DE69832623T2

DE69832623T2 - Mikrogefertigte kreisel

Info

Publication number: DE69832623T2
Application number: DE69832623T
Authority: DE
Inventors: A. John GEEN; W. Donald CAROW
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: WO1999012002A3; US20030056589A1; WO1999012002A9; EP1009971B1; US20050274182A1; US6122961A; US6505511B1; US20030200806A1; JP2001515201A; US20020046602A1; US6505512B2; US6925877B2; DE69832623D1; US6487908B2; EP1009971A2; US20020046605A1; US6684698B2; US6481284B2; US20020046603A1; WO1999012002A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf mikrogefertigte Kreisel.
Ein Kreisel mit mikrogefertigter Oberfläche weist einen ebenen Körper (oder eine Anzahl von Körpern) auf, der mit Verankerungen und Biegeeinrichtungen über und parallel zu einem darunterliegenden Substrat aufgehängt ist. Der Körper wird entlang einer Zitterachse in einer Ebene gezittert, die parallel zum Substrat und senkrecht zu einer sensitiven Achse ist, die in der Ebene des Körpers oder senkrecht zum Körper und zum Substrat sein kann. Wie im Allgemeinen bekannt ist, veranlasst eine Rotation des Körpers um die sensitive Achse den Körper dazu, sich entlang einer Coriolis-Achse zu bewegen, die ihrerseits orthogonal zur Zitterachse und zur sensitiven Achse ist. Diese Bewegung kann abgefragt werden, um ein Signal abzuleiten, das die Winkelgeschwindigkeit der Rotation anzeigt.
Aufgrund mechanischer Fehlstellen im Körper und in den Biegeeinrichtungen, ist eine aufgehängte Masse üblicherweise nicht perfekt parallel zum Substrat, und die Zitterachse und die sensitive Achse sind üblicherweise nicht perfekt orthogonal. Wenn der Körper gezittert wird, wird infolgedessen ein Störsignal, bezeichnet als Blindsignal, durch die Zitterbewegung selbst verursacht. Dieses Blindsignal, das zur abzufragenden Rotation keinen Bezug hat, interferiert mit dem gewünschten Signal bezogen auf die Rotation. Das Blindsignal ist (a) proportional zur Beschleunigung in der Zitterrichtung mit einer Proportionalitätskonstante, die den mechanischen Versatz anzeigt; hat (b) die gleiche Frequenz wie die Zitterfrequenz; und ist (c) um 90° phasenverschoben zur Zittergeschwindigkeit, im Gegensatz zum Coriolis-Signal, das phasengleich mit der Geschwindigkeit ist. Wegen dieser 90°-Phasendifferenz kann das Blindsignal mit einem phasensensitiven Detektor teilweise abgesondert werden. Die Wirksamkeit einer solchen Absonderung hängt jedoch davon ab, wie exakt die Phasen-Verhältnisse in der Elektronik beibehalten werden.
JP 06-123 631 und US 5 734 105 legen jeweils eine mikrogefertigte Vorrichtung offen, wie im vor-kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegt. US 5 126 812 offenbart einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser. WO 96/39 614 veröffentlicht eine mikrogefertigte Vorrichtung, die ineinandergreifende Elektroden hat.
Überblick der Erfindung
Die Erfindung stellt eine mikrogefertigte Vorrichtung zur Verfügung, wie in Anspruch 1 dargelegt.
Ausführungsformen stellen einen mikrogefertigten Kreisel zur Verfügung, bei dem es eine minimale Störung im Ausgangssignal gibt, die durch das Zittersignal verursacht ist. Der Kreisel weist einen ersten Körper auf, der über einem Substrat aufgehängt ist und entlang einer Zitterachse gezittert wird und einen zweiten Körper, der mit dem ersten Körper verbunden ist und ebenfalls über dem Substrat aufgehängt ist. Der erste und zweite Körper sind derart miteinander verbunden und am Substrat verankert, dass der erste Körper sich entlang der Zitterachse bewegen kann, aber im wesentlichen an einer Bewegung entlang einer Coriolis-Achse (senkrecht zur Zitterachse) relativ zum zweiten Körper gehindert ist, und der zweite Körper mit dem ersten Körper entlang der Coriolis-Achse bewegbar ist, aber im wesentlichen an einer Bewegung entlang die Zitterachse gehindert ist. Die Koppelung zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper entkoppelt im Wesentlichen die Zitterbewegung von der Bewegung entlang der Coriolis-Achse als Reaktion auf eine Rotation um die sensitive Achse, wodurch das unerwünschte Blindsignal minimiert wird. Einer der ersten und zweiten Körper umgibt vorzugsweise den anderen; der gezitterte erste Körper ist vorzugsweise innen und umgeben vom zweiten Körper, obgleich der erste Körper den zweiten Körper umgeben kann.
Ausführungsformen stellen auch eine mikrogefertigte Vorrichtung zur Verfügung, die einen ersten Körper mit Fingern aufweist, die mit fixierten Antriebsfingern ineinander greifen, die den ersten Körper dazu veranlassen, entlang einer Zitterachse zu zittern. Mindestens ein leitendes Element ist unter einigen, jedoch nicht allen, fixierten Zitterantriebsfingern gebildet und ist elektrisch gekoppelt mit den Antriebsfingern, um den ersten Körper in der gewünschten vertikalen Ebene zu halten und den ersten Körper daran zu hindern aufgrund von Randeffekten frei zu schweben.
Ausführungsformen stellen auch eine mikrogefertigte Vorrichtung zur Verfügung, die einen bewegbaren Körper aufweist, der über einem Substrat aufgehängt ist, und mindestens ein Stoppelement nahe dem bewegbaren Körper aufweist. Das Stoppelement umfasst einen Hakenbereich, der sich über dem bewegbaren Körper derart erstreckt, dass das Stoppelement sowohl eine laterale Bewegung als auch eine vertikale Bewegung durch den Körper begrenzt.
Ausführungsformen stellen auch eine mikrogefertigte Vorrichtung zur Verfügung, die einen aufgehängten bewegbaren Körper mit einem äußeren Umfassungsbereich und mindestens einem Querstück aufweist, das eine Anzahl von Öffnungen definiert, die durch den Umfassungsbereich umgeben sind. Der Körper weist Finger auf, die sich in die Öffnungen erstrecken. Diese Finger können entweder dazu verwendet werden, den Körper zu zittern oder eine Bewegung des Körpers abzufragen.
Ausführungsformen liefern auch eine mikrogefertigte Vorrichtung, bei der ein innerer Körper durch einen äußeren Körper umgeben ist, wobei der äußere und innere Körper durch Biegeeinrichtungen daran gehindert sind, sich zusammen entlang einer Achse zu bewegen, wobei die Biegeeinrichtungen die entlang dieser einen Achse orientiert sind. Diese Biegeeinrichtungen sind zwischen dem Körper und einem länglichen stationären Element angeschlossen, das an einem Mittelpunkt verankert ist und die Biegeeinrichtungen aufweist, die sich von jedem Ende zum Körper erstrecken. Das längliche Element befindet sich vorzugsweise zwischen dem inneren und äußeren Körper.
Ausführungsformen stellen auch eine erste mikrogefertigte Struktur zur Verfügung, die nahe einer zweiten mikrogefertigten Struktur positioniert ist, wobei die erste mikrogefertigte Struktur relativ zur zweiten mikrogefertigten Struktur gezittert wird. Diese erste und zweite Struktur sind mit Verbindungsstrukturen verbunden, die entworfen sind, um eine Beanspruchung zu minimieren und entgegengesetzte Enden der Struktur dazu anzuregen, sich gemeinsam in der Zitterrichtung hin zu und weg von der zweiten Struktur zu bewegen. Obwohl es viele Variationen der Verbindungsstrukturen gibt, die verwendet werden können, umfassen diese hier Strukturen, die längliche Elemente aufweisen, die sich von Enden der ersten Struktur erstrecken und sich zum Zentrum der Struktur senkrecht zur Zitterrichtung erstrecken. Diese länglichen Elemente sind durch einen kurzen Verbindungsbalken verbunden, der die länglichen Elemente dazu anregt, sich gemeinsam zur gleichen Zeit in die gleiche Richtung zu bewegen, anstatt sich in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen. Diese länglichen Elemente sind an die erste Struktur mit senkrechten Elementen angeschlossen, die einen Gelenkpunkt definieren.
Öffnungen können aus der zweiten Struktur heraus geschnitten sein, um die kombinierte Masse der ersten und zweiten Struktur zu verringern, während die Steifigkeit in der Struktur noch beibehalten ist.
Zusätzlich zu den Kopplungsstrukturen zwischen der ersten und zweiten Struktur, ist die zweite Struktur auch am Substrat durch Platten verankert, die verglichen mit der Breite der zweiten Struktur verhältnismäßig breit sind. Diese Platten sind durch senkrechte Elemente verbunden, die einen Gelenkpunkt definieren.
