DE60317436T2

DE60317436T2 - Für Längsbeschleunigung abstimmbarer Mikrokreisel

Info

Publication number: DE60317436T2
Application number: DE60317436T
Authority: DE
Inventors: Jin-Soo Cho
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2002-10-12
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2023-10-07
Also published as: KR20040035946A; DE60317436D1; JP2004132988A; KR100470590B1; EP1408302A2; TWI230781B; EP1408302B1; US20040069062A1; US6860150B2; EP1408302A3; CN1246668C; TW200416394A; CN1497240A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrogyroskop zum Erfassen einer Winkelgeschwindigkeit. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikrogyroskop, das relativ unempfindlich für äußere Störeinflüsse ist und das in der Lage ist, eine Sensorelektrode und entsprechende Sensorkardanringe in einer selben Richtung und/oder mit einer selben Resonanzfrequenz in einer Detektionsrichtung zu synchronisieren, wodurch unnötige Signalausgaben infolge einer äußeren translationalen Beschleunigung, die durch Störeinflüsse wie zum Beispiel Rauschen, Stöße und dergleichen verursacht wird, vermieden werden.
Ein Gyroskop ist eine Sensorvorrichtung, die eine rotationale Winkelgeschwindigkeit detektiert, und ist derzeit als ein Hauptbestandteil einer Präzisionsnavigation in Schiffen und Flugzeugen in Gebrauch. Seit kurzem haben Entwicklungen auf dem Gebiet der Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) die Anwendung eines Gyroskops in automobilen Navigationsgeräten und als ein Handoszillationskompensationsgerät von Hochleistungsvideokameras ermöglicht.
Ein Gyroskop arbeitet auf der Grundlage der Corioliskraft, die auf eine Masse in Richtung einer dritten Achse wirkt, wenn die Masse, die in Richtung einer ersten Achse schwingt oder rotiert, mit einer Kraft, die sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit dreht, aus der Richtung einer zweiten Achse senkrecht zu der Richtung der ersten Achse wirkt. Die Winkelgeschwindigkeit wird durch Erfassen einer Änderung der Auslenkung der Sensorkardanringe und einer Kapazitätsänderung detektiert.
Wie in 1 veranschaulicht, ist ein herkömmliches Mikrogyroskop 10 auf der Basis der MEMS-Technologie mit Folgendem ausgestattet: schwingenden Kardanringen 12, die eine schwingende Masse M_a definieren, die sich mit einer Resonanzfrequenz f_a durch einen in Schwingrichtung elastischen Körper 13, der eine vorgegebene Dämpfungskraft besitzt, oder einen Dämpfer 15 bewegt und in einer horizontalen Richtung, d. h. in einer X-Achsen-Richtung, schwingt; einer Antriebselektrode 16, die Antriebskämme 17 aufweist, die zwischen Schwingkämmen 14 der schwingenden Kardanringe 12 in vorgegebenen Abständen angeordnet sind und auf einem Wafer 11 befestigt sind; Sensorkardanringen 18, die eine Sensormasse M_s definieren, die zusammen mit den schwingenden Kardanringen 12 durch einen elastischen Detektionsrichtungskörper 19, der eine vorgegebene Dämpfungskraft hat, oder einen Dämpfer 23 schwingen und dann bei Einwirkung einer Rotationskraft mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit in einer vertikalen Richtung, d. h. in einer Y-Achsen-Richtung, mit einer Resonanzfrequenz f_s schwingen; und einer Sensorelektrode 22, die Elektrodenkämme 21 aufweist, die zwischen Sensorkämmen 20 der Sensorkardanringe 18 in vorgegebenen Abständen angeordnet und auf dem Wafer 11 befestigt sind.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des wie oben aufgebauten Mikrogyroskops 10 erläutert. Als erstes wird eine Wechselspannung an die Antriebselektrode 16, die schwingenden Kardanringe 12 und die Sensorkardanringe 18 angelegt, die in der X-Achsen-Richtung durch die Schwing- und Antriebskämme 14, 17 mit der Resonanzfrequenz f_a schwingen.
Wenn das Mikrogyroskop 10 durch eine äußere Kraft mit einer Winkelgeschwindigkeit ☐ gedreht wird, so wirkt auf die schwingenden Kardanringe 12 und die Sensorkardanringe 18 die Corioliskraft in der Y-Achsen-Richtung ein.
Der Grad der Coriolisbeschleunigung wird dargestellt durch: ÿcoriolis = 2Ωx(t)xx .(t) (1) wobei x .(t) die Differentiation der Zeit relativ zur Auslenkung der schwingenden Kardanringen 12 in der X-Achsen-Richtung ist und t die Zeit ist.
Durch die Coriolisbeschleunigung werden die Sensorkardanringe 18 durch den elastischen Detektionsrichtungskörper 19 in der Y-Achsen-Richtung geschwungen. Wenn die Sensorkardanringe 18 in der Y-Achsen-Richtung auch nur um eine winzige Distanz ausgelenkt werden, zum Beispiel von einem Wert im zweistelligen Nanometerbereich bis zu mehreren Nanometern, so verändert sich eine Kapazität zwischen den Sensorkämmen 20 der Sensorkardanringe 18 und den Elektrodenkämme 21 der Sensorelektrode 22. Dementsprechend wird die daraus resultierende Spannungsänderung als eine Winkelgeschwindigkeit detektiert.
Jedoch ist das Mikrogyroskop 10 zusätzlich zur Winkelgeschwindigkeit ☐ gleichermaßen äußeren Störeinflüssen ausgesetzt, wie zum Beispiel Rauschen oder Stößen. Wenn auf das Mikrogyroskop solche Störeinflüsse einwirken, so lenken die Sensorkardanringe 18 infolge einer translationalen Beschleunigung aus. Die translationale Beschleunigung, insbesondere in der Y-Achsen-Richtung, bewirkt ein Auslenken der Sensorkardanringe 18 und ein anschließendes Erfassen von unnötigen Signalen.
