachse im wesentlichen mit der Achse des Verbindungsstabs 8 der oszillierenden Masse 5 übereinstimmt.
Wie noch beschrieben werden wird, werden die Arme 6 und 7 durch elektrostatische Kräfte angeregt, die in einer Richtung aufgebracht werden, die parallel zu einer Anregungsachse 11 ist, die sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene erstreckt, die durch das Substrat festgelegt ist. Als eine Folge der aufgebrachten Kräfte neigen die Arme 6, 7 dazu, sich um die Achse des Verbindungsstabs 8 zu drehen. Auf diese Weise neigt die H-förmige oszillierende Masse 5 dazu, in einer wippenartigen Bewegung um die Achse des Stabs 8 zu schwingen. Dadurch wird eine torsionsartige Drehung auf den mittleren Teil des Trägers 2 aufgebracht. Da der Träger 2 eine „weiche" Biegerichtung aufweist, die unter einem spitzen Winkel zu der Ebene des Substrats verläuft, führt die torsionsartige Drehung unmittelbar zu einer schwingenden Bewegung der oszillierenden Masse 5 im wesentlichen innerhalb der Ebene des Substrats um die Anregungsachse 11. Die Masse 5 ist symmetrisch um die Achse des Trägers. Der Schwerpunkt der Masse 5 bleibt im wesentlichen stationär, wenn die Masse schwingt.
Wie noch erläutert werden wird, wird dann, wenn sich die Arme 6 und 7 bewegen, innerhalb der Ebene des Substrats und anschließend daran, daß die schwingende Masse 5 erregt worden ist, und wenn der Grundkörper 1 um die Empfindlichkeitsachse 10 gedreht wird, die oszillierende Masse 5 um die Erfassungsachse 12 schwingen, die im wesentlichen mit der Achse des Trägers 2 übereinstimmt. Die Schwingung um die Erfassungsachse 12 wird gemessen, um Daten bereitzustellen, die die Rotation des Grundkörpers 1 betreffen. Auf diese Weise kann die Winkelgeschwindigkeit der Drehung bestimmt werden.
Nunmehr sei auf 2 der Zeichnungen Bezug genommen, in der ein Grundkörper 1, wie er vorstehend beschrieben ist, in Kombination mit einer elektronischen Anordnung verwendet wird. Der elektronischen Anordnung ist eine erste Leitung 13 zugeordnet, die dazu bestimmt ist, ein Potential an die leitende Schicht 9 auf dem Substrat anzulegen. Eine zweite Leitung 14 führt ein Signal an die kapazitiven Platten 15, 16 zu, die sich oberhalb von einem Ende der Arme 6 und 7 befinden, die auf einer Seite des verbindenden Stabs 8 angeordnet sind. Eine weitere Leitung 17, die der elektronischen Anordnung zugeordnet ist, ist mit den kapazitiven Platten 18, 19 verbunden, die sich oberhalb der Enden der Arme 6 und 7 befinden, die auf der anderen Seite des verbindenden Stabs 8 angeordnet sind. Die beschriebenen kapazitiven Platten können auf einem Isolator ausgebildet sein, wie etwa auf Glas oder einem halbisolierenden Silizium, um jegliche Streukapazitäten zu minimieren.
Es sei darauf verwiesen, daß dann, wenn ein Potential wie etwa ein negatives Potential an die leitende Schicht 9 angelegt wird, und anschließend ein positives Potential durch die elektroni sche Anordnung an die Leitung 14 und auf diese Weise an die Platten 15, 16 angelegt wird, die sich benachbart zu einem Ende der Arme 6 und 7 befinden, diese Enden der Arme 6 und 7 eine Tendenz haben, sich nach oben in Richtung auf die Platten 15 und 16 zu bewegen, aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft. Als Folge davon wird die oszillierende Masse 5 dazu neigen, sich um den verbindenden Stab 8 zu drehen. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn gleichzeitig ein negatives Potential an die kapazitiven Platten 18 und 19 angelegt wird, da dann die Enden der Arme 6 und 7, die sich benachbart zu diesen Platten befinden, abgestoßen werden und daher dazu neigen, sich nach unten zu bewegen. Wenn die Potentiale, die an die kapazitiven Platten angelegt sind, dann umgekehrt werden, wobei dann das positive Potential an die Platten 18 und 19 angelegt wird und ein negatives Potential an die Platten 15 und 16 angelegt wird, wird sich die oszillierende Masse 5 um die Achse drehen, die mit dem verbindenden Träger 8 übereinstimmt. Wenn die Signale an die kapazitiven Platten 15, 16, 18, 19 zu geeigneten Zeitpunkten und bevorzugt unter der Steuerung einer Schleife mit Rückführung angelegt werden, wird die oszillierende Masse 5 in einer wippenartigen Bewegung mit einer regelmäßigen Frequenz um die Achse des verbindenden Trägers 8 schwingen. Da allerdings der verbindende Träger 8 integral mit dem Träger 2 ausgebildet ist, der sich zwischen den feststehenden Blöcken 3 und 4 erstreckt, wird eine Torsionskraft auf diesen Träger ausgeübt, und da dieser Träger eine „weiche" Biegerichtung aufweist, die unter einem spitzen Winkel mit der Ebene des Substrats verläuft, ist das letztendliche Ergebnis eine Schwingung der oszillierenden Masse 5 um die vertikale Anregungsachse, die sich senkrecht zu der Ebene des Substrats erstreckt. Als Folge davon führt der Träger 2 eine Biegebewegung aus, wie sie durch die Biegelinie 20 veranschaulicht ist, die in 1 und 2 dargestellt ist. Der Träger 2 biegt sich auf diese Weise in einer Richtung, wobei er eine S-förmige Konfiguration annimmt, und biegt sich dann in der entgegengesetzten Richtung, wobei er eine umgekehrte S-förmige Konfiguration einnimmt. Bevorzugt ist es so, daß die Signale, die dazu verwendet werden, um die oszillierende Masse 5 anzuregen, diese dazu veranlassen, bei einer natürlichen Resonanzfrequenz innerhalb der Ebene des Substrats zu schwingen.