Ein Kreisel entsprechend der vorliegenden Erfindung minimiert das Blindsignal, und ist folglich verglichen mit früheren Kreiselausführungen sehr genau. Die Genauigkeit aufgrund der Struktur des Kreisels umgeht die Notwendigkeit an komplizierter Elektronik und lässt es auch zu, dass die Vorrichtung unter Umgebungsbedingungen verpackt wird. Die Stoppelemente, die leitenden Elemente auf dem Substrat, die Verwendung mehrfacher Öffnungen mit sich nach innen erstreckenden Fingern und die Verwendung eines zentral verankerten stationären Elements zum Tragen von Biegeeinrichtungen entlang einer Achse, entlang der eine Bewegung verhindert ist, dies alles verbessert im allgemeinen die Leistung und Zuverlässigkeit einer mikrogefertigten Vorrichtung und insbesondere eines Kreisels. Weitere Eigenschaften und Vorteile werden durch die folgende ausführliche Beschreibung, durch die Zeichnungen und durch die Ansprüche offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Draufsicht eines mikrogefertigten Kreisels, der im Prinzip ähnlich zu bekannten Kreiseln ist.
2 ist eine Draufsicht eines mikrogefertigten Kreisels entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht eines Kreisels entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine ausführlichere Draufsicht eines Bereichs eines Kreisels entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5–7 sind Schnittzeichnungen der Bereiche des Kreisels von 4, die bestimmte Eigenschaften im Kreisel veranschaulichen.
8 ist teilweise eine bildliche Darstellung und teilweise ein Blockdiagramm eines Stromkreises zur Verwendung mit einem Kreisel vom in 2 und 4 dargestellten Typ.
9 ist eine Schnittzeichnung eines Rahmens, die eine gewünschte Platzierung der Verankerungen veranschaulicht.
10 ist eine Draufsicht, die einen Kreisel entsprechend einer 4. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist eine Draufsicht, die einen Kreisel mit fixierten Fingern veranschaulicht, die dazu dienen, eine Elektrode auf jeder Seite von zwei mit Abstand versehenen Reihen von kapazitiven Zellen zu bilden.
12 ist eine Draufsicht eines Teils eines Kreisels, die eine Verbindung von einem inneren Rahmen zu einem äußeren Rahmen entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine weitere Draufsicht des Kreisels von 12, welche die Kräfte am Kreisel während des Zitterns veranschaulicht.
14 und 15 sind Draufsichten, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Ausführliche Beschreibung
1 veranschaulicht einen vereinfachten Kreisel mit mikrogefertigter Oberfläche 10, der strukturell und operativ ähnlich zu bekannten Kreiseln ist. Der Kreisel 10 hat einen im Wesentlichen ebenen Körper 12, der über und parallel zu einem darunterliegenden Substrat 14 aufgehängt ist. Der Körper 12 ist von vier Biegeeinrichtungen 16 gestützt, von denen jede sich von einer entsprechenden Stützenverankerung 18 zu einer anderen Ecke des Körpers 12 erstreckt. Die Finger 22 erstrecken sich vom Körper 12 und greifen mit fixierten Antriebsfingern 24 ineinander, die mit einer Wechselspannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden sind, um den Körper bei seiner Resonanzfrequenz entlang einer Zitterachse 26 zu zittern. Wenn der Körper 12 um eine sensitive Achse 36 rotiert, bewegt sich der Körper 12 entlang einer Coriolis-Achse 28, die zur sensitiven Achse 36 und zur Zitterachse 26 orthogonal ist. Diese Bewegung wird mit einem Differential-Kondensator abgefragt, der Finger 30 enthält, die sich weg vom Körper 12 entlang Achsen erstrecken, die zur Zitterachse 26 parallel sind, und zwei Sätze von sich nach innen erstreckenden Abtastfingern 32 und 33 umfasst. Der Differential-Kondensator ist aus vielen einzelnen Zellen gebildet, wobei jede Zelle zwei fixierte Finger 32, 33 und einen Finger 30 aufweist, der als bewegbarer Finger dient und mit den fixierten Fingern 32, 33 ineinandergreift.
Wie im Allgemeinen bekannt ist, ist die Zittergeschwindigkeit x' = wXcos(wt), wenn die Zitterbewegung x = Xsin(wt) ist, worin w die Kreisfrequenz ist und direkt proportional zur Resonanzfrequenz des Körpers durch einen Faktor 2π ist. In Reaktion auf eine Winkelgeschwindigkeit der Bewegung R um die sensitive Achse 6, wird eine Coriolis-Beschleunigung y'' = 2Rx' entlang der Coriolis-Achse 28 induziert. Das Signal der Beschleunigung hat folglich die gleiche Kreisfrequenz w wie die Zittergeschwindigkeit x'. Durch Abfragen der Beschleunigung entlang der Coriolis-Achse 28 kann daher die Rotationsgeschwindigkeit R bestimmt werden.
Aufgrund mechanischer Fehlstellen, wenn beispielsweise eine Biegeeinrichtung wegen Überätzen nachgiebiger ist als die anderen, kann das Zentrum der Aufhängung des Körpers möglicherweise nicht mit seinem Masseschwerpunkt zusammenfallen und folglich kann die Masse während der Zitterbewegung wobbeln.
Solch ein Wobbeln bewirkt, dass eine Komponente der Zitterbewegung entlang der sensitiven Achse erscheint. Diese Komponente erzeugt das interferierende Blindsignal. Dieses Signal kann sehr groß sein verglichen mit dem gewünschten Rotationssignal, das gemessen wird; beispielsweise kann es 10% der Zitterbewegung betragen, wobei es ein Signal verursacht, das 10.000 mal größer ist als das Coriolis-Signal. Die Notwendigkeit, dieses Blindsignal zu beseitigen stellt eine große Bürde für die Signalverarbeitungselektronik dar.
2 ist eine Draufsicht eines Kreisels mit mikrogefertigter Oberfläche 50, die eine vereinfachte erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Kreisel 50 hat einen aufgehängten Körper mit einem inneren Rahmen 52 und einem den inneren Rahmen 52 umgebenden äußeren Rahmen 54. Die Rahmen 52, 54 sind koplanar und sind über und parallel zu einem darunterliegenden Substrat 55 aufgehängt. Der äußere Rahmen 54 ist mit Biegeeinrichtungen 56 aufgehängt, die sich entlang Achsen parallel zu einer Zitterachse 58 erstrecken und am Substrat 55 mit Verankerungen 53 befestigt sind. Diese Orientierung der Biegeeinrichtungen 56 erlaubt es dem äußeren Rahmen 54, sich entlang einer Coriolis-Achse 60 zu bewegen, hindert aber den äußere Rahmen 54 im Wesentlichen daran, sich entlang der Zitterachse 58 zu bewegen.
Der innere Rahmen 52 ist verbunden mit dem und aufgehängt am äußeren Rahmen 54 mit Biegeeinrichtungen 62, die sich entlang Achsen erstrecken, die zur Coriolis-Achse 60 parallel sind. Die Orientierung der Biegeeinrichtungen 62 erlaubt es dem inneren Rahmen 52 sich entlang der Zitterachse 58 relativ zum äußeren Rahmen 54 zu bewegen, hemmt im Wesentlichen eine Relativbewegung der Rahmen entlang der Coriolis-Achse 60, erlaubt jedoch dem inneren Rahmen 52 und dem äußeren Rahmen 54, sich gemeinsam entlang der Coriolis-Achse 60 zu bewegen. Dementsprechend wird sowohl für den inneren Rahmen 52 als auch für den äußeren Rahmen 54 durch Orientieren der Achsen der Biegeeinrichtungen entlang der gehemmten Achse Kontrolle über zugelassene und verhinderte Bewegungsrichtungen erzielt.
Diese zugelassenen und verhinderten Bewegungen zusammenfassend; kann der innere Rahmen 52:

(a) sich unabhängig von der Bewegung des äußeren Rahmens 54 relativ zum äußeren Rahmen 54 entlang der Zitterachse bewegen; und
(b) sich nicht entlang der Coriolis-Achse relativ zum äußeren Rahmen 54 bewegen, kann sich jedoch mit dem äußeren Rahmen 54 entlang der Coriolis-Achse bewegen; während der äußere Rahmen 54:
(a) sich nicht entlang die Zitterachse bewegen kann; und
(b) sich entlang der Coriolis-Achse bewegen kann, jedoch nur indem er den inneren Rahmen 52 mitbewegt.

Die Verankerungen 53 für die Biegeeinrichtungen 56 befinden sich vorzugsweise im Raum zwischen dem inneren Rahmen 52 und dem äußeren Rahmen 54. Auf 9 bezugnehmend ist diese Struktur nützlich, weil eine aufgehängte Struktur, wie der äußere Rahmen 54, dazu neigen kann, eine gebogene Form mit einem hohen Punkt in der Mitte und tiefen Punkten an den Enden anzunehmen. Es ist wünschenswert für die Verankerungen sich in der vertikalen Position des Schwerpunkts 57 zu befinden, so dass die Extrema der Biegung die Finger nicht auseinanderbringen, und so dass irgendein Wobbeln, das durch eine vertikale Verlagerung des Schwerpunkts relativ zum Zentrum der Aufhängung induziert wird, minimiert ist.
