DE10215853A1

DE10215853A1 - Schwingungs-Winkelgeschwindigkeit-Sensor

Info

Publication number: DE10215853A1
Application number: DE10215853A
Authority: DE
Inventors: Takashi Katsumata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2002-10-17
Also published as: JP2002310662A; JP3627665B2; US6796180B2; US20020178814A1

Abstract

Ein verbesserter Vibrations-Winkelgeschwindigkeits-Sensor senkt die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit an der Atmosphäre. Wenn die Schwingungsvorrichtung 31 eine Winkelgeschwindigkeit OMEGA erfährt, während sie eine Erreger-Schwingung ausführt, erzeugt sie eine Mess-Schwingung in einer zur Richtung der Erreger-Schwingung senkrechten Richtung. Die Winkelgeschwindigkeits-Messung basiert auf einer Änderung der Kapazität zwischen einem kammartigen Teil 36 der Schwingungsvorrichtung 31 und einer Mess-Elektrode 50. Eine Beziehung zwischen einem Verstimmungsmaß alpha = fd/fs, wobei fd die Resonanz-Frequenz in dem Erreger-Schwinungsmodus und fs die Resonanz-Frequenz in dem Mess-Schwinungsmodus ist, wird angegeben. Der Term Qs ist eine Funktion der Masse der Schwingungsvorrichtung, einer Federkonstanten von Federn, die die Schwingungsvorrichtung halten, und einem Dämpfungskoeffizienten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingungs- Winkelgeschwindigkeits-Sensor, bei dem, wenn auf ihn eine Winkelgeschwindigkeit übertragen wird, die übertragene Winkelgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität zwischen einer Schwingungsvorrichtung und einer Mess-Elektrode gemessen wird. Die Änderung der Kapazität wird durch die Schwingung der Schwingungs vorrichtung verursacht.

Ein verwandter Winkelgeschwindigkeits-Sensor umfasst eine Basis, eine Schwingungsvorrichtung, die über einen Federabschnitt durch die Basis gehalten wird, und eine der Schwingungsvorrichtung gegenüberliegende Mess- Elektrode. Dieser Sensor misst derart die Winkel geschwindigkeit, dass, wenn auf den Sensor eine Winkel geschwindigkeit übertragen wird, während die Schwingungs vorrichtung eine Schwingung, die eine Erreger-Schwingung ist, in einer ersten Richtung ausführt, die Schwingungs vorrichtung eine Schwingung, die eine Mess-Schwingung ist, in einer zweiten Richtung ausführt, welche senkrecht zu der ersten Richtung ist, und die übertragene Winkelgeschwindigkeit wird auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität zwischen der Schwingungsvor richtung und der Mess-Elektrode gemessen.

Bei einem solchen Schwingungs-Winkelgeschwindigkeits- Sensor ist die Mess-Empfindlichkeit S, wie es in dem folgenden mathematischen Ausdruck A gezeigt ist, proportional zu der Resonanz-Verstärkung β, die durch die Resonanzfrequenz (tatsächliche Schwingungsfrequenz der Schwingungsvorrichtung) fd in einem Erreger-Schwingungs modus, einer Resonanzfrequenz fs in einem Mess- Schwingungsmodus und einem Wert Qs in dem Mess- Schwingungsmodus bestimmt ist.

wobei Qs in Ausdruck A durch den folgenden Ausdruck B gegeben ist:

worin m die Masse der Schwingungsvorrichtung, k die Federkonstante einer Federvorrichtung in dem Mess- Schwingungsmodus und c ein Dämpfungskoeffizient der Schwingungsvorrichtung in dem Mess-Schwingungsmodus bedeuten.

Der Dämpfungskoeffizient c weist eine Temperatur abhängigkeit auf, und wenn der Sensor an der Atmosphäre betrieben wird, nimmt der Dämpfungskoeffizient durch die Wirkung von Luftdämpfung (Strömungswiderstand der Luft) in der Umgebung der Schwingungsvorrichtung zu, so dass die Mess-Empfindlichkeit S von der Temperatur abhängt.