Der elektronischen Anordnung sind auch zwei weitere Leitungen 21, 22 zugeordnet, die sich zu den kapazitiven Platten 23, 24 erstrecken, die ebenfalls auf einem Substrat aus Glas oder einem halbleitenden Substrat angebracht sind, das sich oberhalb der Arme 6, 7 befindet, im wesentlichen in Ausrichtung mit dem verbindenden Träger 8.
Bei einer Drehung des Grundkörpers 1 um die Empfindlichkeitsachse 10 neigt die gesamte oszillierende Masse 5 als Folge der Corioliskräfte, die auf die oszillierende Masse 5 aufgebracht werden, dazu, sich um die Erfassungsachse 12 zu drehen, die mit der Achse des Trägers 2 übereinstimmt. Auf diese Weise bewegt sich ein Arm, beispielsweise der Arm 6, in Richtung auf die kapazitive Platte 23, während der andere Arm, beispielsweise der Arm 7, dazu neigt, sich weg von der kapazitiven Platte 24 zu bewegen. Die elektronische Anordnung ist dafür eingerichtet, die Veränderung in der Kapazität zwischen der kapazitiven Platte 23 und der elektrisch leitenden Schicht 9 auf dem Grundkörper 1 zu bestimmen, und auch die Veränderung in der Kapazität zwischen der Platte 24 und der leitenden Schicht 9 auf dem Grundkörper 1. Dadurch, daß die Veränderung in der Kapazität bestimmt wird, kann der Grad der Drehung um die Erfassungsachse 12 der oszillierenden Masse 5 bestimmt werden, und in Folge davon kann eine Information betreffend die ursprüngliche Drehung des Grundkörpers 1, wie etwa eine Winkelgeschwindigkeit, bestimmt werden.
Es ist somit von Bedeutung, daß 2 eine Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Messung einer Winkelgeschwindigkeit zeigt, wobei die zugehörigen Anregungs- und Erfassungsschaltungen schematisch in einer Ausführungsform des Typs mit kapazitiver Anregung und Erfassung dargestellt sind. Die Kapazitäten 15, 16, 18 und 19 regen die Anordnung derart an, daß die Masse im wesentlichen in der Ebene des Substrats schwingt, und die Kapazitäten 23 und 24 werden dazu verwendet, um die Amplitude der Oszillation der Masse aus der Ebene des Substrats heraus zu messen, die an eine Anregungsschaltung innerhalb der elektronischen Anordnung und an die Auswerteelektronik zurückgeführt wird, die die Winkelgeschwindigkeit berechnet. Wenn der gyroskopische Skalenfaktor genügend groß ist, besteht auch die Möglichkeit, eine piezoresistive Erfassung anstelle der kapazitiven Erfassung zu verwenden und auf diese Weise ein einfacheres und weniger kostenaufwendiges System zu erzielen.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit eine Schwelle überschreitet, oder wenn die zusammengesetzte Winkelgeschwindigkeit von einer Anzahl von senkrecht angeordneten Sensoren des beschriebenen Typs eine Schwelle überschreitet, kann eine Sicherheitseinrichtung in dem Motorfahrzeug zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Airbag.
3 zeigt eine schematische Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Grundkörpers 30, der zahlreiche Merkmale aufweist, die im wesentlichen die gleichen sind wie die entsprechenden Merkmale des Grundkörpers 1, der vorstehend beschrieben worden ist. Diese Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie sie in 1 und 2 verwendet sind, und werden daher nicht erneut beschrieben.
Es sei allerdings darauf verwiesen, daß in der Ausführungsform nach 3 die Blöcke 3, 4 an den gegenüberliegenden Enden des Trägers 2 vergrößerte Abmessungen aufweisen, während die Abschnitte 6 und 7, die an den gegenüberliegenden Enden des quer verlaufenden Verbindungsstabs 8 ausgebildet sind, um die schwingende Masse 5 zu bilden, jeweils im wesentlichen quadratisch sind, im Gegensatz zu einer rechteckigen Ausführung, und auf diese Weise Blöcke 6, 7 anstelle von „Armen" bilden.
Wie dies in der Ausführungsform nach 2 der Fall ist, weist der Träger 2, der sich zwischen den beiden Blöcken 3, 4 erstreckt, einen Querschnitt mit rechteckiger Form auf, wobei die beiden langen parallelen Seiten des Rechtecks unter einem spitzen Winkel zu der Ebene des Substrats geneigt sind, aus dem der Grundkörper 30 gebildet ist.
Wie man aus 3 entnimmt, weisen die seitlichen Flächen von verschiedenen Elementen des beschriebenen Grundkörpers eine geneigte Form auf. Dies ergibt sich als. Folge der Ätztechniken, die dazu verwendet werden, um den Grundkörper aus einem Siliziumsubstrat herzustellen. Es ist allerdings beabsichtigt, daß der Grundkörper im wesentlichen symmetrisch ist um eine Linie, die der Erfassungsachse 12 überlagert ist, die mit der Achse des Trägers 2 ausgerichtet ist. Wenn daher der Grundkörper, der in 3 dargestellt ist, um 180° um die Erfassungsachse 12 gedreht würde, würde der Grundkörper nach wie vor das gleiche Erscheinungsbild bieten, wie es in 3 dargestellt ist.
An dieser Stelle ist darauf zu verweisen, daß ein wesentlicher physikalischer Unterschied zwischen dem Grundkörper 30, der in 3 dargestellt ist, und dem Grundkörper 1, der in 1 und 2 dargestellt ist, besteht, nämlich dahingehend, daß der Träger 2 an Punkten zwischen dem verbindenden Stab 8 der oszillierenden Masse 5 und den Blöcken 3 und 4 mit sich in Querrichtung erstreckenden, rechteckigen Verstärkungselementen 30 und 31 versehen ist.