Wieder auf 2 verweisend, ist der innere Rahmen 52 im Allgemeinen als rechteckiger Ring mit einer zentralen rechteckigen Öffnung 64 geformt. Die Antriebsfinger 66 und Abtastfinger 67 erstrecken sich vom inneren Rahmen 52 nach innen in die Öffnung 64 entlang paralleler Achsen, die parallel zur Zitterachse 58 sind. Ein Positionieren der Antriebsfinger 66 in der Öffnung, wie gezeigt, hilft dabei, die äußere Umfassung und die Fläche des inneren Rahmens 52 zu maximieren, sodass eine größere Anzahl von Antriebsfingern zugelassen ist, wodurch sich die Reaktion auf ein Zittersignal verbessert. Antriebsfinger 66 greifen ineinander mit fixierten Ziffer-Antriebsfingern 68, während Abtastfinger 67 mit fixierten Abtastfingern 69 ineinander greifen. Fixierte Finger 68 und 69 sind verankert am und relativ zum darunter liegenden Substrat 55 fixiert, während die Finger 66 und 67 sich mit dem inneren Rahmen 52 bewegen und folglich relativ zum Substrat 55 bewegbar sind.
Ein Antriebssignal wird von einem Zitterantriebsmechanismus (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt, der eine Wechselspannungsquelle umfasst, die mit den fixierten Ziffer-Antriebsfingern 68 verbunden ist, um zu bewirken, dass der innere Rahmen 52 relativ zum äußeren Rahmen 54 entlang der Zitterachse 58 gezittert wird mit einer Geschwindigkeit von x' = wXcos(wt), wie oben erwähnt worden ist; vorzugsweise wird das Zittern durch eine Rechteckwelle verursacht. Die Zitterbewegung wird als Kapazitätsänderung zwischen den bewegbaren Abtastfingern 67 und den fixierten Abtastfingern 69 abgefragt. Diese abgefragte Bewegung wird verstärkt und zum Zitter-Antriebsmechanismus zurückgeführt, um die Zitterbewegung bei der Resonanzfrequenz des inneren Rahmens zu halten.
Wenn es keine Rotationsgeschwindigkeit R um die sensitive Achse 64 gibt, bewegt sich der äußere Rahmen 54 relativ zum Substrat 55 nicht. Wenn es eine Rotationsgeschwindigkeit R gibt, neigt der innerer Rahmen 52 dazu, sich entlang der Coriolis-Achse 60 mit einer Beschleunigung y'' = 2Rx' zu bewegen, was 2(R/w)x''(cos(wt)/sin(wt)) entspricht, da x'' = w²xsin(wt). Biegeeinrichtungen 56 erlauben dem inneren Rahmen 52, sich mit dem äußeren Rahmen 54 entlang der Coriolis-Achse zu bewegen. Zu beachten ist, dass das Verhältnis von y'' zu x'' 2R/w ist, welches tatsächlich durch m/M modifiziert wird, wobei m die Masse des inneren Rahmens ist, und M die Gesamtmasse beider Rahmen ist. Angenommen m/M = 1/2, R = 1 rad/sec und w = 2πx10⁴ rad/sec, dann ist das Verhältnis der Größen von y'' zu x'' ist ungefähr 16ppm.
Um die Bewegung entlang der Coriolis-Achse 60 abzutasten, hat der äußere Rahmen 54 Finger 70, die sich entlang Achsen erstrecken, die zur Zitterachse parallel sind und mit fixierten Fingern 72, 74 auf einer von beiden Seiten der Finger 70 ineinander greifen (Finger 72, 74 werden nur auf einer Seite gezeigt). Finger 72, 74 sind mit Verankerungen 73 mit dem Substrat 55 verankert. Die Finger 72 sind elektrisch mit eine ersten fixierten Gleichspannungsquelle mit einer Spannung V₁ verbunden, und die Finger 74 sind mit einer zweite fixierten Gleichspannungsquelle mit einer Spannung V₂ verbunden. Wenn die Finger 70 des äußeren Rahmens 54 sich in Richtung der Finger 72 oder in Richtung der Finger 74 bewegen, ändert sich die Spannung am äußeren Rahmen 54. Durch Abfragen der Spannung am äußeren Rahmen 54 kann folglich die Größe und die Richtung der Bewegung bestimmt werden.
Wenn es gewünscht ist, kann ein Trägersignal mit einer Frequenz, die viel größer ist als die Zitterfrequenz, auf die fixierten Finger 72, 74 angewendet werden, und die resultierende Ausgabe wird dann verstärkt und demoduliert. Solche Abfragetechniken sind auf dem Gebiet der linearen Beschleunigungsmesser bekannt. Ein Trägersignal ist bei der Struktur der vorliegenden Erfindung jedoch nicht notwendig, weil diese Struktur im Wesentlichen das störende Blindsignal beseitigt, und folglich ist die zusätzliche Komplexität im Schaltkreis nicht wünschenswert, wenn sie sich vermeiden lässt.
Auf 3 Bezug nehmend, umfasst in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein großer Kreisel 150 vier im Wesentlichen identische Kreisel 152a–152d, die in einer rechteckigförmigen Konfiguration angeordnet sind und die hier in einer vereinfachten Form dargestellt sind. Kreisel 152a–152d haben jeweilige innere Rahmen 154a–154d, äußere Rahmen 156a–156d, Zitter-Antriebsstrukturen 158a–158d und 159a–159d an gegenüberliegenden Seiten der inneren Rahmen, Zitterabtaststrukturen 160a–160d und 161a–161d, und fixierte Finger 162a–162d und 164a–164d zum Abtasten einer Bewegung entlang den Coriolis-Achsen. Diese Kreisel sind, wie gezeigt, in einer "Kreuz-Quadrat"-Art verbunden. Bei dieser Zusammenschaltung sind die fixierten Finger 162a und 162c elektrisch verbunden und beide mit den fixierten Fingern 164b und 164d; die fixierten Finger 162b und 162d sind elektrisch zusammengekoppelt und beide sind mit den fixierten Fingern 164a und 164c verbunden; die Zitterantriebsstrukturen 158a, 158c, 159b und 159d sind elektrisch miteinander verbunden; die Ziffer-Antreibsstrukturen 158b, 158d, 159a und 159c sind elektisch miteinander verbunden; die Zitterabtaststrukturen 160a, 160c, 161b und 161d sind elektrisch miteinander verbunden; und die Zitterabtaststrukturen 160b, 160d, 161a und 161c sind elektrisch miteinander verbunden.
Solch eine Kreuz-Quadrat-Verbindung eliminiert Fehler aufgrund der Herstellung und aufgrund von Temperaturgradienten und beseitigt auch Empfindlichkeiten gegenüber externer linearer Beschleunigung. Solch eine Verbindung wird auch in der Patentveröffentlichung Nr. WO 96/39615 beschrieben, die ausdrücklich durch Referenz in jeder Hinsicht miteinbezogen ist.
4 ist eine detaillierte Ansicht von etwas mehr als der Hälfte eines Kreisels 80; die andere Hälfte des Kreisels 80 ist im Wesentlichen genauso wie die Hälfte, die gezeigt ist. Wie in der Ausführungsform von 2 hat jeder Kreisel einen inneren Rahmen 82 und einen äußeren Rahmen 88. Biegeeinrichtungen 90 erstrecken sich entlang Achsen parallel zu einer Coriolis-Achse 86 vom inneren Rahmen 82 zum äußeren Rahmen 88. Mit diesen Biegeeinrichtungen kann der innere Rahmen 82 sich entlang einer Zitterachse 84 relativ zu einem äußeren Rahmen 88 bewegen, wird jedoch im Wesentlichen an einer Bewegung entlang der Coriolis-Achse 86 relativ zum äußeren Rahmen 88 gehemmt. Der äußere Rahmen 88 ist gemeinsam mit dem innerem Rahmen 82 entlang der Coriolis-Achse 86 bewegbar.
Die Strukturen haben eine Anzahl von größeren Öffnungen 146 im inneren und äußeren Rahmen, die aus dem Entfernen von Sockeln resultieren, die als Teil des Herstellungsverfahrens aus Fotolack gebildet und später weggeätzt werden.
Kleinere Löcher 148 sind in den Strukturen gebildet, so dass ein Lösungsmittel eingeführt werden kann, um eine anodisch schützende Oxidschicht auszuätzen. Solche Verfahrenstechniken für Beschleunigungsmesser mit mikrogefertigter Oberfläche sind allgemein bekannt und sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5,326,726 beschrieben, das ausdrücklich durch Referenz in jeder Hinsicht miteinbezogen ist.
Der innere Rahmen 82 ist annähernd als ein rechteckiger Ring mit zwei verhältnismäßig langen Seiten 92 geformt (von denen eine dargestellt ist) und mit zwei verhältnismäßig kurzen Seiten 94. Zwei längliche Querstücke 96 (von denen eins dargestellt ist), die sich entlang der inneren Öffnung, die vom Rahmen 82 umgeben ist, erstrecken, sind mit dem äußeren Ring des inneren Rahmens 82 integral geformt und erstrecken sich parallel zu verhältnismäßig langen Seiten 92 von einer verhältnismäßig kurzen Seite zur anderen. Der innere Rahmen 82 hat folglich drei längliche Öffnungen 98 (von denen eine und eine halbe gezeigt sind), anstatt der einen, die in der Ausführungsform von 2 dargestellt ist. Mit diesen mehrfachen Öffnungen kann es zusätzliche Reihen (sechs in diesem Fall) von bewegbaren Zitterfingern und fixierten Zitterfingern anstelle von zweien geben, wodurch das Ansprechverhalten und die Konsistenz erhöht sind.