Der verwandte Winkelgeschwindigkeits-Sensor ist im allgemeinen vakuumverpackt und vakuumbetrieben (zum Beispiel bei ca. 200 Pa), und wird somit gering durch Luftdämpfung beeinflusst. Mit anderen Worten, bei einem solchen Vakuum ist der Dämpfungskoeffizient c auf einen kleinen Wert reduziert, so dass Qs gemäß dem mathematischen Ausdruck B groß ist. Daraus folgt, dass der zweite Term im Nenner des mathematischen Ausdrucks A, der Qs enthält, so klein ist, dass er im Verhältnis zu dem ersten Term vernachlässigbar ist, und somit eine Temperaturabhängigkeit in der Mess-Empfindlichkeit kaum durch Luftdämpfung verursacht wird.

Die Herstellung einer solchen Vakuumverpackung bringt jedoch komplizierte Probleme mit sich und benötigt viel Zeit und Arbeit.

Kurze Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine durch Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit bei einem Schwingungs-Winkel geschwindigkeits-Sensor, der an der Atmosphäre betrieben wird, zu senken.

Um die durch Luftdämpfung verursachte Temperatur abhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit zu reduzieren, müßte, wie dem Ausdruck A entnommen werden kann, die Änderungsrate der Resonanz-Verstärkung β in Abhängigkeit von der Temperatur reduziert werden.

Es wurde, um genauer zu sein, festgestellt, dass die durch Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit, auf einen sehr kleinen Wert, bei dem im praktischen Einsatz kein nennenswertes Problem besteht, gesenkt werden kann, wenn die Änderungsrate des Resonanz-Verstärkungsfaktors β in Abhängigkeit der Tempe ratur im Betriebstemperaturbereich des Sensors (von -40°C bis +85°C) nicht größer als 1% gemacht wird.

Es wurde festgestellt, dass sich der Dämpfungs koeffizient c in Abhängigkeit von der Temperatur ver ändert, und dass der Effekt des zweiten Terms {fd/(fs.Qs)}² in dem Wurzelausdruck des Nenners in dem mathematischen Ausdruck A, der die Resonanz-Verstärkung β enthält, reduziert werden musste.

Da der Wert Qs im wesentlichen durch den Aufbau der Sensorvorrichtung (Form der Schwingungsvorrichtung und der Mess-Elektrode) bestimmt wird, hat man sich dazu entschlossen, das Verhältnis der Resonanzfrequenz fd in dem Erreger-Schwingungsmodus zu der Resonanzfrequenz fs in dem Mess-Schwingungsmodus zu regeln (im folgenden wird fd/fs als das Verstimmungsmaß α bezeichnet).

Nach den Untersuchungen des derzeitigen Erfinders verändert sich der Wert Qs in dem Mess-Schwingungsmodus innerhalb des Betriebstemperaturbereichs von -40°C bis +85°C von +25% bis -15%. Es wurde bei den Untersuchungen gefunden, dass die Höhe des Verstimmungsmaßes α so ist, dass die Änderungsrate der Resonanz-Verstärkung β selbst dann auf einen Wert von nicht größer als 1% gesenkt wird, wenn Qs zwischen +25% und -15% variiert.

Die Erfindung wurde auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Untersuchungen gemacht und ist dadurch gekenn zeichnet, dass bei einem Schwingungssystem, das Feder abschnitte (33, 34) und eine Schwingungsvorrichtung (31) aufweist, das Verstimmungsmaß α (α = fd/fs), das heißt, das Verhältnis einer Resonanzfrequenz fd der Erreger- Schwingung zu einer Resonanzfrequenz fs der Erfassung- Schwingung, und ein Q-Wert der Erfassung-Schwingung Qs der durch den folgenden mathematischen Ausdruck C ausgedrückten Beziehung genügen:

α ≧ 5.720 × 10^-9.Qs² - 1.012 × 10^-6.Qs⁵
+ 7.102 × 10^-5.Qs⁴ - 2.517 × 10^-3.Qs³
+ 4.736 × 10^-2.Os² - 4.549 × 10^-1.Qs + 2.923

Genügen α und Qs der obigen Beziehung, so ist die Änderungsrate der Resonanz-Verstärkung β im Betriebs temperaturbereich des Sensors von -40°C bis +85°C nicht größer als 1%. Es ist daher möglich, einen Schwingungs- Winkelgeschwindigkeits-Sensor bereitzustellen, bei dem die Temperaturabhängigkeit der durch Luftdämpfung ver ursachten Mess-Empfindlichkeit auf einen sehr kleinen Wert gesenkt wird, so dass kein nennenswertes Problem im praktischen Einsatz besteht, wenn der Sensor an der Atmosphäre betrieben wird.