Die Verstärkungselemente sind symmetrisch und erstrecken sich daher auf jeder Seite des Trägers 2 um das gleiche Maß. Die Verstärkungselemente sind auf halber Strecke zwischen dem in Querrichtung verlaufenden Verbindungsstab 8 und dem benachbarten Block 3 oder 4 angeordnet. Die Verstärkungselemente 31 und 32 neigen dazu, sich schräg nach oben zu bewegen, und schräg nach unten, wenn der Träger 2 seine S-förmige Biegung ausführt, als eine Folge der Schwingung der oszillierenden Masse 5 innerhalb der Ebene des Substrats um die Anregungsachse, wenn der dargestellte Grundkörper 30 mit einer elektronischen Anordnung des Typs verwendet wird, wie sie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben und darin erläutert ist. Die Verstärkungselemente 31, 32 sind so ausgelegt, daß sie die Resonanzfrequenz des Stabs 2 einstellen.
Auf diese Weise erläutert 3 schematisch, wie der Stab 2 durch Verstärkungen 3 aufgebaut werden kann, so daß die gleiche oder eine in der Nähe liegende Resonanzfrequenz für den angeregten Modus, bei der eine S-förmige Biegung auftritt, und für den erfaßten Drehungsmodus erhalten wird. Dadurch, daß die Moden bzw. Betriebsarten auf diese Weise aufgebaut werden, kann die Verstärkung, die durch den mechanischen Q-Faktor gegeben ist, dazu verwendet werden, um die Empfindlichkeit des Gyrometers zu vergrößern.
Nunmehr auf 4 und 5 bezugnehmend, ist ein Grundkörper 40 eines Sensors dargestellt, der dazu bestimmt ist, eine Rotation um eine vorbestimmte Achse zu erfassen. Der dargestellte Grundkörper 1 des Sensors ist aus einem planaren Substrat geätzt worden, das aus einem stärker kristallinen, halbleitenden Material wie etwa Silizium hergestellt worden ist. Es sei darauf verwiesen, daß eine Vielzahl von Grundkörpern aus einem einzelnen Substrat aus Silizium geätzt werden kann, welches somit eine Anzahl von Sensoren umfassen kann, die dazu bestimmt sind, eine Drehung um eine Vielzahl von Achsen zu erfassen.
Der Grundkörper 40, wie er in 4 und 5 dargestellt ist, weist einen langgestreckten Träger 41 auf, dessen gegenüberliegende Enden durch Blöcke 42, 43 abgestützt sind, so daß die gegenüberliegenden Enden des Trägers in festen vorbestimmten Positionen angebracht werden können, beispielsweise auf dem Fahrgestell eines Kraftfahrzeugs. Die Blöcke 42 und 43 sind als relativ kleine Blöcke dargestellt, wobei allerdings darauf verwiesen sei, daß die Blöcke einen integralen Teil eines wesentlich größeren Substrats aus Silizium bilden können.
Der Träger 41 in der dargestellten Ausführungsform ist so konfiguriert, daß er sich am leichtesten in einer bevorzugten Richtung durchbiegt, nämlich der „weichen" Biegerichtung. In der beschriebenen Ausführungsform ist die weiche Biegerichtung nicht parallel zu dem Substrat, und auch nicht senkrecht zu dem Substrat, sondern verläuft statt dessen unter einem spitzen Winkel geneigt zu der Ebene des Substrats. In der Ausführungsform der Erfindung, die in 4 und 5 dargestellt ist, wird dies dadurch erreicht, daß der Träger 2 so ausgebildet wird, daß er einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei die kürzeren Seiten des Rechtecks durch die oberen und unteren Oberflächen des Substrats gebildet werden, und wobei die längeren parallelen Seiten des Rechtecks unter einem spitzen Winkel zu den Oberflächen des Substrats geneigt sind. In der beschriebenen Ausführungsform beträgt der spitze Winkel etwa 55°. Die genannte weiche Biegerichtung des Trägers ist im wesentlichen senkrecht zu den längeren parallelen Seiten des rechteckigen Querschnitts.
Der Träger 41 ist mit zwei identischen trägen Massen oder oszillierenden Massen versehen, die mit 44 und 45 bezeichnet sind. Die Massen sind jeweils symmetrisch um die Achse des Trägers 41. Die oszillierenden Massen 44 und 45 sind gleichmäßig entlang des Trägers 41 zwischen dem Block 42 und dem Block 43 beabstandet angeordnet, und als Folge davon ist der Grundkörper 1 symmetrisch.
Die oszillierende Masse 44 besteht aus zwei im wesentlichen quadratischen Blöcken 46 und 47, die auf jeder Seite des Trägers 1 voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Blöcke 46 und 47 durch einen verbindenden Stab 48 miteinander verbunden sind. Der mittlere Teil des verbindenden Stabs 48 stimmt mit einem Teil des Trägers 41 überein.
Die obere Oberfläche von zumindest den Blöcken 46, 47, aber bevorzugt der Gesamtheit des dargestellten Grundkörpers 40, ist mit einer elektrisch leitenden Schicht 49 versehen, wie etwa mit einer abgelagerten Schicht aus Aluminium oder einem anderen Metall. Die leitende Schicht kann alternativ unter Verwendung einer Dotierungs- oder Bondingtechnik ausgebildet sein.
Der Grundkörper 40, wie er in 4 und 5 dargestellt ist, ist dazu bestimmt, an einer Position, beispielsweise auf dem Fahrgestell eines Motorfahrzeugs, mit Hilfe der Blöcke 42, 43 befestigt zu werden, um eine Drehung um eine Empfindlichkeitsachse 50 zu erfassen, wobei die Empfindlichkeitsachse im wesentlichen parallel zu den Achsen der verbindenden Stäbe 48 der oszillierenden Massen 44 und 45 ist und sich auf halber Strecke zwischen den beiden oszillierenden Massen 44, und 45 befindet.