Antriebsfinger 100 und die Abtastfinger 102 erstrecken sich sowohl von den langen Seiten 92 als auch von den länglichen Querstücken 96 in die Öffnungen 98, wobei sie sich parallel und entlang Achsen erstrecken, die parallel zur Zitterachse 84 sind. Antriebsfinger 100 und Abtastfinger 102 greifen jeweils ineinander mit fixierten Antriebsfingern 104 und mit fixierten Zitterabtastfingern 106. Fixierte Antriebsfinger 104 werden mit einem Wechselstromsignal angetrieben, um die Antriebsfinger 100 und folglich den inneren Rahmen 82 zu veranlassen, sich entlang der Zitterachse 84 zu bewegen. Wenn das Wechselstromsignal sinusförmig ist, bewegt sich der innere Rahmen mit einer Verlagerung von x = Xsin(wt) und folglich mit einer Geschwindigkeit von x' = wXcos(wt), wobei die Kreisfrequenz w = 2πf_res ist (Resonanzfrequenz f_res kann für unterschiedliche Arten von Strukturen unterschiedlich sein, ist aber gewöhnlich im Bereich von 10–25 kHz).
Fixierte Zitterabtastfinger 106 greifen mit Fingern 102 ineinander und die Änderung in der Kapazität zwischen diesen Fingern wird abgefragt, um die Zitterbewegung zu überwachen und dem Zitterantrieb ein Rückkoppelsignal zur Verfügung zu stellen, um die Zitterbewegung bei der gewünschten Kreisfrequenz w zu halten. Die fixierten Abtastfinger 106 sind am Substrat 98 mit Verankerungen 130 befestigt und sind elektrisch mit Leiterbahnen 132 verbunden, die auf Substrat 98 gebildet sind. Die fixierten Zitter-Antriebsfinger 104 sind am Substrat 98 mit Verankerungen 134 befestigt und sind elektrisch mit Leiterbahnen 136 weg vom Kreisel verbunden.
Entlang der verhältnismäßig kurzen Seiten 92 zwischen dem inneren Rahmen 82 und dem äußeren Rahmen 88 sind zwei stationäre Elemente 110 am Substrat 98 verankert und relativ zu ihm fixiert. Biegeeinrichtungen 114 erstrecken sich vom äußeren Rahmen 88 zum stationären Elemente 110 entlang Achsen, die zur Zitterachse 84 parallel sind und folglich im Wesentlichen den äußeren Rahmen 88 daran hindern, sich entlang der Zitterachse 84 zu bewegen. Die stationären Elemente 110 sind am Substrat 98 mit Verankerungen 109 befestigt, die sich am Mittelpunkt der stationären Elemente 110 befinden. Diese Lage minimiert Spannungen, da jedes Schrumpfen, das in den stationären Elementen 110 und den Biegeeinrichtungen 114 während der Herstellung auftritt, dem im äußeren Rahmen 88 ähnelt. Folglich gibt es in den Biegeeinrichtungen 114 keine Restbeanspruchung in der Zitterrichtung.
Die stationären Elemente 110 sind sehr nützlich, da sie für die Biegeeinrichtungen 114 die korrekte Länge zur Verfügung stellen, Befestigungspunkte für die Biegeeinrichtungen 114 zur Verfügung stellen, die weit entfernt von eine Mittellinie der Vorrichtung sind, wodurch der äußere Rahmen 86 gegen Kippen stabilisiert wird, und Freiheit von Schrumpfungen entlang der Längsrichtung der Biegeeinrichtungen 114 zur Verfügung stellen.
Eine große Anzahl von Fingern 111 erstreckt sich nach außen weg vom äußeren Rahmen 88 entlang Achsen, die zur Zitterachse 84 parallel sind, wobei jeder Finger zwischen zwei fixierten Abtastfingern 112, 113 angeordnet ist, um eine kapazitive Zelle zu bilden. Die große Anzahl an Zellen bilden zusammen einen Differential-Kondensator. Fixierte Abtastfinger 112, 113 sind an ihren Enden verankert und sind elektrisch mit anderen entsprechenden Fingern 112, 113 und mit einer anderen als der, im Zusammenhang mit 2 erwähnten, Gleichspannung verbunden.
Diese Anordnung von Abtastfingern an einem aufgehängten Rahmen bildet im Wesentlichen einen sensitiven Beschleunigungsmesser von der Art, wie er in der miteinbezogenen Patentoffenlegungsschrift offenbart ist, wobei es seine Funktion ist, die Coriolis-Beschleunigung abzufragen. Der Beschleunigungsmesser ist auch sensitiv für außen angewandte Beschleunigungen, aber zwei der Kreisel in der Kreuz-Quadrat-Anordnung sind, verglichen mit den beiden anderen, im entgegen gesetzten Sinn sensitiv, wodurch solch ein äußerer Einfluss aufgehoben wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform liegen am inneren Rahmen 82 und am äußeren Rahmen 88 jeweils 12 Volt DC an, während an allen fixierten Finger 112, 113 0 Volt DC anliegen. Wenn der äußere Körper 88 und seine Finger 111 sich bewegen, wird eine Spannungsänderung an den Fingern 112, 113 induziert. Ein Hochfrequenzträgersignal kann den fixierten Abtasifingern zur Verfügung gestellt werden, jedoch ist der Träger bei der Genauigkeit des Kreisels entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, und folglich sind die erforderlichen Schaltkreise durch Vermeiden der Notwendigkeit für einen Hochfrequenz-Demodulator minimiert.
Wenn es eine Rotation um eine sensitive Achse 130 (die sowohl zur Zitterachse 84 als auch zur Coriolis-Achse 86 orthogonal ist) gibt, bewegen sich der äußere Rahmen 86 und der innere Rahmen 82 zusammen entlang der Coriolis-Achse 86 in Reaktion auf die Rotation. Wenn es keine solche Rotation um die sensitive Achse 130 gibt, bewirkt die Zitterbewegung des inneren Rahmens 82 im Wesentlichen keine Bewegung des äußeren Rahmens 88 entlang der Coriolis-Achse 86.
Das Entkoppeln der Bewegung entlang der Zitterachse und der sensitiven Achse hat bedeutende vorteilhafte Effekte. Unausgewogenheiten der Biegeeinrichtungen erzeugen eine sehr geringe Zitterbewegung entlang der sensitiven Achse. In diesem Fall kann das störende Blindsignal auf so wenig wie 0,5 Teile pro Million (PPM) oder 0,00005% verringert werden; dieses kleine Blindsignal resultiert aus den gleichen Arten von mechanischen Unausgewogenheiten, die andererseits ein 10%iges Störungssignal in einem Kreisel vom Typ, wie er allgemein in 1 dargestellt ist.
Außerdem ist die durch Rotation induzierte Beschleunigung, für deren Abfragung der Kreisel ausgelegt ist, sehr wenig gehemmt. Aufgrund dieser Genauigkeit müssen die Schaltkreise nicht besonders kompliziert sein.
Ein weiterer Nutzen dieser Struktur zeigt sich beim Verpacken. Die Zunahme des Signals von der großen Anzahl von Fingern aufgrund der Öffnungen und von den vier Kreiseln in der Kreuz-Quadrat-Anordnung, macht es unnötig das Signal durch Verringerung der Luftdämpfung zu erhöhen und ermöglicht folglich eine Verpackung unter Umgebungsbedingungen anstelle einer teureren Verpackung unter Vakuum.
Zusätzlich unter Bezugnahme auf 5 und 6, wird ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Entlang eines großen Teils der Reihe von fixierten Antriebsfingern 104 befinden sich leitende Elemente 126 mit einer Spannung V, vorzugsweise mit der gleichen Gleichspannung, wie die am inneren Rahmen 82 und am äußeren Rahmen 88 (d.h., 12 Volt). Inzwischen werden die Antriebsfinger vorzugsweise mit einer Rechteckwelle mit einer Amplitude von 12 Volt angetrieben. An einigen anderen Positionen entlang der Reihe von fixierten Zitter-Antriebsfingern 104 sind leitende Elemente 120 auf dem Substrat 98 unter Gruppen von Fingern gebildet und sind elektrisch mit den Antriebsfingern 104 verbunden. Wie in 4 dargestellt, haben die leitenden Elemente 120 eine Länge, die gleich ist zur Länge der Finger 104, und eine Breite, die sich über fünf Finger 104 erstreckt, während die leitenden Elemente 126 sich über den inneren Rahmen mit einer Breite erstrecken, die sich entlang vierzehn Fingern 104 erstreckt.
Bezugnehmend auf 5, wo bewegbare Antriebsfinger 100 und fixierte Antriebsfinger 104 über leitenden Elementen 126 gebildet sind, wirkt eine netto Aufwärtskraft auf die bewegbaren Antriebsfinger 100 aufgrund von Randeffekten von angrenzenden Fingern 104, und folglich haben die Finger 100 eine Tendenz frei zu schweben. Leitende Elemente 126 werden bei 12 Volt verwendet und dort beibehalten, um einen statischen Zusammenbruch zu verhindern und die Streukapazität eindeutig zu definieren.