Genauer gesagt, die Eigenschaften der Signale, die während der Vibration der Sensorkardanringe 18 durch die Störeinflüsse bei fehlender Eingangswinkelgeschwindigkeit ☐ auftreten, wird ausgedrückt durch: Acosωat·cosωst (2)wobei ☐_a eine Resonanzfrequenz der schwingenden Kardanringe 12 ist, ☐_s eine Resonanzfrequenz der Sensorkardanringe 18 ist und A eine Amplitude ist.
Das separate Ausdrücken zweier Frequenzkomponenten auf der Grundlage der obigen Gleichung (2) ergibt: 1/2A[cos(ωa – ωs)t + cos(ωa + ωs)t] (3)
Eine der zwei Frequenzkomponenten wird entfernt, wenn sie durch ein Tiefpassfilter einer Signalerfassungsschaltung geleitet werden. Die andere Frequenzkomponente, die 1/2A[cos(w₀ – w_s)t ist, wird jedoch nicht entfernt und bleibt somit auch erhalten, nachdem sie das Tiefpassfilter passiert hat. Das liegt daran, dass die Resonanzfrequenz ω_s der Sensorkardanringe 18 während des Konstruktionsprozesses höher eingestellt wird als die Resonanzfrequenz ω₀ der schwingenden Kardanringe 12, um die Empfindlichkeit zu maximieren, wodurch eine relativ kleine Differenz zwischen den Frequenzen ω₀ – ω_s.
Dementsprechend, wie in 2 gezeigt, werden unnötige Signalen detektiert, wenn ein äußerer Stoß auf das Mikrogyroskop 10 einwirkt.
US 5,604,312 offenbart einen Rotationsgeschwindigkeitssensor, der mit einer Schwingmasse arbeitet und einen auslenkbaren Beschleunigungssensor aufweist, der eine auslenkbare Masse umfasst, die einem Beschleunigungssensor zugeordnet ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Mikrogyroskop bereitgestellt, das Folgendes umfasst: eine Schwingmasse, die über einem Wafer schwebt, um in einer ersten Richtung zu schwingen; eine Antriebselektrode, um die Schwingmasse in Schwingung zu versetzen; eine Sensormasse, die zusammen mit der Schwingmasse schwingt und sich gleichzeitig in einer zweiten Richtung bewegt, wobei die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung verläuft; und eine Sensorelektrode zum Erfassen einer Bewegung der Sensormasse relativ zu der Sensorelektrode, wobei das Mikrogy roskop des Weiteren einen Sensorelektrodenstützabschnitt umfasst, um die Sensorelektrode beweglich so zu halten, dass sich die Sensorelektrode in der zweiten Richtung mit der Sensormasse bewegen kann, wobei das Mikrogyroskop gegen eine äußere translationale Beschleunigung abgestimmt werden kann.
Die Erfindung stellt somit ein Mikrogyroskop bereit, das relativ unempfindlich für äußere Störeinflüsse ist und das in der Lage ist, eine Sensorelektrode und entsprechende Sensorkardanringe in einer selben Richtung und/oder mit einer selben Resonanzfrequenz zu synchronisieren, wodurch unnötige Signalausgaben infolge einer äußeren translationalen Beschleunigung, die durch Störeinflüsse wie zum Beispiel Rauschen, Stöße und dergleichen verursacht wird, vermieden werden.
Der Sensorelektrodenstützabschnitt kann als ein elastischer Sensorelektrodenkörper ausgebildet sein, der elastisch zwischen der Sensorelektrode und dem Wafer angeordnet ist, um die Sensorelektrode in der zweiten Richtung zu bewegen.
Eine Resonanzfrequenz der Sensorelektrode in der zweiten Richtung kann entweder gleich oder ähnlich einer Resonanzfrequenz der Sensormasse in der Detektionsrichtung sein.
In einem Beispiel:
umfasst die Schwingmasse äußere Kardanringe;
umfasst das Mikrogyroskop des Weiteren mehrere erste Kammeinheiten, die auf einer Außenseite der äußeren Kardanringe angeordnet sind;
umfasst die Antriebselektrode wenigstens eine Antriebselektrodeneinheit, die mehrere zweite Kammeinheiten aufweist, die zwischen den ersten Kammeinheiten in vorgegebe nen Abständen angeordnet sind, um die äußeren Kardanringe in Schwingung zu versetzen;
umfasst die Sensormasse innere Kardanringe, die beweglich angeordnet sind, um zusammen mit den äußeren Kardanringen zu schwingen;
sind mehrere dritte Kammeinheiten in der zweiten Richtung in einer oder mehreren Unterteilungen angeordnet, die durch das Innere der inneren Kardanringe definiert sind, und
umfasst die Sensorelektrode wenigstens eine Sensorelektrodeneinheit, die in den Unterteilungen der inneren Kardanringe angeordnet ist und mehrere Elektrodenkammeinheiten aufweist, die zwischen den dritten Kammeinheiten der Unterteilungen in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Der Sensorelektrodenstützabschnitt kann als ein elastischer Sensorelektrodenbalkenkörper ausgebildet sein, der elastisch zwischen der Sensorelektrodeneinheit und dem Wafer angeordnet ist, um die Sensorelektrodeneinheit in der zweiten Richtung in Schwingung zu versetzen. Der elastische Sensorelektrodenbalkenkörper kann einen Anker, der auf dem Wafer befestigt ist und sich aufwärts erstreckt, und einen elastischen horizontalen Balken enthalten, der elastisch so angeordnet ist, dass er beide Seiten des Ankers mit der Sensorelektrodeneinheit verbindet.