Wie noch beschrieben werden wird, werden die Blöcke, wie etwa die Blöcke 46 und 47, von beiden oszillierenden Massen, durch elektrostatische Kräfte angeregt, die in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Substrats aufgebracht werden. Als eine Folge der aufgebrachten Kräfte neigen die Blöcke 46 und 47 dazu, um die Achse des verbindenden Stabs 48 zu rotieren. Auf diese Weise neigt die oszillierende Masse 44 dazu, um die Achse des verbindenden Stabs 48 in Form einer wippenartigen Bewegung zu schwingen. Die oszillierende Masse 45 schwingt ebenfalls um die Achse ihres verbindenden Stabs mit einer wippenartigen Bewegung in Gegenphase zu der Masse 44. Dadurch wird eine torsionsartige Drehung auf den Teil des Trägers 41 aufgebracht, der mit dem mittleren Abschnitt des verbindenden Stabs 48 übereinstimmt. Da der Träger 41 eine „weiche" Biegerichtung aufweist, die unter einem spitzen Winkel zu der Ebene des Substrats verläuft, führt die torsionsartige Rotation unmittelbar zu einer schwingenden Bewegung der schwingenden Masse 44 und der schwingenden Masse 45 im wesentlichen innerhalb der Ebene des Substrats, um eine Achse, die senkrecht zu dem Substrat verläuft, an einem Punkt benachbart zu der Verbindung zwischen dem Träger 41 und dem verbindenden Stab 48.
Die beiden Massen 44 und 45 werden so angeregt, daß die Massen eine schwingende Bewegung in Gegenphase ausführen, im wesentlichen innerhalb der Ebene des Substrats. Auf diese Weise neigt der Block 46 der Masse 44 und der benachbarte Block der Masse 45 dazu, sich gleichzeitig vom jeweils anderen wegzubewegen, und neigt anschließend dazu, sich gleichzeitig in Richtung auf den jeweils anderen zu bewegen. Als Folge davon führt der Träger 41 eine einfache Biegung aus, wie sie durch die gestrichelte Linie 50 angedeutet ist. Da die Massen in Gegenphase zueinander oszillieren, ist die gesamte Bewegung des gesamten Systems gleich Null bei einer Anregung des Stabs, da keine Bewegung des Schwerpunkts erfolgt.
Nunmehr auf 5 bezugnehmend, ist deutlich, daß der Grundkörper 40, wie er unter Bezugnahme auf 4 beschrieben worden ist, dazu bestimmt ist, mit einer elektronischen Anordnung 60 verwendet zuwerden. Die elektronische Anordnung 60 ist mit einer ersten Leitung 61 versehen, die dazu bestimmt ist, ein Potential an die leitende Schicht 49 anzulegen. Die elektronische Anordnung 60 ist mit einer weiteren Leitung 62 versehen, die dazu bestimmt ist, ein Potential an die kapazitiven Platten 63, 64 anzulegen, die oberhalb von Teilen der Blöcke 46, 47 der oszillierenden Masse 44 angeordnet sind, die sich am nächsten an dem Block 43 befinden, und gleichzeitig an die entsprechende kapazitive Platte 65, 66, die an dem anderen Ende des Elements 40 angeordnet ist.
In gleicher Weise ist die elektronische Anordnung 60 mit einer weiteren Leitung 67 versehen, die dazu bestimmt ist, ein Potential an die kapazitiven Platten 68, 69 anzulegen, die sich oberhalb der Bereiche der Blöcke 46 und 47 befinden, die in Richtung auf den Mittelpunkt des Grundkörpers 40 angeordnet sind, und auch an die entsprechenden kapazitiven Platten 70, 71, die der oszillierenden Masse 45 zugeordnet sind. Wie dies bei der Ausführungsform nach 1 und 2 der Fall ist, können sich die kapazitiven Platten auf einem isolierenden Substrat aus Glas oder auf einem halbisolierenden Substrat befinden.
Es sei darauf verwiesen, daß dann, wenn ein spezielles Potential wie etwa ein Erdpotential an die Leitung 61 angelegt wird, und wenn gegenphasige Signale an die Leitungen 62 und 67 angelegt werden, die oszillierende Masse 44 und in ähnlicher Weise die oszillierende Masse 45 dazu veranlaßt werden können, um die Achse des Trägers 48 zu schwingen. Ein erstes Potential wie etwa ein negatives Potential kann an die leitende Schicht 49 angelegt werden. Wenn dann ein negatives Potential an die Leitung 42 angelegt wird, und ein positives Potential an die Leitung 67 angelegt wird, ist ein negatives Potential auf den kapazitiven Platten 63 und 64 vorhanden, so daß als Folge davon eine Abstoßung zwischen diesen Platten auftritt, und zwischen den benachbarten Teilen der Blöcke 46 und 47 der oszillierenden Masse 44. Gleichzeitig wird ein positives Potential an die kapazitiven Platten 68 und 69 angelegt, was bedeutet, daß dort eine Anziehungskraft zwischen den benachbarten Teilen der Blöcke 46 und 47 und diesen Platten vorhanden sein wird. Als Folge davon neigt die oszillierende Masse zu einer Drehung in einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn, in 5 dargestellt ist, um die Achse des verbindenden Stabs 48. Es sei darauf verwiesen, daß gleichzeitig die oszillierende Masse 45 dazu neigt, sich in einer Richtung im Uhrzeigersinn um den verbindenden Stab dieser schwingenden Masse zu drehen.
Wenn die Polaritäten, die an die Leitungen 62 und 67 angelegt sind, vertauscht werden, wird die schwingende Masse 44 dazu neigen, sich in einer Richtung im Uhrzeigersinn zu drehen, während die oszillierende Masse 45 dazu neigen wird, sich in einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn zu drehen.