Ferner wurde gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung festgestellt, dass bei der Minimierung der Änderungsrate der erste Term {1 - (fd/fs)²}² in der Quadratwurzel des Nenners in Ausdruck A aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Resonanz-Verstärkung β nicht kleiner als das Hundertfache des zweiten Terms {fd/(fs.Qs)}² sein sollte.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schwingungssystem mit den Federabschnitten (33, 34) und der Schwingungsvorrichtung (31) das Verstimmungsmaß α sowie Qs der durch den folgenden Ausdruck D ausgedrückten Beziehung genügen:

α⁴ - (2 + 100/Qs²) × α²+ 1 ≧ 0

Ebenfalls gemäß dieser Beziehung kann die durch Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess- Empfindlichkeit soweit reduziert werden, dass keine nennenswerten Probleme im praktischen Einsatz bestehen, wenn der Schwingungs-Winkelgeschwindigkeits-Sensor an der Atmosphäre betrieben wird.

Die gegenüberliegenden Abschnitte der Mess-Elektrode und der Schwingungsvorrichtung können so gestaltet sein, dass die Mess-Elektrode (40) einen kammartigen Teil und die Schwingungsvorrichtung (31) einen kammartigen Teil (35) aufweist, und Zähne oder Vorsprünge der zwei kammartigen Teile einander gegenüberliegen und mit einander verzahnt sind.

Ferner sind die Basis (20), die Federvorrichtungen (33, 34), die Schwingungsvorrichtung (31) und die Mess- Elektrode (40) aus Halbleitermaterial gebildet.

Die obigen Bezugszeichen in Klammern sind beispiel haft und entsprechen den speziellen, nachstehend be schriebenen Teilen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht, die einen Winkel geschwindigkeits-Sensor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Tabelle, die das Verstimmungsmaß α zeigt, wenn die Änderungsrate von β nicht größer als 1% ist, wobei sich Qs wie gezeigt verändert.

Fig. 4 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Verstimmungsmaß α und Qs zeigt, wenn die Änderungsrate von β nicht größer als 1% ist.

Fig. 5 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem Verstimmungsmaß α und Qs bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Erste Ausführungsform

Der Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 ist dadurch gebildet, dass ein Halbleitersubstrat einem bekannten mikromaschinellen Prozess unterzogen wird. Das den Sensor S1 bildende Halbleitersubstrat S1 ist, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ein rechtwinkliges SOI-(silicon on insulator, Silizium auf Isolator) Substrat 10, das aus einem ersten Siliziumsubstrat 11 bzw. einer ersten Halbleiterschicht, und einem zweiten Siliziumsubstrat 12 bzw. einer zweiten Halbleiterschicht hergestellt ist, die mit einem Oxidfilm 13, der ein isolierender Film ist, mit dem ersten Substrat 11 verbunden ist.

Bei dem zweiten Siliziumsubstrat 12 wird eine Ätzung ausgeführt, um Gräben zu erzeugen, die das Substrat 12 in eine rahmenförmige Basis 20, welche an dem Umfangsbereich des zweiten Siliziumsubstrats 12 angeordnet ist, und einem beweglichen Bereich 30 unterteilt, der beweglich und innerhalb der Basis 20 angeordnet ist.

An einer Stelle, die dem beweglichen Bereich 30 entspricht, werden das erste Siliziumsubstrat 11 und der Oxidfilm 13 entfernt, um eine Öffnung 14 zu bilden. Die Basis 20 wird am Rand der Öffnung 14 in dem Oxidfilm 13 von dem ersten Siliziumsubstrat 11 gehalten.

Der bewegliche Bereich 30 umfasst den ersten beweglichen Teil 31 bzw. die Schwingungsvorrichtung und zwei zweite bewegliche Teile 32 bzw. Seitenelemente. Die Schwingungsvorrichtung 31 ist im wesentlichen rechteckig und im Zentrum des zweiten Siliziumsubstrats 12 angeordnet. Jedes Seitenelement 32 weist die Form eines Flachleiters auf und ist jeweils auf einer Seite der Schwingungsvorrichtung 31 ausgebildet.