Eine Resonanzfrequenz der Sensorelektrode in der Detektionsrichtung kann entweder gleich oder ähnlich einer Resonanzfrequenz der inneren Kardanringe in der zweiten Richtung sein.
Jede der ersten, der zweiten und der dritten Kammeinheit kann mehrere Kämme enthalten.
Das Innere der inneren Kardanringe kann als eine einzelne oder als mehrere Unterteilungen definiert sein, wobei mehrere dritte Kammeinheiten jeweils in ihren beiden Seiten angeordnet sind, und die Sensorelektrodeneinheit kann eine oder mehrere Sensorelektroden enthalten, die jeweils in der einzelnen oder in den mehreren Unterteilungen des Inneren der inneren Kardanringe angeordnet sind, und hat mehrere Elektrodenkammeinheiten, die zwischen den dritten Kammeinheiten in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Die oben angesprochenen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann deutlicher erkennbar, wenn bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 veranschaulicht ein Schaubild eines herkömmlichen Mikrogyroskops.
2 ist ein Diagramm, das ein Signal veranschaulicht, das erfasst wird, wenn ein äußerer Stoß auf das Mikrogyroskop von 1 einwirkt.
3 veranschaulicht ein Schaubild eines Mikrogyroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Systems mit 1 Freiheitsgrad zum Erläutern eines Prinzips eines Mikrogyroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 4B und 4C sind Diagramme, die einen Einheitsstoß und dessen Ansprechcharakteristik des Systems mit 1 Freiheitsgrad veranschaulichen.
5 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein Mikrogyroskop gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein Mikrogyroskop gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A–7E sind Diagramme, welche die errechneten Ergebnisse der Beziehung zwischen der Zeit und der relativen Auslenkung der ersten und der zweiten Sensorelektrode relativ zu Sensorkardanringen gemäß deren Resonanzfrequenzen f in dem Mikrogyroskop von 6 und die Beziehung zwischen der Zeit und der relativen Auslenkung der ersten und der zweiten Stationärelektroden relativ zu Sensorkardanringen gemäß deren Resonanzfrequenzen f in dem herkömmlichen Mikrogyroskop veranschaulichen, wenn ein Beschleunigungsimpuls von 1 G über eine Zeitdauer von 0,01 s einwirkt.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden eingehender unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Die Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen verkörpert sein und darf nicht so verstanden werden, als sei sie auf die im vorliegenden Text dargelegten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr dienen diese Ausführungsformen dazu, dass diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann den Geltungsbereich der Erfindung in vollem Umfang übermittelt. Gleiche Zahlen bezeichnen immer gleiche Elemente.
3 zeigt schematisch ein Mikrogyroskop 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Mikrogyroskop 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mit Folgendem versehen: schwingenden Kardanringen 112, die eine Schwingmasse M_a definieren, die über einem Wafer 111 schwebt, um mit einer Resonanzfrequenz f_a in einer horizontalen Richtung, d. h. in der X-Achsen-Richtung, zu schwingen; einer Antriebselekt rode 116, die auf dem Wafer 111 befestigt ist und Antriebskämme 117 aufweist, die zwischen Schwingkämmen 114 der schwingenden Kardanringe 112 in vorgegebenen Abständen angeordnet sind; Sensorkardanringe 118, die eine Sensormasse M_s definieren, die so angeordnet ist, dass sie mit einer Resonanzfrequenz f_s in einer vertikalen Richtung, d. h. in der Y-Achsen-Richtung, schwingt, wenn auf sie eine Winkelgeschwindigkeit ☐ während der Schwingung zusammen mit den schwingenden Kardanringen 112 einwirkt; einer Sensorelektrode 122, die beweglich auf dem Wafer 111 gehalten wird und Elektrodenkämme 121 aufweist, die zwischen Sensorkämmen 120 der Sensorkardanringe 118 in vorgegebenen Abständen angeordnet sind; und einem Sensorelektrodenstützabschnitt 128 zum beweglichen Halten der Sensorelektrode 122 relativ zu dem Wafer 111, dergestalt, dass sich die Sensorelektrode 122 bei Einwirkung eines äußeren Stoßes in derselben Richtung bewegen kann wie die Detektionsrichtung der Sensorkardanringe 118, d. h. in der Y-Achsen-Richtung bewegen kann.
Die schwingenden Kardanringe 112 werden in der X-Achsen-Richtung durch einen in Schwingrichtung elastischen Körper 113 in Schwingung versetzt, der elastisch zwischen den schwingenden Kardanringen 112 und dem Wafer 111 angeordnet ist. Der elastische Körper 113 ist mit einer vorgegebenen Dämpfungskraft oder einem Dämpfer 115 versehen. Die Sensorkardanringe 118 werden in der X-Achsen-Richtung zusammen mit den schwingenden Kardanringen 112 in Schwingung versetzt und in einer Detektionsrichtung, d. h. in der Y-Achsen-Richtung, in Schwingung versetzt, wenn eine Rotationskraft einwirkt, die sich mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit ☐dreht.
Obgleich in 3 als ein Beispiel die schwingenden Kardanringe 112 mit Antriebskämmen 117 auf einer Seite ausgebildet sind und eine einzelne Antriebselektrode 116 entsprechend den Schwingkämmen 114 ausgebildet ist, versteht es sich, dass die Schwingkämme 114 zusätzlich auf der anderen Seite der schwingenden Kardanringen 112 ausgebildet sein können und die Antriebselektrode 116 positive und negative Antriebskämme 117 aufweisen kann, die symmetrisch entsprechend den Schwingkämmen 114 angeordnet sind.