Wie in 6 dargestellt, verursacht eine Anziehung durch die bewegbaren Antriebsfinger 100 in Richtung des Substrats 98 dort, wo leitende Elemente 120 unter Antriebsfingern 100 und fixierten Zitterfingern 104 gebildet sind, allerdings eine netto Abwärtskraft, die der in 5 gezeigten netto Aufwärtskraft entgegenwirken sollte. Die Abwärtskraft aufgrund der leitenden Elemente 120 ist pro Finger 100 größer als die in 5 dargestellte netto Aufwärtskraft pro Finger 100, weil die leitenden Elemente 120 nur unter wenigen Fingern gebildet sind. Durch Positionieren leitender Anti-Schwebe-Elemente 120 in regelmäßigen Abständen entlang der Länge, wird ein Schweben verhindert.
Bezugnehmend auf 4 und 7 wird ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Kreisel 80 in 4 hat vier Stoppelemente 140 (von denen zwei gezeigt sind) relativ zum Substrat 98 und zum inneren Rahmen 82 positioniert, um eine übermäßige Bewegung in jeder möglicher Richtung zu verhindern. Stoppelemente 140 wiesen einen ersten Bereich 144 auf, der im Wesentlichen koplanar zum inneren Rahmen 82 ist, und einen Hakenbereich 146, der sich über den Rahmen 82 erstreckt. Stoppelement 140 ist mit einer Verankerungen 142 mit dem Substrat 98 verbunden. Der Rahmen 82 ist im Wesentlichen an einer Bewegung in das Stoppelement in der Ebene des Rahmens 82 aufgrund des koplanaren Bereichs 144 gehindert und ist ebenfalls an einer Bewegung zu weit nach oben aufgrund des Hakenbereichs 146 gehindert.
Wie im miteinbezogenen US-Patent Nr. 5,326,726 beschrieben, ist eine Schicht aus Polysilikon über einem anodisch schützenden Oxid gebildet, um einen aufgehängten inneren Rahmen 82 zu erzeugen. Wenn das Oxid entfernt (geätzt) wird, wird eine aufgehängte Polysilikonstruktur zurückgelassen. Eine weitere Oxidschicht wird über dem inneren Rahmen 82 gebildet, um Stoppelemente 140 zu bilden und dann wird ein Material zur Formung von Stoppelementen 140 über dieses weitere Oxid an Positionen 147 geformt. Ausätzen dieses weiteren Oxids hinterlässt Stoppelemente 140. Das für die Stoppelemente 140 verwendete Material ist vorzugsweise ein Material, welches das Risiko minimiert, dass der inneren Rahmens 82 das Stoppelement 140 kontaktiert und daran haften bleibt (ein Problem, das mit "Haftreibung" bezeichnet wird). Das bevorzugte Material ist Titanwolfram (TiW), da dieses Material eine niedrige Haftreibung, Kompatibilität mit elektronischer Verarbeitung, gute Leitfähigkeit und eine hohe mechanische Festigkeit ausweist. Ein geeignet beschichtetes Silikon könnte auch verwendet werden.
Auf 8 bezugnehmend ist ein Schaltkreis zur Verwendung mit Kreiseln dargestellt, wie sie in 2 und in 4 gezeigt sind. In 8 umfasst ein Kreiselkörper 200 einen ersten Körper und einen zweiten Körper, die miteinander verbunden sind, um die Zitterbewegung von der Coriolis-Bewegung zu entkoppeln. Der Körper 200 wird bei einer relativ. zu den Abtastplatten 204 erhöhten Spannung gehalten und wird mit einem Signal von den Zitter-Antriebsplatten 202 angetrieben, um eine Zitterbewegung zu erzeugen, die durch die Zitterabgefrageplatten 204 erfasst wird.
Die Bewegung entlang einer Coriolis-Achse wird durch Coriolisplatten 206 abgefragt. Dieser Schaltkreis würde dadurch als ziemlich einfach angesehen, dass er eine vereinfachte Phasenspezifikation ausweist und durch das Design des Körpers ermöglicht wird, welches das Blindsignal im Wesentlichen beseitigt.
Kapazitive Abfragenplatten 204 sind mit den Eingängen eines Verstärkers 210 gekoppelt, der zwei Ausgänge 211 vorsieht, von denen jeder mit Eingängen des Verstärkers 210 durch ein Rückkoppelimpedanznetz Z1, Z2 gekoppelt ist, das hauptsächlich widerstandsbasiert ist. Die Ausgabe des Verstärkers 210 wird einem zweiten Verstärker 212 zur Verfügung gestellt, der zwei Ausgaben entlang zweier Wege liefert. Die ersten Wege 214, 216 liefern das Rückkopplungssignal an die Zitterantriebsplatten 202, um dabei zu helfen, den Körper 200 bei der Resonanzfrequenz am Zittern zu halten. Die anderen zwei Wege 218, 220 vom Verstärker 212 werden einem zweipoligen, analogen Schalter mit zwei Schalterstellungen 222 zur Verfügung gestellt, der als synchroner Gleichrichter dient. Der Schalter 222 erhält auch zwei Eingänge vom Ausgang eines Verstärkers 224, der Eingänge von den Coriolis-Abfrageplatten 206 erhält. Verstärker 224 hat Rückkoppelnetze Z3 und Z4, die hauptsächlich kapazitiv sind. Die Signale vom Verstärker 212 wechseln die Polarität der Coriolis-Signale vom Verstärker 224, wodurch die Coriolis-Signale phasen-demoduliert werden. Der Ausgang von Schalter 222 wird einem puffernden Tiefpassfilter 230 zur Verfügung gestellt.
10 veranschaulicht eine vereinfachte Draufsicht eines Kreisels 250 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kreisel 250 hat einen äußeren Rahmen 252 und einen inneren Rahmen 254. Ein Zitterantriebs mechanismus 256 kann positioniert werden, um eine Zitterbewegung auf den äußeren Rahmen 252 durch die Finger 260 anzuwenden, die sich vom äußeren Rahmen 252 parallel zu einer Zitterachse 262 erstrecken. Der innere Rahmen 254 ist mit dem äußeren Rahmen 252 durch Biegeeinrichtungen 270 gekoppelt, die parallel zu einer Coriolis-Achse 272 orientiert sind, die senkrecht zur Zitterachse 262 ist. Längliche stationäre Elemente 268 erstrecken sich entlang der Zitterachse 262 und sind zentral am darunterliegenden Substrat 264 durch Verankerungen 269 befestigt. Die Biegeeinrichtungen 266 erstrecken sich von jedem Ende jedes verankerten stationären Elements 268 in einer Richtung, die zur Zitterachse 262 parallel ist. Die Biegeeinrichtungen 266 hindern folglich den äußeren Rahmen 252 an einer Bewegung entlang der Zitterachse 262, während die Biegeeinrichtungen 270 es dem äußeren Rahmen 252 und dem inneren Rahmen 254 erlauben, sich zusammen entlang der Coriolis-Achse 272 zu bewegen. Wie oben erwähnt, kontrollieren die stationären Elemente 268 die Beanspruchung und die Schieflage und helfen dabei die Biegeeinrichtungen in ihrer passenden Länge zu halten.
In Reaktion auf die Rotation um eine sensitive Achse 276 (die zu den Achsen 262 und 272 orthogonal ist) bewegen sich der äußere Rahmen 252 und der innere Rahmen 254 entlang der Coriolis-Achse 272. Der äußere Rahmen hat Abtastfinger 278, die sich in eine Öffnung 280 hinein erstrecken, wobei jeder sich zwischen zwei fixierten Fingern 282 befindet, so dass die Finger 278 und die Finger 282 einen Differential-Kondensator mit einer Anzahl von einzelnen Zellen bilden. Die Spannung am inneren Rahmen 254 kann abgefragt werden, um die Bewegungsänderung festzustellen, die, wie oben erwähnt, die Rotationsgeschwindigkeit um die Achse 276 anzeigt. Wie im 3, können vier Kreisel vom in 10 dargestellten Typ in einer Kreuz-Quadrat-Art miteinander verbunden sein. Außerdem können andere oben besprochene Merkmale, wie die Stoppelemente, das Positionieren der Verankerungen und die leitenden Elemente auf dem Substrat mit dieser Ausführungsform von 10 zum Einsatz kommen.