Jedes Seitenelement 32 ist mit der Basis 20 durch zwei Erreger-Flachleiter 33 verbunden, und wird von der Basis 20 durch zwei Erreger-Flachleiter 33 gehalten. Jeder Erreger-Flachleiter ist im wesentlichen U-förmig, mit rechtwinkligen Ecken. Die Schwingungsvorrichtung 31 ist mit den Seitenelementen 32 über Mess-Flachleiter 34 verbunden. Somit wird die Schwingungsvorrichtung 31 durch die Basis 20 gehalten.

Jeder Erreger-Flachleiter 33 ist im wesentlichen nur in der x-Richtung flexibel, und der bewegliche Bereich 30 kann aufgrund der Flexibilität der Erreger-Flachleiter 33 in x-Richtung in Schwingung versetzt werden. Andererseits weist der Mess-Flachleiter 34 im wesentlichen nur in der y-Richtung eine Flexibilität auf, und die Schwingungs vorrichtung 31 des beweglichen Bereichs 30 kann aufgrund der Flexibilität des Mess-Flachleiters 34 in y-Richtung in Schwingung versetzt werden. Die Erreger-Flachleiter 33 und die Mess-Flachleiter 34 bilden eine Federvorrichtung.

Eine Erreger-Elektrode 40 befindet sich auf jeder Seite des beweglichen Bereichs 30 in dem zweiten Siliziumsubstrat. Jede Erreger-Elektrode 40 weist einen kammartigen Teil mit nach innen gerichteten Zähnen bzw. Vorsprüngen auf, und jede Erreger-Elektrode 40 wird am Rand der Öffnung 14 gehalten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jede Erreger-Elektrode 40 überträgt ein periodisches Signal (Erreger-Signal) von einem äußeren Schaltkreis (nicht gezeigt) auf den beweglichen Bereich 30, um den beweglichen Bereich 30 in x-Richtung in Schwingung zu versetzen bzw. zu erregen.

Jede Erreger-Elektrode 40 ist gegenüber eines kammartigen Teils eines entsprechenden der Seitenelemente 32 angeordnet. Jedes kammartige Teil 35 der Seiten elemente 32 weist Zähne bzw. Vorsprünge auf, die sich derart nach außen erstrecken, dass die Zähne der Erreger- Elektroden 40 den Zähnen der kammartigen Teile 35 gegenüberliegen und mit ihnen alternieren, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Das heisst, die Zähne der gegenüberliegenden kammartigen Teile sind miteinander verzahnt. Ein Lötauge 41 zur elektrischen Verbindung der entsprechenden Erreger-Elektrode 40 mit dem äußeren Schaltkreis mittels Verdrahtung oder dergleichen ist auf jeder der Erreger- Elektroden 40 gebildet.

Ferner befinden sich an beiden Enden der Schwingungs vorrichtung 31 des zweiten Siliziumsubstrats 12 jeweils Mess-Elektroden 50, von denen jede kammartige Teile aufweist und am Rand der Öffnung 14 gehalten wird.

Die Mess-Elektroden 50 sind vorgesehen, um eine Änderung der Kapazität aufgrund der Schwingung (Mess- Schwingung) in der y-Richtung der Schwingungsvorrichtung 31 nach außen an den äußeren Schaltkreis zu geben. Die Änderung der Kapazität dient als ein Mess-Signal zur Darstellung der Winkelgeschwindigkeit Ω. Eine Änderung der Kapazität wird erzeugt, wenn dann, wenn das bewegliche Teil 30 (Schwingungsvorrichtung 31 und die Seitenelemente 32) in x-Richtung erregt bzw. in Schwingung versetzt wird, eine Winkelgeschwindigkeit Ω auf die z-Achse übertragen wird.

Jede Mess-Elektrode 50 ist gegenüber eines kamm artigen Teils 36 angeordnet, das sich von der Schwingungsvorrichtung 31 erstreckt. Die kammartigen Teile der Mess-Elektroden weisen nach außen gerichtete Zähne auf, und die kammartigen Teile der Schwingungs vorrichtung 31 weisen nach innen gerichtete Zähne auf, und die Zähne der jeweiligen kammartigen Teile sind wie gezeigt miteinander verzahnt. Ein Lötauge 51 ist auf jeder Mess-Elektrode 50 gebildet, um die entsprechende Messelektrode 50 durch Verdrahten oder dergleichen mit dem äußeren Schaltkreis zu verbinden. Jedes Lötauge 51 ist aus Aluminium oder dergleichen gebildet.