Außerdem zeigt 3 zwar die Sensorelektrode 122 mit einer einzigen Polarität, doch es kann auch ein Paar positiver und negativer Elektroden parallel zur Y-Achsen-Richtung angeordnet werden, um Detektionsrauschen zu mindern und die Detektionsgenauigkeit zu verbessern. Da in diesem Fall die elektrische Kapazität zwischen den Elektrodenkämmen 121 der positiven und negativen Sensorelektroden und dem Sensorkamm 120 entgegengesetzt ist, kann bei Einwirken eines äußeren Stoßes die Auslenkung der Sensorkardanringe 118 in der Y-Achsen-Richtung erfasst werden, indem eine Differenz der Kapazität berechnet wird, die von den positiven und negativen Sensorelektroden 122 erzeugt wird.
Der Sensorelektrodenstützabschnitt 128, der die Sensorelektrode 122 beweglich so hält, dass sie sich in der Y-Achsen-Richtung bewegt, ist mit einem elastischen Sensorelektrodenkörper 124 versehen, der elastisch zwischen der Sensorelektrode 122 und dem Wafer 111 angeordnet. Der elastische Sensorelektrodenkörper 124 ist mit einer vorgegebenen Dämpfungskraft oder einem Dämpfer 125 versehen.
Eine Resonanzfrequenz der Sensorelektrode 122 in einer Detektionsrichtung kann gleich oder ähnlich der Resonanzfrequenz der Sensorkardanringe 118, d. h. der Schwingmasse, sein. Bevorzugt ist die Resonanzfrequenz der Sensorelektrode 122 in einer Detektionsrichtung gleich der Resonanzfrequenz der Sensorkardanringe 118 in der Detektionsrichtung.
Der Grund für diesen bevorzugten Zustand wird nun beschrieben. Wenn angenommen wird, dass keine Eingabe einer Winkel geschwindigkeit ☐ von außen in das Mikrogyroskop 100 von 3 eingegeben wird, sondern lediglich ein Impuls eingegeben wird, da die schwingenden Kardanringe 112 in der Y-Achsen-Richtung recht starr sind, so bewirkt die Y-Achsen-Richtungs-Eigenschaft des Impulses, dass die Schwingelektrode 122 und die Sensorkardanringe 118 in der Y-Achsen-Richtung durch den elastischen Sensorelektrodenkörper 124 und einen elastischen Detektionsrichtungskörper 119, der elastisch zwischen den Sensorkardanringen 118 und den schwingenden Kardanringen 112 angeordnet ist, ausgelenkt werden. Der elastische Detektionsrichtungskörper 119 ist mit einer vorgegebenen Dämpfungskraft oder einem Dämpfer 123 versehen.
Die Ansprechcharakteristik der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 118 durch das Einwirken des Y-Achsen-Richtungs-Impulses entspricht ungefähr der Ansprechcharakteristik eines Systems mit 1 Freiheitsgrad mit einer Masse M, einer Federkonstante k und einem Dämpfungskoeffizienten c, wie in 4A gezeigt.
Die Ansprechcharakteristik des Systems mit 1 Freiheitsgrad, auf das ein Einheitsimpuls einwirkt, wie in 4B gezeigt, ist folgende:
Wie Gleichung (4) zu entnehmen ist, wird bei Einwirken eines Impulses die Ansprechcharakteristik des Systems mit 1 Freiheitsgrad als die Resonanzfrequenz der Masse M ausgedrückt, wie in 4C gezeigt.
Da die Ansprechcharakteristik der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 18 infolge des Y-Achsen-Richtungs- Impulses als die Resonanzfrequenz ausgedrückt wird, wenn die Resonanzfrequenz der Sensorelektrode 122 in der Detektionsrichtung gleich der Resonanzfrequenz der Sensorkardanringe 118 in der Detektionsrichtung ist, bleibt die relative Position der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 118 auch dann konstant, wenn ein Y-Achsen-Richtungs-Impuls auf sie einwirkt.
Genauer gesagt, wird angenommen, dass ein erstes ungedämpftes System mit 1 Freiheitsgrad mit einer Masse M₁ und einer Federkonstante k₁ und ein zweites ungedämpftes System mit 1 Freiheitsgrad mit einer Masse M₂ und einer Federkonstante k₂ die gleiche Resonanzfrequenz W₁ bzw. W₂ haben. Somit ist k₁/M₁ = k₂/M₂, und eine Anfangsauslenkung ist null (0). Dementsprechend erhält man die Auslenkung des ersten und des zweiten Systems mit der Zeit (t) folgendermaßen:
wobei v₀ die Anfangsgeschwindigkeit ist.
Dementsprechend ist, wenn die Anfangsgeschwindigkeit v₀ infolge des äußeren Impulses, der auf das erste und das zweite System einwirkt, in jedem System gleich ist, die Ansprechcharakteristik des ersten und des zweiten Systems ähnlich identisch.
Wenn zum Beispiel angenommen wird, dass die Masse M₁ des ersten Systems mit dem Impuls G einwirkt, wobei die Geschwindigkeit v zum Zeitpunkt t = 0^– gleich 0 ist, und dass die Zeit unmittelbar nach dem Einwirken des Impulses t = 0 ist, so erhält man die folgende Gleichung: G = M1v1(t = 0) – M1v1(t = 0–) = M1v1(t = 0) (6)
Dementsprechend ist die Anfangsgeschwindigkeit (v₁(t = 0)) der Masse M₁ gleich
Unter der Annahme, dass die Masse M₂ des zweiten Systems mit einem anderen Impuls als die Masse M₁, aber mit der gleichen Beschleunigung einwirkt, ist die Beschleunigung a auf die Masse M₁, d. h. die Beschleunigung a relativ zur Masse M₂, durch die Beziehung gegeben.
Dementsprechend erhält man die folgende Gleichung in Bezug auf die Masse M₂.
Dementsprechend ist die Anfangsgeschwindigkeit v₂(t = 0) der Masse M₂
Mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit der Massen M₁, M₂ des ersten und des zweiten Systems und der gleichen Resonanzfrequenz entsteht die gleiche Ansprechcharakteristik auf den äußeren Impuls.