Wenn die Signale an die oszillierenden Massen 44 und 45 in der beschriebenen Art und Weise angelegt werden, bei einer geeigneten Frequenz, werden die Massen 44 und 45 dazu neigen, mit einer wippenähnlichen Wirkung zu schwingen. Als Folge der Tatsache, daß die weiche Biegerichtung des Trägers unter einem Winkel zu der Ebene des Substrats geneigt ist, werden die schwingenden Massen 44 und 45 dazu neigen, eine Schwingung in der Ebene des Substrats auszuführen, wobei jede Schwingung um eine im wesentlichen vertikale Achse erfolgt, die mit dem Schnittpunkt des Trägers 41 und des verbindenden Stabs 48 einer jeden oszillierenden Masse 44 und 45 übereinstimmt. Als Folge davon wird der Träger 41 in der Tat eine einfache Biegebewegung ausführen, wie durch die gestrichelte Linie 50 in 4 erläutert ist.
Der elektronischen Anordnung nach 5 sind weiterhin vier weitere kapazitive Platten 72, 73, 74 und 75 zugeordnet, wobei jede Platte jeweils einem der Blöcke zugeordnet ist, wie etwa den Blöcken 46 und 47, der oszillierenden Massen 44 und 45. Wenn der gesamte Grundkörper dann, wenn die Massen in der beschriebenen Art und Weise oszillieren, um die Erfassungsachse 50 gedreht wird, werden die Massen als eine Folge der Corioliskräfte, die auf die oszillierenden Massen 44 und 45 wirken, dazu neigen, sich um die Erfassungsachse zu drehen, bei der es sich um eine Achse 80 handelt, die mit der Achse des Trägers 41 übereinstimmt. Diese Drehung kann durch die Kondensatoren 72, 73, 74 und 75 erfaßt werden, da sich ein Block einer jeden oszillierenden Masse 44 der benachbarten kapazitiven Platte annähert, während der andere Block dieses oszillierenden Elements sich von der benachbarten kapazitiven Platte wegbewegen wird, und die Veränderungen in der Kapazität können gemessen und an die elektronische Anordnung weitergeleitet werden, wo eine geeignete Erfassungsschaltung die Parameter der Zeitdauer bestimmt, die auf den Grundkörper 40 um die Erfassungsachse 70 aufgebracht sind.
Es sei daher darauf verwiesen, daß 4 eine Draufsicht und 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung zeigen, die sich für eine Messung einer Winkelge schwindigkeit eignet, die aus einem Träger 41 besteht, dessen weiche Biegerichtung nicht unter einem rechten Winkel oder parallel zu der Normalen zu der Substratebene verläuft, und aus zwei Massen 44, 45. Der Grundkörper wird so angeregt, daß der Stab in einem Einzelbiegemodus schwingt, der die Massen dazu veranlaßt, in Gegenphase im wesentlichen in der Substratebene parallel zu der sich ergebenden Empfindlichkeitsachse und um die Anregungsachse zu oszillieren. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber einem Stab mit einer zentral angeordneten Masse besteht darin, daß die geeignete Konfiguration und Anordnung der beiden Massen die Möglichkeit schafft, daß das Winkelmoment für das Gesamtsystem zu Null gemacht werden kann, so daß die Erfassung unempfindlich gegenüber einer externen winkelbezogenen Schwingung wird.
Ein ausgeglichener Schwingungsmodus hat auch einen positiven Effekt auf den Q-Faktor, da keine Energie an die Umgebung abgestrahlt wird. Wenn die Massen, die in Gegenphase zueinander schwingen, einer Drehung um die Empfindlichkeitsachse unterworfen werden, führt die Corioliskraft zu einem drehenden Moment auf die Massen, welches diese um die Erfassungsachse oszilliert, die mit der Längsachse des Trägers 41 übereinstimmt, und die Massen beginnen, aus der Ebene heraus in Gegenphase zu schwingen.. Der Querschnitt nach 4 zeigt die Corioliskraft auf eine oszillierende Masse unter einem rechten Winkel zu der Bewegung der angeregten Masse und der Empfindlichkeitsachse.
Es ist weiterhin vorteilhaft bei Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung von diesem Typ, daß verstärkende Segmente an bestimmten Abschnitten des Trägers 41 bereitgestellt werden, wie beispielsweise in der Ausführungsform nach 3 dargestellt ist, um besser die Resonanzfrequenz des angeregten Schwingungsmodus an den erfaßten Drehungsmodus anzupassen.
Für einen Stab, der mit der Längsachse in der Richtung der z-Achse in einem xyz-Koordinatensystem mit einem beliebigen Querschnitt 80 orientiert ist, können die unterschiedlichen Trägheitsmomente I_y, I_xy und I_X gemäß den Gleichungen berechnet werden, die in 6 angegeben sind. Für eine solchen Querschnitt wird stets eine Koordinatentransformation ausgeführt, so daß das Kreuzprodukt der Trägheiten I_x'y' = 0, und so daß das Trägheitsmoment um die x'-Achse I_x' = Imin wird und für die y'-Achse I_y' = Imax. In diesem Zusammenhang ist die „weiche" Ebene des Stabs als diejenige Ebene festgelegt, die durch die x'- und z-Achsen aufgespannt ist, und die „weiche" Biegerichtung als die y'-Richtung normal zu der „weichen" Ebene. Um zu ermöglichen, daß die Anordnung mit einer Kraft angeregt wird, die im wesentlichen entlang der Normalen zu der Substratebene gerichtet ist, ist es notwendig, daß sich die „weiche" Biegerichtung des Stabs nicht unter einem rechten Winkel zu oder parallel zu der Normalen zu der Substratebene erstreckt, und es ist vorzugsweise so, daß I_y' = Imax größer ist als I_X' = Imin.