Ferner sind in der Nähe der Enden der Seitenelemente 32 des zweiten Siliziumsubstrats 12 Überwachungselektro den 60 gebildet, die kammartig sind und Zähne aufweisen. Jede Überwachungselektrode wird am Rand der Öffnung 14 gehalten. Die Überwachungselektroden 60 überwachen die Erreger-Schwingung in der x-Richtung des beweglichen Bereichs 30 und geben ein Überwachungssignal nach außen an den äußeren Schaltkreis.

Jede Überwachungselektrode 60 ist gegenüber eines kammartigen Endes 37 eines entsprechenden der Seiten elemente 32 angeordnet. Die kammartigen Enden weisen nach außen gerichtete Zähne auf, und die Überwachungs- Elektroden weisen nach innen gerichtete Zähne auf, und die Zähne der jeweiligen kammartigen Teile liegen einander gegenüber und sind ineinander verzahnt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Lötauge 61 ist auf jeder Überwachungselektrode 60 gebildet, um die Überwachungs elektrode 60 durch Drahtanschluss oder dergleichen mit dem externen Schaltkreis zu verbinden.

Die auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 gebildeten Teile, wie etwa die Basis 20, der bewegliche Bereich 30, die Erreger-Elektroden 40, die Mess-Elektroden 50 und die Überwachungs-Elektroden 60, sind durch Gräben elektrisch voneinander isoliert.

Bei einem solchen Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 wird von dem äußeren Schaltkreis über die Lötaugen 41 der Erreger-Elektroden ein periodisches Erregersignal (Eingangssignal), wie etwa eine sinusförmige Spannung, eine Rechteckspannung oder dergleichen, auf die Erreger- Elektroden 40 übertragen, um elektrostatische Kräfte zwischen den kammartigen Teilen 35 und den Erreger- Elektroden 40 zu erzeugen, so dass der bewegliche Bereich 30, der die Schwingungsvorrichtung 31 umfasst, in x- Richtung erregt und somit in Schwingung versetzt wird, was aufgrund der Flexibilität der Erreger-Flachleiter bzw. der Federvorrichtung 33 möglich ist.

Durch Bestimmen der Änderung der Kapazität zwischen den Zähnen des Kamms der Überwachungs-Elektrode 60, kann die Frequenz und die Amplitude der Erreger-Schwingung des beweglichen Bereichs 30 überwacht werden. Danach wird die überwachte Änderung der Kapazität als ein Überwachungs signal von den Lötaugen 61 an den äußeren Schaltkreis rückgekoppelt, und das Erreger-Signal wird mittels eines selbsterregenden Schaltkreises geregelt, um den beweg lichen Bereich 30, der den ersten beweglichen Abschnitt (Schwingungsvorrichtung) 31 umfasst, mit einer normalen Erreger-Schwingung in Schwingung zu versetzen.

Wenn dann, wenn der bewegliche Bereich 30 (in der x- Richtung) mit der Erreger-Schwingung schwingt, eine Winkelgeschwindigkeit Ω auf die z-Achse übertragen wird, wird eine Coriolis-Kraft in y-Richtung auf den beweglichen Bereich 30 übertragen, was eine Mess- Schwingung in dem ersten beweglichen Abschnitt (Schwingungsvorrichtung) 31 des beweglichen Bereichs 30 bewirkt. Die Mess-Schwingung ändert die Kapazität zwischen den Zähnen des kammartigen Teils der Mess- Elektrode 50, und die Änderung der Kapazität wird nach außen zu dem äußeren Schaltkreis gegeben und von diesem erfasst, um die Höhe der Winkelgeschwindigkeit Ω zu bestimmen.

Schwingt die Schwingungsvorrichtung 31 (mit der Erreger-Schwingung) in der x-Richtung, ist die tat sächliche Erreger-Schwingungsfrequenz die Schwingungs frequenz fd (im folgenden als eine Erreger-Resonanz frequenz fd bezeichnet) der Schwingungsvorrichtung 31 in der x-Richtung, und die Schwingungsvorrichtung 31 und das Seitenelement 32 schwingen während der Erregerschwingung zusammen mit der Erreger-Schwingungsfrequenz fd (zum Beispiel 5000 Hz).