Im Fall des Mikrogyroskops 100 würden die Sensorkardanringe 118 und die Sensorelektrode 122 mit verschiedenen Formen und Volumen verschiedene Dämpfungskoeffizienten c in einer atmosphärischen Umgebung aufweisen. Nach dem Verkapseln in einem Vakuum werden jedoch die Dämpfungskoeffizienten c der Sensorkardanringe 118 und der Sensorelektrode 122 lediglich durch die Dämpfungseigenschaft des Materials beeinflusst, aus dem sie bestehen. Infolge dessen sind die Dämpfungsko effizienten c der Sensorkardanringe 118 und der Sensorelektrode 122 nahezu gleich.
Wie oben beschrieben, kann durch Verwenden der beweglichen Sensorelektrode 122, die beweglich an dem Wafer 111 gehalten wird, und die Tatsache, dass die Sensorkardanringe 118 und die Sensorelektrode 122 die gleiche Auslenkung auf den äußeren Impuls hin haben, eine Detektion eines Signals infolge des äußeren Impulses verhindert werden.
Es wird nun die Funktionsweise des wie oben aufgebauten Mikrogyroskops 100 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zuerst werden mit dem Anlegen von Wechselstrom an die Antriebselektrode 116 die schwingenden Kardanringe 112 und die Sensorkardanringe 118 mit der Resonanzfrequenz f_a infolge der elektrostatischen Kraft zwischen den Schwing- und den Antriebskämmen 114 bzw. 117 und dem in Schwingrichtung elastischen Körper 113 in der X-Achsen-Richtung in Schwingung versetzt.
Zu diesem Zeitpunkt, wenn das Mikrogyroskop 100 durch die äußere Kraft mit der Winkelgeschwindigkeit Q gedreht wird, wirkt auf die schwingenden Kardanringe 112 und die Sensorkardanringe 118 die Corioliskraft in der Y-Achsen-Richtung, und dementsprechend werden die Sensorkardanringe 118 durch den elastischen Detektionsrichtungskörper 119 in der Y-Achsen-Richtung in Schwingung versetzt.
Mit der Auslenkung der Sensorkardanringe 118 in der Y-Achsen-Richtung um einen Wert im zweistelligen Nanometerbereich bis zu mehreren Nanometern werden die Sensorkämme 120 der Sensorkardanringe 118 relativ zu den Elektrodenkämmen 121 der Sensorelektroden 122 ausgelenkt. Infolge dessen ändert sich eine elektrische Kapazität zwischen den Sensorkämmen und den Elektrodenkämmen 120 bzw. 121. Dementspre chend wird die Änderung eines Spannungssignals durch eine (nicht gezeigte) Schaltung als die Winkelgeschwindigkeit detektiert.
Unter der Annahme, dass der Impuls von außen einwirkt, bewirkt die Y-Achsen-Komponente des Impulses lediglich eine Auslenkung der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 118, da die schwingenden Kardanringe 112 eine relativ hohe Steifigkeit in der Y-Achsen-Richtung aufweisen.
Da jedoch die Ansprechcharakteristik der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 118 auf die Y-Achsen-Komponente des Impulses infolge des elastischen Sensorelektrodenkörpers 124 als die identische Resonanzfrequenz ausgedrückt werden kann, ist die Auslenkung der Sensorelektrode 122 und der Sensorkardanringe 118 selbst bei Einwirkung der Y-Achsen-Komponente des Impulses miteinander identisch. Dementsprechend ist die elektrische Kapazität zwischen den Sensor- und Elektrodenkämmen 120 bzw. 121 der Sensorelektrode 122 und den Sensorkardanringen 118 frei vom Einfluss der Y-Achsen-Komponente des Impulses. Somit wird ein Erfassen des Signals infolge der Y-Achsen-Komponente des Impulses verhindert.
In 5 wird ein Mikrogyroskop 100' gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Das Mikrogyroskop 100' gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mit Folgendem versehen: länglichen schwingenden Kardanringen 112', die so ausgebildet sind, dass sie über einem Wafer 111' schweben, um in einer horizontalen Richtung, d. h. in der X-Achsen-Richtung, zu schwingen; einem ersten Kamm 114', der mehrere erste Kämme 114a, 114b enthält, die auf Ober- und Unterseiten (wie in 5 gezeigt) der schwingenden Kardanringe 112' in vorgegebenen Abständen angeordnet sind; einer Antriebselektrodeneinheit 116', die vier Antriebs elektrodeneinheiten 116a, 116b, 116c, 116d enthält, die mehrere zweite Kämme 117a, 117b, 117c, 117d aufweist, die zwischen den ersten Kämmen 114a, 114b in vorgegebenen Abständen angeordnet sind, um die schwingenden Kardanringe 112' beim Anlegen einer Stromversorgung in Schwingung zu versetzen; Sensorkardanringen 118', die in den schwingenden Kardanringen 112' angeordnet sind, um zusammen mit den schwingenden Kardanringen 112' in einer Detektionsrichtung, d. h. in einer vertikalen oder Y-Achsen-Richtung, zu schwingen; mehreren dritten Kämmen 120a, 120b, die auf den Ober- und Unterseiten (wie in 5 gezeigt) im Inneren der Sensorkardanringe 118' angeordnet sind; einer Sensorelektrodeneinheit 122' mit mehreren Elektrodenkammeinheiten 121a, 121b, die zwischen den dritten Kämmen 120a, 120b in vorgegebenen Abständen angeordnet sind; und einem Sensorelektrodenstützabschnitt 128' zum beweglichen Halten der Sensorelektrodeneinheit 122' relativ zu dem Wafer 111', dergestalt, dass die Sensorelektrodeneinheit 122' in derselben Richtung wie die Detektionsrichtung der Sensorkardanringe 118', d. h. in der Y-Achsen-Richtung, in Schwingung versetzt wird.