Auf 11 bezugnehmend wird eine weitere Verbesserung veranschaulicht. In der Situation, in der eine Anzahl von bewegbaren Fingern zwischen zwei Sätzen von fixierten Finger ist, um eine kapazitive Zelle zu bilden, können einer oder beide der fixierten Finger derart angeordnet sein, dass sie sich über zwei Kreisel oder zwei Sätze von Fingern erstrecken, um den Raum zu verringern und die Verarbeitung zu reduzieren. Wie in der vereinfachten 11 gezeigt, sind bewegbare Massen 280 und 282 jeweils entlang der Richtung der Pfeilen 284 und 286 bewegbar. Jede dieser Massen hat zugehörige Finger 288 und 290, die sich mit den jeweiligen Massen bewegen. Die Finger 288 und 290 sind zwischen zwei stationären Fingern, wobei sie erste Finger 292 und zweite Finger 294 umfassen. Wie hier dargestellt, sind die fixierten Finger 292 als im Wesentlichen gerade Linien ausgebildet, um eine Elektrode des Differential-Kondensators mit dem bewegbaren Finger 288 zu bilden, und auch um eine Elektrode eines Differential-Kondensators mit einem bewegbaren Finger 290 zu bilden. Die fixierten Finger 292 sind mit einer geknickten („dog-leg") Konfiguration gebildet, so dass sie sich von einer Seite jedes bewegbaren Fingers 288 zur anderen Seite jedes bewegbaren Fingers 290 erstrecken (wobei auf die Seiten in Hinsicht auf die Richtung Bezug genommen ist, die durch die Pfeile 284 und 286 angezeigt ist). Mit dieser Anordnung müssen weniger unterschiedliche Finger hergestellt werden, und weniger Verbindungen müssen zu den stationären Fingern hergestellt werden. Elektrische Kontaktpunkte 296, 298 zu den entsprechenden Fingern 292 und 294 sind entlang einer Richtung senkrecht zur Richtung der Pfeile 284 und 286 versetzt, so dass Kontakte mit Leiterbahnen auf der Oberfläche des Substrats und den Verankerungen an den Kontaktpunkten zu den Leiterbahnen auf dem Substrat geradlinig hergestellt werden können.
Die in 11 gezeigte Anordnung kann verwendet werden, wenn es mehrere aneinander angrenzende Kreisel gibt, wie in der in 3 veranschaulichten Situation, und wenn in 4 die Verbindungen mit mehreren Kreiseln hergestellt würden. In der Tat sind in 4 die Verbindungen zu fixierten Fingern 112 und 113 auf solch eine versetzte Art und Weise angeordnet, jedoch gibt es keinen Kreisel, der in 4 an der Seite des Kreisels gezeigt ist. Die Anordnung der fixierten Finger, wie in 11 dargestellt, könnte in der Öffnungsregion des inneren Rahmens in 10 verwendet werden. Durch Anordnen der fixierten Finger auf diese Art und Weise, wird die Verarbeitung reduziert, da die Anzahl der zu bildenden Finger verringert ist und es kann auch Platz für zusätzliche Zellen geschaffen werden, wodurch das Signal, das empfangen wird, erhöht wird und die Genauigkeit verbessert ist.
Auf 12 bezugnehmend ist in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Teil eines Kreisels 300 gezeigt. Wie in 4 und 10 gezeigt hat der Kreisel 300 einen inneren Rahmen 302, einen äußeren Rahmen 304, verankerte stationäre Balken 306 zwischen dem inneren und dem äußeren Rahmen und Biegeeinrichtungen 308, um zu verhindern, dass sich der äußere Rahmen entlang eine Zitterachse 310 bewegt, die parallel zur länglichen Richtung der Biegeeinrichtungen 308 ist. Der Innere Rahmen 302 wird entlang der Zitterachse 310 relativ zum äußeren Rahmen 304 gezittert, der am Bewegen entlang der Zitterachse 310 gehindert ist.
In der Ausführungsform von 4 waren Biegeeinrichtungen 90 senkrecht zur Zitterachse orientiert, um ein Bewegen entlang der Zitterachse zuzulassen. Mit solch einer Struktur stehen diese Biegeeinrichtungen unter einer hohen Zugkraft und haben eine Tendenz sich auszudehnen. Wenn sie bedeutend genug sind, könnten solche Beanspruchungen anfangen, den Rahmen zu wölben, und/oder könnten die Resonanzfrequenz des Systems ändern.
Auf 12 bezugnehmend ist die Verbindung zwischen dem inneren Rahmen 302 und dem äußeren Rahmen 304 durch eine Verbindungsstruktur hergestellt, die Schwenkbalken 312 und 314 umfasst, die mit dem inneren Rahmen 302 durch Biegeeinrichtungen 316 und 318 verbunden sind und mit dem äußeren Rahmen 304 durch Biegeeinrichtungen 320 und 322. Die Schwenkbalken 312 und 314 sind miteinander mit einem kleinen Querstück 324 verbunden.
Auf 13 Bezug nehmend ist dort eine Nahbereichsaufnahme bzw. eine vereinfachte Ansicht der Verbindungsstruktur gezeigt. Wenn der innere Rahmen 302 entlang der Zitterachse 310 gezittert wird, bewegt sich der innere Rahmen 302 wie durch die Pfeile 330 angezeigt, wobei senkrechte Belastungen entlang der Biegeeinrichtungen 316 und 318 in der Richtung, die durch die Pfeile 332 angezeigt ist, verursacht werden. Weil Schwenkbalken 312 und 314 mit Biegeeinrichtungen 320 und 322 verbunden sind, von denen jeder entlang einer Richtung parallel zu den Pfeilen 332 orientiert ist, bilden die Überschneidung von Balken 312 und der Biegeeinrichtung 320 und die Überschneidung von Balken 314 und der Biegeeinrichtung 322 Gelenkpunkte 336 beziehungsweise 338, was verursacht, dass sich die Balken 312 und 314 entlang der durch die Pfeile 340 beziehungsweise 342 angezeigten Richtung bewegen. Diese Bewegung der Schwenkbalken verursacht eine kleine Bewegung durch das Querstück 324 entlang der durch Pfeil 344 angezeigten Richtung, die zur Zitterachse 310 parallel ist.
Diese Struktur fördert eine Bewegung der Balken 312 und 314 in einer zur Rotationsrichtung entgegengesetzten Richtung, während gleichzeitig einer Rotation in derselben Richtung entgegengewirkt wird; d.h. die Struktur erlaubt eine gegenphasige Bewegung und hemmt im Wesentlichen eine gleichphasige Bewegung. Wenn die Schwenkbalken versuchen sollten, sich in die gleiche Richtung gleichzeitig zu rotieren, müsste sich das Querstück verlängern und würde eine komplizierte Verdrehbewegung durchmachen. Infolgedessen hilft diese Struktur, eine solche Bewegung zu verhindern. Die Schwenkeinheit verhindert dadurch die unerwünschte Bewegung von Zitterrahmen 302 senkrecht zur bevorzugten Zitterachse, d.h. ein Erzeugen einer Bewegung, die mit den Coriolis-Signalen interferiert. Durch Vermindern der Dehnkräfte in den Biegeeinrichtung 316, 318 kann der Rahmen 302 sich entlang der Zitterachse 310 freier bewegen und ein größeres Signal produzieren. Die Verminderung dieser Dehnkräfte vermeidet auch Verformungen des Beschleunigungsmesserrahmens durch die Zitterbewegung, während andernfalls solche Verformungen störende Signale produzieren könnten, wenn sie nicht bemerkt werden.
In der Ausführungsform von 12 und 13 ist der äußere Rahmen 308 mit einem geradlinigen inneren Rand 350 dargestellt, welcher der Verbindungsstruktur und dem inneren Rahmen 302 gegenüberliegt. Als eine Alternative kann ein Bereich des äußeren Rahmens 308 relativ zum Rand 350 zur Verbindung mit Biegeeinrichtungen 320 und 322 ausgespart sein. Ungeachtet der Aussparung ist es für das Querstück 324 wünschenswert, auf einer Linie mit den Biegeeinrichtungen 320 und 322 zu liegen.
12 und 13 zeigen jeweils Biegeeinrichtungen 316 und 318, die sich zu einer Ecke der Balken 312 und 314 erstrecken, wobei sie mit den Balken 312 und 314 effektiv einen geradlinigen und kontinuierlichen Rand bilden. Um zwischen den Balken 312, 314 und dem inneren Rahmen 302 mehr Raum zu schaffen, wenn die Balken 312, 314 schwenken, kann es wünschenswert sein Bereiche der Ränder von den Balken 312 und 314 abzurasieren, die dem inneren Rahmen 302 gegenüberliegen, besonders an der Ecke, die vom jeweiligen Gelenkpunkt 336 und 338 am weitesten entfernt ist.
Wieder auf 12 verweisend gibt es einen Unterschied in der Anordnung der Öffnungen und Finger im Vergleich zur Ausführungsform von 4. Wie in 4 gezeigt, gibt es drei längliche Öffnungen mit Fingern, und jede der Öffnungen hat einige Antriebsfinger und einige Abnehmerfinger. Im Gegensatz dazu zeigt 12 eine Öffnung von fünf Öffnungen und diese Öffnung hat nur miteinander verbundene Antriebsfinger. In der Ausführungsform von 12 gibt es fünf Öffnungen, wobei deren mittlere Öffnung nur für Abnehmerfinger verwendet wird und nicht für Antriebsfinger, während die anderen vier Öffnungen nur Antriebsfinger und keine Abnehmerfinger aufweisen.