Durch Anwendung des anisotropen nassen Ätzens, beispielsweise von 100 orientierten Folien bzw. Substraten aus Silizium, wird eine Ätzung erhalten, die einen Winkel von 54,7° zu der zu dem Substrat normal verlaufenden Ebene aufweist. Unterschiedliche Typen von anisotropem trockenem Ätzen, d.h. von Plasmaätzung, können mehr oder weniger vertikale Ätzungen auf einer Siliziumoberfläche erzeugen, und diffundierte elektrochemische pn-Ätzgrate können dazu verwendet werden, um ein Ätzungsprofil zu erzeugen. Dadurch, daß die unterschiedlichen Ätzverfahren einzeln und in Kombination miteinander verwendet werden, ist es möglich, eine Anzahl von unterschiedlichen Querschnitten zu erzeugen, die die Anforderung erfüllen, daß die weiche Biegerichtung eines Stabs nicht unter einem rechten Winkel zu oder parallel zu der Normalen zu dem Substrat verlaufen sollte. 7 zeigt im Wege eines Beispiels sechs unterschiedliche Querschnitte eines Stabs von dieser Art 81, 83, 87, 89 und 91. Die Querschnitte 81 des Stabs können beispielsweise durch anisotropes nasses Ätzen von gegenüberliegenden Seiten des Substrats erzeugt werden, mit Hilfe einer Technologie, die aus dem schwedischen Patent SE9203648-2 bekannt ist. Dieser Stab weist eine „weiche" Ebene 82 auf. Der Querschnitt des Stabs 83 kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß lediglich von der Oberseite her geätzt wird, wobei eine anisotrope nasse Ätzung eingesetzt wird, um den auf der linken Seite befindlichen Rand zu ätzen, und wobei eine anisotrope trockene Ätzung verwendet wird, um den auf der rechten Seite befindlichen Rand zu ätzen. Dieser Stab weist eine „weiche" Ebene 84 auf. Die Stäbe mit dem Querschnitt 85, 87 können beispielsweise durch anisotropes trockenes Ätzen des auf der linken Seite befindlichen Rands hergestellt werden, und mittels elektrochemischer pn-Ätzgrate für den auf der rechten Seite befindlichen Rand, möglicherweise in Kombination mit einem anisotropen trockenen Ätzen, wie dies für den Querschnitt 87 des Stabs gilt. Diese Stäbe weisen „weiche" Ebenen 86, 88 auf. Der Querschnitt 89 des Stabs ist ein Beispiel für eine Kombination aus anisotropem nassem Ätzen und anisotropem trockenem Ätzen, wobei die geraden Ränder mit trockenem Ätzen geätzt werden, und die geneigt verlaufenden Ränder durch nasses Ätzen. Dieser Stab weist eine „weiche" Ebene 90 auf. Der Querschnitt 91 des Stabs ist ein Beispiel für eine Anwen dung eines anisotropen trockenen Ätzens in zwei Stufen, bei dem ein Einschnitt in den Stab herausgeätzt worden ist. Dieser Stab weist eine „weiche" Ebene 92 auf.
8 erläutert eine Anordnung mit einem aus Silizium bestehenden Grundkörper 1 der Art, wie sie oben unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben worden ist, zusammen mit den zugehörigen Elektroden.
Wie vorstehend beschrieben, ist der Grundkörper 1 aus Silizium hergestellt und bildet nicht nur die mechanische Struktur des Sensors, sondern effektiv eine Hälfte von jedem Kondensator, die vorgesehen sind, um den Grundkörper anzuregen und um die Erfassungsfunktion auszuführen. Die andere Hälfte von einem jeden Kondensator weist eine kapazitive Platte auf, die auf einem Isolator angeordnet ist, beispielsweise aus Glas oder aus einem halbisolierenden Silizium, um die Streukapazitäten zur Erde zu minimieren. Wie noch beschrieben wird, werden Signale zu den kapazitiven Platten geleitet, die sich auf dem Glas befinden, während ein festes Gleichspannungspotential an den aus Silizium bestehenden Grundkörper 1 angelegt wird.
Der Sensor wird durch ein Signal mit niedriger Frequenz auf den kapazitiven Platten angeregt, die für die Anregungsfunktion sorgen, wobei das Signal mit niedriger Frequenz sich auf der erforderlichen mechanischen Resonanzfrequenz der schwingenden Masse des Grundkörpers 1 befindet. Zur gleichen Zeit werden den kapazitiven Platten, die die Anregungs- und Erfassungsfunktionen ausführen, jeweilige Signale mit hoher Frequenz zugeführt. Der Sensor, der bei der Anregungsfrequenz schwingt, wirkt dann als Modulator, der das hochfrequente Meßsignal im Verhältnis zu der Schwingungsamplitude moduliert. Das Meßsignal sowohl für die angeregte Schwingung, innerhalb der Ebene des Grundkörpers 1, als auch die Schwingung um die Erfassungsachse, die als Ergebnis der Drehung des Grundkörpers erfaßt wird, werden in einem Schaltkreis miteinander gemischt, der innerhalb des Siliziumsubstrats ausgebildet sein kann, und zu einem empfindlichen Vorverstärker ausgekoppelt.
Nach dem Vorverstärker werden die Signale in einer Anregungs- und Erfassungsschleife aufgeteilt und mit jeweiligen hochfrequenten Signalen gemischt, und werden dann einer Tiefpaßfilterung unterzogen und erneut aufgeteilt und mit dem Anregungssignal gemischt, welches zwei Phasenpositionen von 0 und 90° aufweist. Die 0 und 90° Signale werden in die Anregungsschleife über ein Regelungsnetz an den spannungsgesteuerten Oszillator zurückgeführt, der das Anregungssignal erzeugt.
Nach der Mischung mit dem Anregungssignal in der Erfassungsschleife stellt das 90° Signal eine Rotation dar, und das 0° Signal stellt das Signal betreffend die mechanische Unausgewogenheit dar. Eine etwaige kapazitive Unausgewogenheit erzeugt ebenfalls ein Signal in Phase mit dem benötigten Signal, wobei dieses unerwünschte Signal wesentlich größer als das Nutzsignal sein kann. Eine Möglichkeit, dies zu steuern, besteht darin, sowohl das 0° als auch das 90° Signal über ein ausgleichendes Netz zurückzuführen und auf diese Weise die Erzeugung eines ausgleichenden Signals für die Masse zu steuern, um sowohl die mechanische als auch die elektrische Unausgewogenheit in der Struktur des Sensors zu kompensieren. Dieses ausgleichende Signal kann vom Wechselspannungstyp mit der gleichen Frequenz wie das Anregungssignal sein, oder es kann aus unterschiedlichen Gleichspannungen bestehen, die gemäß einem intelligenten Muster angelegt werden.