Die schwingenden Kardanringe 112' werden in der X-Achsen-Richtung durch einen elastischen Schwingrichtungsbefestigungsabschnitt 113' von einer vorgegebenen Dämpfungskraft in Schwingung versetzt, der elastisch zwischen den schwingenden Kardanringen 112' und dem Wafer 111' angeordnet ist. Der elastische Schwingrichtungsbefestigungsabschnitt 113' enthält vier elastische Schwingrichtungsbalkenkörper 113a, 113b, 113c, 113d, die in der Nähe von Ecken der schwingenden Kardanringe 112' angeordnet sind.
Auf den linken und rechten Außenseiten der schwingenden Kardanringe 112' (wie in 5 gezeigt) ist ein Kammsensor 126 ausgebildet, der die Vibration der Sensorkardanringe 118' in der X-Achsen-Richtung erfasst. Der Kammsensor 126 enthält zwei Kammsensoreinheiten 126a, 126b mit länglichen fünften Kämmen 126a', 126b', die gegenüber den vierten Kämmen 114c, 114d ausgebildet sind, die auf den linken bzw. rechten Außenseiten der schwingenden Kardanringe 112' ausgebildet sind, um zu verhindern, dass sich die Schwingspannung entlang eines Weges, wie zum Beispiel einer Unterseite, zu den schwingenden Kardanringen 112' und dergleichen ausbreitet und anschließend während der Schwingung der ersten Kämme 114a, 114b der schwingenden Kardanringe 112' durch die Antriebselektrodeneinheiten 116a, 116b, 116c, 116d mit dem Kammsensor 126 in Konflikt gerät.
Die Antriebselektrodeneinheiten 116a, 116b, 116c, 116d sind dafür ausgelegt, mit positiven und negativen Spannungen in zueinander symmetrischer Weise beaufschlagt zu werden, so dass die positiven und negativen Spannungen ausgeglichen sind, wenn die infolge der Schwingspannung erzeugte Interferenzwechselspannung an beide Enden der jeweiligen Kammsensoreinheiten 126a, 126b angelegt wird. Zum Beispiel können sie so konfiguriert sein, dass die positive Spannung an die Antriebselektrodeneinheiten 116a, 116c angelegt wird, während eine negative Spannung an die Antriebselektrodeneinheiten 116b, 116d angelegt wird. Da die schwingenden Kardanringe 112' kaum durch den Pegel der Schwingspannung beeinflusst werden, können die schwingenden Kardanringe 112' stabil in Resonanz schwingen.
Die Sensorkardanringe 118' werden in der Y-Achsen-Richtung durch einen elastischen Detektionsrichtungsbefestigungsabschnitt 119' in Schwingung versetzt, der elastisch zwischen den Sensorkardanringen 118' und den schwingenden Kardanringen 112' angeordnet ist. Der elastische Detektionsrichtungsbefestigungsabschnitt 119' enthält zwei elastische Detektionsrichtungsbalkenkörper 119a, 119b mit einer vorgegebenen Dämpfungskraft, die auf beiden Seiten der Sensorkardanringe 118' angeordnet sind.
Die Sensorelektrodeneinheit 122' besteht entweder aus einer positiven oder einer negativen Sensorelektrode, die mit einem (nicht gezeigten) positiven oder negativen Elektrodenstützabschnitt verbunden sind, und ist in der Lage, bei Einwirken eines äußeren Impulses die Auslenkung der Sensorkardanringe 118' in der Y-Achsen-Richtung durch Berechnen der Differenz einer elektrischen Kapazität zwischen den Elektrodenkämmen 121a, 121b der positiven oder negativen Sensorelektrode 122' und den dritten Kämmen 120a, 120b der Sensorkardanringe 118' zu erfassen. Im Fall der Verwendung einer allgemeinen Schaltung, welche die Änderung der elektrischen Kapazität detektiert, kann das Winkelgeschwindigkeitssignal durch Erfassen des Spannungssignals erfasst werden, das in proportionaler Beziehung zur Änderung der elektrischen Kapazität steht.
Der Sensorelektrodenstützabschnitt 128' ist als ein elastischer Sensorelektrodenbalkenkörper ausgebildet, der einen Anker oder eine vertikale Säule 127', der bzw. die auf der Oberseite des Wafers 111' befestigt ist und sich aufwärts erstreckt, und einen elastischen horizontalen Balken 124' aufweist, der elastisch so angeordnet ist, dass er die beiden Oberseiten des Ankers 127' und der Sensorelektrodeneinheit 122' verbindet.
Er ist so ausgelegt, dass die Detektionsrichtungsresonanzfrequenz der Sensorelektrodeneinheit 122', die durch den elastischen Sensorelektrodenbalkenkörper 128' gestützt wird, mit der Detektionsrichtungsresonanzfrequenz der Sensorkardanringe 118' identisch ist, die durch die elastischen Detektionsrichtungsbalkenkörper 119a, 119b gestützt werden.
Dementsprechend werden die Sensorelektrodeneinheit 122' und die Sensorkardanringe 118' unter dem Y-Achsen-Impuls in gleichem Maße ausgelenkt, und infolge dessen wird die elektrische Kapazität zwischen den Elektrodenkammeinheiten 121a, 121b der Sensorelektrodeneinheit 122' und den dritten Kämmen 120a, 120b der Sensorkardanringe 118' nicht durch die Y-Achsen-Komponente des Impulses beeinflusst. Somit wird das Erfassen eines Signals infolge der Y-Achsen-Komponente des Impulses verhindert.