Ein weiterer Unterschied in Bezug auf die Ausführungsform von 4 ist, dass in der Ausführungsform von 12 die Verbindungsglieder, die an den Antriebs- und Abnehmer-Kämmen verwendet werden, aus Polysilikon auf der Oberfläche des Substrats geformt sind, anstelle von verstreuten n+ Verbindungsglieder. Mit dem Polysilikon auf der Oberfläche können die Finger genauer gebildet werden, was mehr Finger im gleichen Raum und folglich mehr Kraft pro Flächeneinheit zulässt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 14 und 15 veranschaulicht. Ein Kreisel 400 hat einen inneren Rahmen 402, der durch einen äußeren Rahmen 404 umgeben ist. Der innere Rahmen 402 wird entlang einer Zitterachse 410 durch Verwendung eines Zitterantriebsmechanismus 406 gezittert. Wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben wird der Zitterantriebsmechanismus 406 vorzugsweise mit Kämmen von Antriebsfinger gebildet, die mit Fingern auf dem inneren Rahmen 402 ineinander greifen und mit Spannungssignalen angetrieben werden, um sinusförmige Bewegungen zu produzieren. In der Ausführungsform von 14 hat der innere Rahmen 402 vier längliche und parallele Öffnungen, die die Antriebsfinger umfassen.
In den vier Ecken des inneren Rahmens 402 sind Öffnungen, die Zitter-Abnehmerfinger zum Abfragen der Zitterbewegung haben. Wie bei den obigen Ausführungsformen besprochen, wird diese abgefragte Zitterbewegung an den Zitterantriebsmechanismus zurückgeführt, der den inneren Rahmen 402 entlang der Zitterachse 410 antreibt.
In Reaktion auf eine Winkelgeschwindigkeit um eine zentrale sensitive Achse 412, wird der äußere Rahmen 404 veranlasst, sich entlang einer Coriolis-Achse 414 zu bewegen. Wie oben beschrieben, kann der innere Rahmen 402 relativ zum äußeren Rahmen 404 gezittert werden, während der innere Rahmen 402 mit dem äußerem Rahmen 404 verbunden ist, so dass der innere Rahmen 402 und der äußere Rahmen 404 sich zusammen entlang der Coriolis-Achse 414 bewegen. In dieser Ausführungsform sind die Kopplung zwischen dem inneren Rahmen 402 und dem äußeren Rahmen 404 und die Verankerung des äußeren Rahmens 404 mit dem Substrat entworfen, um die Leistung zu verbessern und das interferierende Blindsignal zu verringern, um einen sehr leistungsstarken Kreisel zu produzieren.
Die Verbindungen werden in 15 detaillierter dargestellt, die ein Viertel des Kreisels 400 zeigt. Die anderen drei Viertel des Kreisels sind im Wesentlichen identisch zum gezeigten Teil. Ein Zitterbiegeeinrichtungsmechanismus 430 ist zwischen dem inneren Rahmen 402 und dem äußeren Rahmen 404 gekoppelt, um den inneren Rahmen 402 entlang einer Zitterachse 410 zu bewegen, aber den inneren Rahmen 402 daran zu hindern sich entlang der Coriolis-Achse 414 relativ zum äußeren Rahmen 404 zu bewegen, sondern vielmehr sich nur mit dem äußeren Rahmen 404 entlang der Coriolis-Achse 414 zu bewegen.
15 zeigt eine Hälfte eines Zitterbiegeeinrichtungsmechanismus 430, der einen Zitterhebelarm 432 aufweist, der mit dem äußeren Rahmen 404 durch eine Zitterhauptbiegeeinrichtung 434 verbunden ist; und mit dem inneren Rahmen 402 durch Schwenkbiegeeinrichtungen 436 und 438 verbunden ist. Identische Komponenten wären auf der anderen Seite der gestrichelten Linie 442, wobei sie durch einen kleinen zentralen Balken 440 mit dem Hebelarm 432 verbunden sind. Ähnlich zur Ausführungsform von 12 regt der zentrale Balken 440 den Hebelarm 432 und den entsprechende Hebelarm, der auf der anderen Seite des Balkens 440 angeschlossen ist, an, sich in der gleichen Richtung entlang der Zitterachse 410 zu bewegen. Am anderen Ende des Hebelarms 432, erstrecken sich Biegeeinrichtungen 436 und 438 unter einem rechten Winkel zueinander in Richtung des inneren Rahmens 402, um einen Gelenkpunkt nahe der Kontaktstelle der Biegeeinrichtungen 436 und 438 zu bilden.
Dieser Kopplungs- und Verbindungsmechanismus hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen hierin zitierten Strukturen. Weil die Länge des Hebelarms vom Gelenkpunkt zur kleinen zentralen Biegeeinrichtung im Verhältnis zur Gesamtlänge des inneren Rahmens lang ist, ist das Steifheitsverhältnis des Mechanismus für eine senkrechte Bewegung der Zittermasse und für eine Entlastung der Spannung in der Hauptzitterbiegeeinrichtung erhöht. Für eine gegebene Restspannung existiert ein guter Widerstand zur Senkrechtbewegung, oder für einen gegebenen Widerstand, erzeugt die Senkrechtbewegung weniger Verformung im Beschleunigungsmesserrahmen verglichen mit den Ausführungsformen von 12. Biegeeinrichtungen 436 und 438 können lang geformt sein, wodurch die Spannung für einen gegebenen Zitterversatz reduziert ist. Die Biegeeinrichtungen 436 und 438 sind mit dem inneren Rahmen 402 an Punkten nahe dem Zentrum des inneren Rahmens in Richtung der Länge und der Breite verbunden, wobei die Verformung für einen gegebenen Spannungsbetrag im Vergleich zu anderen Ausführungsformen verringert ist. Weil die zwei schwenkenden Biegeeinrichtungen zueinander senkrecht sind, ist der Gelenkpunkt besser stabilisiert als in anderen Strukturen. Durch Bewegen des effektiven Befestigungspunktes des Zittermechanismus auf dem inneren Rahmen in Richtung zur Außenseite des inneren Rahmens, ergibt sich eine bessere Stabilität im inneren Rahmen gegen Kippen. Um den Hebelarm 432 verglichen mit dem zentralen Balken 440 steif zu halten, ist der Hebelarm 432 breit geformt; während diese größere Breite die Steifheit verbessert, hat sie den Nachteil, dass sie zusätzlichen Raum erfordert.
Verglichen mit der Ausführungsform von 12 ist der äußere Rahmen 404 steifer gebildet, indem seine Breite erhöht ist. Wie jedoch oben erwähnt wurde, wird das Verhältnis der Signale durch m/M geändert, wobei M die Gesamtmasse beider Rahmen ist und m die Masse des inneren Rahmens ist. Infolgedessen ist es wünschenswert, die Masse des äußeren Rahmens zu verringern, damit M relativ zu m so klein wie möglich ist. infolgedessen ist eine Anzahl von Löchern 444 aus dem äußeren Rahmen 404 herausgeschnitten. Während das Vorhandensein der Löcher 444 die Masse verringert, haben sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Steifheit, weil sie in der Tat eine Anzahl von verbundenen I-Balken verursachen. Für diesen Zuwachs an Steifheit und Leistung zahlt man jedoch den Preis einer erhöhten Größe der Vorrichtung, wodurch der Gewinn auf dem Waferniveau sinkt.
Um die Leistung der Vorrichtung 400 verglichen mit früheren Ausführungsformen weiter zu verbessern, ist der äußere Rahmen 404 mit dem Substrat verbunden durch einen Verbindungsmechanismus 450 und durch ein Paar von Verankerungen 452, die miteinander verbunden sind. Der Verbindungsmechanismus 450 umfasst Platten 453 und 454, die miteinander mit zueinander senkrechten kurzen Biegeeinrichtungen 456 und 458 verbunden sind.
Das Struktur-Polysilikon, das verwendet wird, um die Massen und die Biegeeinrichtungen zu bilden, sollte im Vergleich zum Substrat ein wenig dehnbar sein, so dass die Strukturen, die aus Polysilikon hergestellt sind, eine gut definierte und singuläre Form haben. Eine Konsequenz hiervon ist, dass die Beschleunigungsmesser-Biegeeinrichtungen bei der Herstellung leicht gebogen werden. Wenn diese Biegeeinrichtungen in Termen von Steifheit unausgeglichen sind, kann eine geringfügige statische Schieflage in die gesamte Struktur eingebracht sein, mit Konsequenzen, die denen einer Schieflage im Normalbetrieb ähnlich sind. Die Kräfte von der Zitterbewegung können die Biegeeinrichtungen unterschiedlich geraderichten, wobei sich eine zusätzliche dynamische Schieflage um die Kreiselachse ergibt. Außerdem beugt sich der Rahmen in Reaktion auf die Spannung in den Zitterbiegeeinrichtungen, wobei eine ähnliche Wirkung entsteht, wie beim unterschiedlichen Dehnen der Biegeeinrichtungen durch die Reaktionskräfte, welche die Struktur in der Ebene des Substrats kippen.
In der Ausführungsform von 15 sind die Gelenkpunkte durch die Biegeeinrichtungen 456 und 458 definiert, so dass der äußere Rahmen 404 sich leicht senkrecht zur Zitterbewegung durch Schwenken der Platte 453 relativ zur Platte 454 bewegen kann, wobei ein einzelner Biegevorgang an die Biegeeinrichtungen 456 und 458 an den Enden und in der Mitte gegeben wird. Um dies zu bewerkstelligen, sollte Mittelbalken 440 mit den Gelenkpunkten co-linear sein.