Die Schnelligkeit der Rückführung bestimmt, welche Bauart einer Ausführungsform des Sensors verwendet wird. Eine unendliche Zeitkonstante entspricht einer konstanten Kompensation und einer Ausführungsform mit einer offenen Schleife. Eine kurze Zeitkonstante entspricht einer Ausführungsform mit einer geschlossenen Schleife, wobei eine kurze Zeitkonstante eine hybride Konstruktion ergibt, d.h. einen Sensor mit einer Hochpaßcharakteristik, bei der die Zeitkonstante die Abschneidefrequenz ergibt.
Die Herstellung der Anordnung in einem halbleitenden Substrat bringt die Möglichkeit mit sich, daß die Elektronik für die Anregung, Erfassung und Signalverarbeitung in dem gleichen Substrat wie die Anordnung zusammen mit der erforderlichen Steuer- und Regelelektronik integriert werden kann.
Um die Anregung in Schwingung zu versetzen, ist eine aktive Anregung erforderlich, und es sind eine Reihe von Techniken verfügbar: kapazitive, thermische, piezoelektrische Filme oder Folien usw.. Welches Verfahren ausgewählt wird, hängt unter anderem von der Form der Konstruktion, der Einkapselung und der erforderlichen Genauigkeit der Anwendung ab. Im Falle der kapazitiven Anregung wird die Struktur im allgemeinen über ein schwingendes elektrisches Feld zwischen geeignet angeordneten Plattenkondensatoren angeregt. Die Anregung kann unmittelbar zwischen zwei bewegbaren mechanischen Teilen erfolgen, oder alternativ zwischen einem oder mehreren feststehenden Teilen und einem beweglichen Teil. Eine thermische Anregung wird dadurch erhalten, daß der Stab örtlich über einen Widerstand oder eine Strahlungsquelle erwärmt wird, beispielsweise einen gepulsten Laser, so daß auf diese Weise ein Spannungsgradient in dem Stab erhalten wird, wobei dann, wenn die thermische Anregung bei einer Frequenz in der Nähe der Eigenfrequenz der Struktur durchgeführt wird, der Stab dazu gebracht werden kann, bei der Eigenfrequenz selbsttätig zu schwingen. Durch Ablagern von einer oder mehreren Schichten von piezoelektrischen Filmen, beispielsweise ZnO, auf dem Stab, mit einer geeigneten Kontaktierung, und indem dann ein schwingendes elektrisches Feld über die piezoelektrischen Filme angelegt wird, kann der Stab in Schwingung versetzt werden.
Wie im Falle der Anregung stehen für die Erfassung der Schwingung eine Reihe von Prinzipien zur Verfügung, wie etwa kapazitive Erfassung, resonante Spannungssensoren, piezoelektrische, piezoresistive usw.. In Abhängigkeit von der Form der Konstruktion und der benötigten Genauigkeit kann das eine oder andere Prinzip bevorzugt werden. In einer Ausführungsform der Anordnung von der Bauart mit einer geschlossenen Schleife ist die Erfassung der Schwingung, die durch die Corioliskraft erzeugt wird, in bevorzugter Weise kapazitiv, da eine Rückführung und eine Vorspannung dann durch ein elektrisches Feld zwischen dem Stab und der Masse bzw. den Massen und den umgebenden leitenden Platten ausgeführt werden können. Dies eröffnet einen Zugang zu Kondensatoren, deren Kapazität sich mit der Anordnungsposition ändert, und eine Verschiebung kann mit Hilfe einer Kondensatorbrücke erfaßt werden, die ihrerseits ein Signal an ein Servosystem abgibt, welches das elektrische Feld auf eine solche Weise ändert, daß der Stab bzw. die Masse oder die Massen in die Nullposition zurückgeführt werden. Eine Erfassung mit resonanten Spannungssensoren kann sich als eine interessante Erfassungsmethode herausstellen, wenn die Anordnung danach in einem Vakuum eingekapselt werden soll, da dies einen sehr hohen Q-Faktor besitzt und zu einer hohen Auflösung führt. Eine piezoelektrische Erfassung kann ein interessantes Verfahren darstellen, wenn die Anregung ebenfalls piezoelektrisch ausgeführt wird, so daß dies in günstiger Weise zugänglich ist, ohne daß zusätzliche Verarbeitungsstadien erforderlich sind. Ein einfaches Verfahren zum Erreichen einer Erfassung der Bewegung des Stabs besteht mit Hilfe des piezoresistiven Effekts, wobei ein Widerstand verwendet wird, der durch Dotieren des Silizium substrats gebildet wird. Um eine maximale Empfindlichkeit zu erzielen, ist es vorteilhaft, eine ausgeglichene Brückenkopplung zu verwenden, wobei vier in geeigneter Weise angeordnete Widerstande vorhanden sind. Weiterhin sollten, um den maximalen piezoresistiven Effekt zu erhalten, die Widerstände dort angeordnet werden, wo die Spannung, die in dem Stab durch die Biegung bzw. Drehung erzeugt wird und die erfaßt werden muß, sich auf ihrem größten Wert befindet. Für besondere Anwendungen ist es auch möglich, eine optische Erfassung der Bewegung des Stabs bzw. der Masse oder Massen anzuwenden, beispielsweise durch Verwendung des Interferenzphänomens oder durch Verwendung einer Anordnung, bei der die Position eines reflektierten Lichtbündels von der Position des Stabs bzw. der Masse oder Massen abhängt.