Die Funktionsweise des wie oben aufgebauten Mikrogyroskops 100' ist dem Prinzip nach fast identisch mit der des Mikrogyroskops 100 von 3. Dementsprechend wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
In 6 ist ein Mikrogyroskop 100'' gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Das Mikrogyroskop 100'' gemäß dieser Ausführungsform ähnelt der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 5 gezeigt, außer dass die Sensorkardanringe 118'' in zwei Unterteilungen 118a, 118b unterteilt sind und die Sensorelektrodeneinheit 122'' in den zwei Unterteilungen 118a, 118b angeordnet ist.
Die Sensorkardanringe 118'' sind mit mehreren dritten Kämmen 120a', 120b'; 120c, 120d versehen, die jeweils sowohl auf den Ober- als auch auf den Unterseiten (wie in 6 gezeigt) der jeweiligen Unterteilungen 118a, 118b in der Detektionsrichtung angeordnet sind.
Die Sensorelektrodeneinheit 122'' enthält eine erste und eine zweite Sensorelektrode 122a, 122b, die jeweils im Inneren der Unterteilungen 118a, 118b angeordnet sind.
Die erste und die zweite Sensorelektrode 122a, 122b sind mit mehreren Elektrodenkammeinheiten 121a', 121b'; 121c, 121d versehen, die zwischen den jeweiligen dritten Kämmen 120a', 120b'; 120c, 120d der Unterteilungen 118a, 118b gegenüber den dritten Kämmen 120a', 120b'; 120c, 120d in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Des Weiteren werden die erste und die zweite Sensorelektrode 122a, 122b beweglich auf dem Wafer 111'' durch den ersten und den zweiten Sensorelektrodestützabschnitt 128'', 128''', die jeweils als ein elastischer Sensorelektrodenbalkenkörper aufgebaut sind, der eine vertikale Säule 127'', 127''' hat, und einen elastischen horizontalen Balken 124, 124''' so gestützt, dass sie sich in der Y-Achsen-Richtung bewegen.
Um des Weiteren das Detektionsrauschen zu mindern und somit die Empfindlichkeit zu erhöhen, sind die erste und die zweite Sensorelektrode 122a, 122b dafür ausgelegt, mit den (nicht gezeigten) positiven und negativen Elektrodenstützabschnitten verbunden zu werden, um eine positive Polarität und eine negative Polarität zu haben. Dementsprechend ändert sich mit dem Einwirken eines äußeren Impulses eine elektrische Kapazität der positiven Sensorelektrode und der negative Sensorelektrode in einander entgegengesetzter Weise, und durch die Differenz der elektrischen Kapazität der positiven und der negativen Sensorelektrode wird die Auslenkung der Sensorkardanringe 118'' in der Y-Achsen-Richtung erfasst.
7B, 7C und 70 veranschaulichen die errechneten Ergebnisse der Beziehung zwischen der Zeit und der relativen Distanz der Auslenkung der ersten und der zweiten Sensorelektrode 122a, 122b relative zu den Sensorkardanringen 118'' gemäß den Resonanzfrequenzen f der Sensorkardanringe 118'', den Elektrodenkammeinheiten 121a', 121b' der ersten Sensorelektrode 122a und den Elektrodenkammeinheiten 121c, 121d der zweiten Sensorelektrode 122b, wenn ein Beschleunigungsimpuls von 1 G über eine Dauer von 0,01 s angelegt wird, wie in 7A gezeigt.
Die Berechnung basiert auf einem Gewicht der Sensorkardanringe 118'' von 3,4E-8 kg, einer Steifigkeit von 14,50 N/m und einem Dämpfungskoeffizienten von 6,4E-6 N-s/m und auf einem Gewicht der ersten und der zweiten Sensorelektrode 122a, 122b von 1,7E-8 kg, einer Steifigkeit von 72,50 N/m und einem Dämpfungskoeffizienten von 1,6E-6 N-s/m bei einer Antriebsfrequenz von 10,4 kHz, einer Abstimmspannung von 3 V und einer Eingangswinkelgeschwindigkeit ☐ von w = 15 und R₀ = 30 rad/s.
7B zeigt die relative Distanz der Sensorkardanringe 118 und der ersten Sensorelektrode 122a, wenn die Resonanzfrequenz f der Sensorkardanringe 118'', die Resonanzfrequenz f der Elektrodenkammeinheiten 121a', 121b' der ersten Sensorelektrode 122a und die Resonanzfrequenz f der Elektrodenkammeinheiten 121c, 121d der zweiten Sensorelektrode 122b einander bei 10,32 kHz gleich sind, was anzeigt, dass kleine Reaktion auf den äußeren Beschleunigungsimpuls von 1 G erfolgt.
7C und 7D veranschaulichen die Ergebnisse, wenn die Resonanzfrequenzen f der Sensorkardanringe 118'', der Elektrodenkammeinheiten 121a', 121b' der ersten Sensorelektrode 122a und der Elektrodenkammeinheiten 121c, 121d der zweiten Sensorelektrode 122b jeweils als 10,32 kHz, 10,53 kHz und 10,37 kHz sowie 10,32 kHz, 10,59 kHz und 10,59 kHz infolge von Fertigungsfehlern erfasst werden. Wie in 7C und 7D gezeigt, wird zwar ein abnormales Signal erfasst, doch es ist vernachlässigbar im Vergleich zu den abnormalen Signalen von 7E, die an der ersten und der zweiten Sensorelektrode 122a, 122b erfasst werden, die an dem Wafer 111'' befestigt sind, wie im Fall des Standes der Technik, wenn ein Impuls von 1 G über eine Dauer von 0,01 s angelegt wird.