Nach der Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollte es offensichtlich sein, dass Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom durch die angefügten Ansprüche definierten Bereich der Erfindung abzuweichen. Während eine Kreuz-Quadrat-Anordnung mit vier Kreiseln einige oben beschriebene Vorteile aufweist, kann man mit einer sehr präzisen Verarbeitung nur zwei verwenden, um externe Beschleunigungen im Normalbetrieb zu beseitigen. In noch einer anderen Alternative, kann ein größeres Array mit mehr als vier Kreiseln angeordnet und zusammengekoppelt werden.

Claims

Mikrogefertigte Vorrichtung (50), die ein Substrat (55) aufweist; einen ersten Körper (52), der in einer Ebene über dem Substrat aufgehängt ist und relativ zum Substrat in der Ebene derart bewegbar ist, dass der erste Körper entlang einer Zitterachse (58) gezittert werden kann; und einen zweiter Körper (54), der über dem Substrat aufgehängt ist, wobei der erste und zweite Körper in einer ersten Ebene parallel zum Substrat koplanar sind; wobei der erste Körper mit dem zweiten Körper gekoppelt ist, um eine Bewegung des ersten Körpers entlang der Zitterachse relativ zum zweiten Körper zuzulassen, um im Wesentlichen eine Bewegung des ersten Körpers relativ zum zweiten Körper entlang einer Abtastachse (60), die orthogonal zur Zitterachse ist, zu verhindern, und um dem ersten und zweiten Körper zu erlauben, sich gemeinsam entlang der Abtastachse zu bewegen; wobei der zweite Körper derart geformt ist, dass der zweite Körper im Wesentlichen daran gehindert wird, sich relativ zum Substrat entlang der Zitterachse zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste Körper (52) einen Umfassungsbereich aufweist, der eine Öffnung (64) definiert und umgibt, mit einer Mehrzahl an Fingern (66, 67), die sich vom ersten Körper in die Öffnung hinein erstrecken und mit dem ersten Körper bewegbar sind, wobei die Vorrichtung außerdem fixierte Finger (68, 69), die relativ zum Substrat fixiert sind, umfasst, wobei sie mit den sich nach innen erstreckenden Fingern ineinandergreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Körper mindestens ein Querstück (96) aufweist, das sich von einem Teil des Umfassungsbereichs auf einen anderen Teil des Umfassungsbereichs erstreckt, um mindestens zwei Öffnungen (98) zu definieren, wobei der erste Körper die Finger aufweist, die sich in jede von mindestens zwei Öffnungen erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die sich nach innen erstreckenden Finger Zitter-Antriebsfinger umfassen, und wobei ein Signal, das an den entsprechenden fixierten Fingern bereitgestellt wird, veranlasst, dass der erste Körper entlang der Zitterachse gezittert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die sich nach innen erstreckenden Finger Zitterabtastfinger umfassen, die dazu verwendet werden, eine Zitterbewegung des ersten Körpers abzutasten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Abtastfinger (70), die sich weg vom zweiten Körper (54) in einer Richtung parallel zur Zitterachse erstrecken, und erste und zweite Sätze von fixierten Fingern (72, 74) auf beiden Seiten von jedem der Abtastfinger, die sich weg vom zweiten Körper erstrecken, wobei die Abtastfinger und die ersten und zweiten Sätze der fixierten Finger kapazitive Zellen bilden, um eine Bewegung des zweiten Körpers entlang der Abtastachse abzutasten.
Vorrichtung nach Anspruches 5, wobei jeder Finger des ersten Satzes der fixierten Finger mit einer ersten Spannung gekoppelt ist, und jeder Finger des zweiten Satzes der fixierten Finger mit einer zweiten Spannung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Körper mit einem stationären Körper (110, 450) gekoppelt ist, der sich entlang der Zitterachse ausdehnt und koplanar zum zweiten Körper und zwischen dem ersten und dem zweiten Körper ist, wobei der stationäre Körper in der Längsrichtung erste und zweite entgegengesetzte Enden aufweist und Biegeeinrichtungen (114) hat, die sich von jedem Ende zum zweiten Körper erstrecken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der stationäre Körper mit mindestens einer Verankerung (452) verankert ist, die zentral entlang des stationären Körpers zwischen den ersten und zweiten entgegengesetzten Enden positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der stationäre Körper eine erste Platte (454) umfasst, die mit dem Substrat verankert ist, eine zweite Platte (453) von der sich Biegeeinrichtungen zum zweiten Körper erstrecken, und Biegeeinrichtungen (456, 458), die sich zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte erstrecken, um ein Schwenken um einen Schwenkpunkt zwischen den ersten und zweiten Platten zuzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zweite Platte nicht am Substrat verankert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mindestens einen Anschlag umfassend, der nahe dem ersten Körper entlang der orthogonalen Achse positioniert ist zum Begrenzen einer Bewegung des ersten Körpers entlang der orthogonalen Achse, wobei der Anschlag einen ersten Bereich (144) aufweist, der mit dem ersten Körper koplanar ist und einen zweiten Bereich (146), der integral mit dem ersten Bereich ist und sich über dem erste Körper relativ zum Substrat erstreckt, um zu verhindern, dass sich der erste Körper vom Substrat weg nach oben bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Körper mit dem zweiten Körper mit einem ersten Satz Biegeeinrichtungen (62, 316, 318) gekoppelt ist, die entlang der Abtastachse orientiert sind, und wobei der zweite Körper mit dem Substrat mit einem zweiten Satz Biegeeinrichtungen (56, 114) verankert ist, die entlang der Zitterachse orientiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umfassungsbereich rechteckig ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine Verbindungsstruktur zwischen dem ersten Körper (302) und dem zweiten Körper (308) umfassend, wobei die Verbindungsstruktur einschließt einen ersten Schwenkbalken (312), einen zweiten Schwenkbalken (314), Biegeeinrichtungen (316, 318), die sich vom ersten Körper zu den ersten und zweiten Schwenkbalken erstrecken, einen Balken (324), welcher die ersten und zweiten Schwenkbalken verbindet und erste und zweite Strukturen (320, 322), welche die ersten und zweiten Schwenkbalken mit dem zweiten Körper verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner eine Verbindungsstruktur umfassend, die den ersten Körper mit dem zweiten Körper verbindet, wobei die Verbindungsstruktur erste und zweite Biegeeinrichtungen (316, 318) umfasst, die sich vom ersten Körper entlang der Abtastachse erstrecken und ferner Mittel umfassen, um zu verhindern, dass die Biegeeinrichtungen während der Zitterbewegung des ersten Körpers entlang der Zitterachse gedehnt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Körper mindestens ein Querstück aufweist, um eine Mehrzahl von Öffnungen innerhalb des ersten Körpers zu definieren, wobei eine erste Öffnung Finger zum Zittern des ersten Körpers entlang der Zitterachse und keine Finger zum Abtasten der Zitterbewegung aufweist und eine zweiten Öffnung Finger zum Abtasten der Zitterbewegung und keine Finger zum Zittern des ersten Körpers aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Körper mindestens ein Querstück aufweist, um eine Mehrzahl von Öffnungen innerhalb des ersten Körpers zu definieren, wobei die ersten und zweiten Öffnungen jeweils Finger aufweisen, die zum Zittern des ersten Körpers entlang der Zitterachse verwendet werden, und weitere Finger, die zum Abtasten der Zitterbewegung des ersten Körpers verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Körper miteinander durch eine Kopplungsstruktur verbunden sind, wobei die Kopplungsstruktur erste und zweite längliche Arme (312, 314, 432) umfasst, die sich zusammen im Wesentlichen entlang der Länge des ersten Körpers entlang der Abtastachse erstrecken, wobei die ersten und zweiten Arme miteinander durch einen Kopplungsbalken (324, 440) verbunden sind, die kürzer ist als die beiden Arme.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jeder Arme mit dem ersten Körper durch orthogonale Biegeeinrichtungen (434, 436) verbunden ist, die einen Schwenkpunkt definieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der ersten und zweiten Körper eine Mehrzahl von rechteckigen Löchern aufweist, die aus dem zweiten Körper ausgeschnitten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner umfassend: eine erste Mehrzahl von Fingern (100, 102), die sich parallel weg vom ersten Körper erstrecken, koplanar mit dem ersten Körper und bewegbar mit dem ersten Körper sind; eine zweite Mehrzahl von Fingern (104, 106), die relativ zum Substrat fixiert sind, parallel zur ersten Mehrzahl von Fingern sind und mit der ersten Mehrzahl von Fingern ineinandergreifen; ein erstes leitendes Element (120) auf dem Substrat unter einer ersten Gruppe der ersten Mehrzahl von Fingern und der zweiten Mehrzahl von Fingern, wobei das erste leitende Element auf der gleichen Spannung gehalten wird, wie die zweite Mehrzahl von Fingern; und ein zweites leitendes Element (126) auf dem Substrat unter einer zweiten Gruppe der ersten Mehrzahl von Fingern und der zweiten Mehrzahl von Fingern, wobei das zweite leitende Element auf der gleichen Gleichspannung gehalten wird, wie die erste Mehrzahl von Fingern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Körper den ersten Körper umgibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung unter Umgebungsbedingungen montiert ist.