Claims

Sensor, der dazu angepaßt ist, auf eine Drehung anzusprechen, wobei der Sensor einen Grundkörper (1) aufweist, der aus einem im wesentlichen ebenen Substrat gebildet ist, wobei der Grundkörper einen Träger (2) aufweist, wobei der Träger (2) zwei einander gegenüberliegende Enden (3, 4) aufweist und jedes Ende dazu bestimmt ist, in einer Position fixiert zu werden, wobei der Träger (2) mit zumindest einer trägen Masse (5) versehen ist, die mit dem Träger (2) an einer vorbestimmten Position verbunden ist, wobei dem Grundkörper (1) ein Mittel zugeordnet ist, um eine erste Oszillation der trägen Masse (5) im wesentlichen um eine Achse (11) hervorzurufen, die senkrecht zu der Ebene des Substrats ist, wobei ein Mittel vorhanden ist, um eine zweite Oszillation der Masse (5) im wesentlichen um eine Achse (12) zu erfassen, die mit der Längsachse des Trägers (2) übereinstimmt, wobei die zweite Oszillation durch die Corioliskraft hervorgerufen wird, die entsteht, wenn der Grundkörper (1) einer Drehung um eine Achse unterworfen ist, die zumindest eine Komponente in der genannten Ebene aufweist, aber senkrecht zu der genannten Achse des Trägers (2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) so konfiguriert ist, daß sich der Träger (2) am leichtesten in einer vorbestimmten Richtung durchbiegt, wobei diese Richtung einen spitzen Winkel mit der Ebene bildet, so daß diese Richtung weder parallel zu noch senkrecht zu der Ebene ist, so daß die erste Oszillation durch eine Erregungskraft eingeleitet werden kann, die nicht parallel zu der genannten Ebene ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Hervorrufen der ersten Oszillation angepaßt ist, um eine Erregungskraft zu erzeugen, die im wesentlichen senkrecht zu der genannten Ebene ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Richtung, in der sich der Träger (2) am leichtesten durchbiegt, unter 55° zu der Ebene des Substrats verläuft.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede träge Masse (5) zwei Elemente (6, 7) aufweist, die jeweils auf einer Seite des Trägers (2) innerhalb der Ebene des Substrats angeordnet sind, wobei die beiden Elemente (6, 7) durch einen Verbindungsstab (8) miteinander verbunden sind, wobei der zentrale Bereich des Verbindungsstabs (8) einteilig mit einem Abschnitt des Trägers (2) ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Hervorrufen der ersten Oszillation der oder jeder trägen Masse eine Anordnung aufweist, die zumindest eine kapazitive Platte (15) umfaßt, die benachbart zu einem ausgewählten Abschnitt der oder jeder jeweiligen trägen Masse (5) angeordnet ist, und ein Mittel, um ausgewählte Potentiale an die oder jede kapazitive Platte (15) anzulegen, wobei die oder jede träge Masse (5) mit einem leitenden Abschnitt (9) versehen ist, wobei ein Mittel vorhanden ist, um ein vorbestimmtes Potential an den leitenden Abschnitt (9) anzulegen, wobei die Anordnung so ist, daß die Potentiale, die an die oder jede kapazitive Platte (15) angelegt sind, einen Teil der oder jeder trägen Masse (5) dazu veranlassen, dazu zu neigen, außerhalb der Ebene des Substrats durchgebogen zu werden.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der genannten kapazitiven Platten (15, 16) vorhanden ist.
Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede kapazitive Platte auf einem Substrat aus Glas oder halbisolierendem Silizium angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Anlegen von Potentialen an die oder jede kapazitive Platte (15, 16) angepaßt ist, um Signale bereitzustellen, die eine wippenartige Bewegung der oder jeder trägen Masse (5) um den Verbindungsstab (8) erzeugen, wobei die Anordnung des Trägers (2) so ist, daß diese Bewegung die genannte erste Oszillation um die Achse (11) senkrecht zu der Ebene des Substrats erzeugt.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erfassen der zweiten Oszillation zumindest eine weitere kapazitive Platte (22) aufweist, die benachbart zu einem ausgewählten Abschnitt der oder jeder trägen Masse (5) angeordnet ist, und ein Mittel, um die Kapazität zwischen der oder jeder weiteren kapazitiven Platte (22, 23) und dem genannten Grundkörper (1) zu messen, um die zweite Oszillation zu erfassen.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der genannten weiteren kapazitiven Platten (22, 23) vorhanden ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel an den gegenüberliegenden Enden (3, 4) des Trägers (2) vorgesehen sind, um den Träger in einer Position anzubringen, und wobei nur eine einzelne träge Masse (5) vorhanden ist, wobei die träge Masse (5) im wesentlichen mittig bzgl. des Trägers (2) auf halber Strecke zwischen den Mitteln zum Anbringen des Trägers in einer Position angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die träge Masse (5) symmetrisch um die Achse (12) des Trägers (2) ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei träge Massen (44, 45) vorhanden sind, wobei die trägen Massen symmetrisch auf dem Träger (2) angeordnet sind und jede träge Masse (44, 45) an einer Position zwischen dem mittleren Abschnitt des Trägers und einem jeweiligen Ende (42, 43) des Trägers angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden trägen Massen (44, 45) identisch sind und symmetrisch um die Achse des Trägers sind.
Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede träge Masse (44, 45) mit einem Mittel zum Hervorrufen einer ersten Oszillation der Masse (44, 45) um eine Achse senkrecht zu der Ebene des Substrats versehen ist, wobei die Anordnung so ist, daß die Massen (44, 45) in Gegenphase oszillieren.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) aus einem monokristallinen Substrat hergestellt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) aus Silizium hergestellt ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, angepaßt zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das für eine Winkelgeschwindigkeit repräsentativ ist.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, angebracht auf einem Motorfahrzeug, um das Ausbringen einer Sicherheitseinrichtung zu steuern.