Da die Funktionsweise des Mikrogyroskops 100'' gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Prinzip nahezu identisch mit der des Mikrogyroskops von 3 ist, wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
Wie oben beschrieben, erfasst das Mikrogyroskop gemäß der vorliegenden Erfindung durch Anordnen der Sensorkardanringe und der Sensorelektroden gegenüber den Sensorkardanringen für eine Bewegung in derselben Richtung und/oder mit der gleichen Resonanzfrequenz in einer Detektionsrichtung keine unnötigen Signale, die infolge einer äußeren translationalen Beschleunigung erzeugt werden, die durch äußere Störeinflüsse, wie zum Beispiel Rauschen und Impulse, entsteht.
Im vorliegenden Text sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart worden, und obgleich konkrete Begriffe verwendet werden, werden sie ausschließlich in einem generischen und deskriptiven Sinne und nicht zur Einschränkung verwendet und sind auch nur in einem solchen generischen und deskriptiven Sinne zu verstehen. Dementsprechend leuchtet dem Durchschnittsfachmann ein, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Mikrogyroskop, das Folgendes umfasst: eine Schwingmasse (112), die über einem Wafer schwebt, um in einer ersten Richtung zu schwingen; eine Antriebselektrode (116), um die Schwingmasse in Schwingung zu versetzen; eine Sensormasse (118) , die zusammen mit der Schwingmasse schwingt und sich gleichzeitig in einer zweiten Richtung bewegt, wobei die zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung verläuft; und eine Sensorelektrode (122) zum Erfassen einer Bewegung der Sensormasse (118) relativ zu der Sensorelektrode (122), dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrogyroskop des Weiteren Folgendes umfasst: einen Sensorelektrodenstützabschnitt (125, 128), um die Sensorelektrode (122) beweglich so zu halten, dass sich die Sensorelektrode in der zweiten Richtung mit der Sensormasse (118) bewegen kann, wobei das Mikrogyroskop gegen eine äußere translationale Beschleunigung abstimmbar ist.
Mikrogyroskop nach Anspruch 1, wobei der Sensorelektrodenstützabschnitt (125, 128) einen elastischen Sensorelektrodenkörper (128) umfasst, der elastisch zwischen der Sensorelektrode (122) und dem Wafer (111) angeordnet ist, um die Sensorelektrode in der zweiten Richtung zu bewegen, wobei der elastische Sensorelektrodenkörper mit einer vorgegeben Dämpfungskraft oder einem Dämpfer (125) versehen ist.
Mikrogyroskop nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Resonanzfrequenz der Sensorelektrode (122) in der zweiten Richtung ist entweder gleich oder ähnlich einer Resonanzfrequenz der Sensormasse (118) in der zweiten Richtung ist.
Mikrogyroskop nach Anspruch 1, wobei: die Schwingmasse (112) äußere Kardanringe umfasst; das Mikrogyroskop des Weiteren mehrere erste Kammeinheiten (114) umfasst, die auf einer Außenseite der äußeren Kardanringe (122) angeordnet sind; die Antriebselektrode (116) wenigstens eine Antriebselektrodeneinheit umfasst, die mehrere zweite Kammeinheiten (117) aufweist, die zwischen den ersten Kammeinheiten in vorgegebenen Abständen angeordnet sind, um die äußeren Kardanringe (112) in Schwingung zu versetzen; die Sensormasse (118) innere Kardanringe (118) umfasst, die beweglich angeordnet sind, um zusammen mit den äußeren Kardanringen (112) zu schwingen; mehrere dritte Kammeinheiten (120) in der zweiten Richtung in einer oder mehreren Unterteilungen angeordnet sind, die im Inneren der inneren Kardanringe (118) definiert sind, und die Sensorelektrode (122) wenigstens eine Sensorelektrodeneinheit umfasst, die in den Unterteilungen der inneren Kardanringe (118) angeordnet ist und mehrere Elektrodenkammeinheiten (121) aufweist, die zwischen den dritten Kammeinheiten (120) der Unterteilungen in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Mikrogyroskop nach Anspruch 4, wobei der Sensorelektrodenstützabschnitt einen elastischen Sensorelektrodenbalkenkörper umfasst, der elastisch zwischen der Sensorelektrodeneinheit und dem Wafer angeordnet ist, um die Sensorelektrodeneinheit in der zweiten Richtung in Schwingung zu versetzen.
Mikrogyroskop nach Anspruch 5, wobei der elastische Sensorelektrodenbalkenkörper Folgendes umfasst: einen Anker, der auf dem Wafer befestigt ist und sich aufwärts erstreckt; und einen elastischen horizontalen Balken, der elastisch so angeordnet ist, dass er beide Seiten des Ankers mit der Sensorelektrodeneinheit verbindet.
Mikrogyroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine Resonanzfrequenz der Sensorelektrode (122) in der Detektionsrichtung entweder gleich oder ähnlich einer Resonanzfrequenz der inneren Kardanringe (118) in der zweiten Richtung ist.
Mikrogyroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die erste, die zweite und die dritte Kammeinheit jeweils mehrere Kämme umfassen.
Mikrogyroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Innere der inneren Kardanringe (118) als eine einzelne Unterteilung definiert ist, wobei mehrere dritte Kammeinheiten jeweils in ihren beiden Seiten angeordnet sind, und die Sensorelektrodeneinheit eine einzelne Sensorelektrode umfasst, die in der einzelnen Unterteilung des Inneren der inneren Kardanringe angeordnet ist, und mehrere Elektrodenkammeinheiten hat, die zwischen den dritten Kammeinheiten in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.
Mikrogyroskop nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Innere der inneren Kardanringe als mehr als zwei Unterteilungen definiert ist, wobei mehrere dritte Kammeinheiten jeweils in ihren beiden Seiten angeordnet sind, und die Sensorelektrodeneinheit mehrere Sensorelektroden umfasst, die jeweils in den Unterteilungen des Inneren der inneren Kardanringe angeordnet ist, und mehrere Elektrodenkammeinheiten hat, die zwischen den dritten Kammeinheiten in vorgegebenen Abständen angeordnet sind.