Wenn bei der Mess-Schwingung in der y-Richtung die Winkelgeschwindigkeit Ω übertragen wird, schwingt die Mess-Schwingung der Schwingungsvorrichtung 31 mit der gleichen Erreger-Resonanzfrequenz fd (zum Beispiel 5000 Hz).

Die Resonanzfrequenz fs (im folgenden als die Mess- Resonanzfrequenz fs bezeichnet) der Schwingungsvorrich tung 31 in der y-Richtung ist größer ausgelegt (zum Beispiel 9650 Hz) als die Erreger-Resonanzfrequenz fd. Mit anderen Worten, die Schwingungsvorrichtung 31 schwingt bei der Mess-Schwingung mit einer Frequenz fd, die niedriger ist als die Mess-Resonanzfrequenz fs. Wenn die Schwingungsvorrichtung 31 bei der Mess-Schwingung mit der gleichen Frequenz fd wie die Erregerfrequenz fd in Schwingung versetzt wird, wird die Amplitude der Mess- Schwingung dadurch erhöht, dass fd kleiner als fs (fd<fs) gemacht wird, so dass die Empfindlichkeit erhöht wird.

Aus diesem Grund gilt in diesem Fall, obwohl man denken könnte, dass fd = fs empfehlenswert ist, von Ausdruck A β = Qs, und die Temperaturabhängigkeit der Mess- Empfindlichkeit ist durch die Wirkung der Luftdämpfung deutlich erhöht. Das heißt, in Ausdruck B sind die Auswirkungen der Masse m der Schwingungsvorrichtung 31 und die Federkonstante k der Federvorrichtung (Mess- Flachleiter 34) in dem Mess-Schwingungs-Modus kleiner als der Effekt des Dämpfungskoeffizienten c, und eine Änderung des Dämpfungskoeffizienten c, der die Komponente der Temperaturabhängigkeit in Qs ist, beeinflusst direkt die Resonanz-Verstärkung β.

Um daher die Temperaturabhängigkeit der durch Luftdämpfung verursachten Messempfindlichkeit auf einen sehr niedrigen Wert, bei dem es keine Probleme im praktischen Einsatz gibt, zu reduzieren, wird das Verhältnis von der Erreger-Resonanzfrequenz fd zur Mess- Resonanzfrequenz fs, d. h. fd/fs (das Verstimmungsmaß α) so geregelt, dass eine Änderungsrate der Resonanz- Verstärkung β auf einen Wert reduziert wird, der im Arbeitstemperaturbereich des Sensors S1 von -40°C bis 85°C nicht größer als 1% beträgt.

Gemäß den Untersuchungen des derzeitigen Erfinders variiert in dem Sensor S1 in dem Arbeitstemperaturbereich von -40°C bis +85°C der Wert Qs im Mess-Schwingungs-Modus von +25% bis -15%. Durch Untersuchungen wurde festge stellt, dass die Höhe der Verstimmungsmaßes α die Ände rungsrate des Resonanz-Verstärkungsfaktors β auf einen Wert absenkt, der selbst dann nicht größer als 1% ist, wenn Qs für verschiedene Werte von Qs von +25% bis -15% variiert. Ein Beispiel des Ergebnisses der Untersuchungen ist in Fig. 3 gezeigt.

Fig. 3 ist eine Tabelle zur Bestimmung des Verstimmungsmaßes α und der Mess-Resonanzfrequenz fs, wenn die Änderungsrate von β nicht größer als 1% und die Erreger-Resonanzfrequenz fd 5000 Hz ist, für die Fälle, wo Qs bei Zimmertemperatur 3, 6, 10, 20, 30 und 50 ist.

Diese Werte von Qs sind vernünftige Werte, die durch den Aufbau des vorliegenden Sensors S1 bestimmt werden können.

Beträgt zum Beispiel Qs bei Raumtemperatur 3, so beträgt, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, Qs bei einer Temperatur von -40°C 3,75, ein Wert, der sich von Qs bei Raumtemperatur um +25% unterscheidet, und Qs bei einer Temperatur von 85°C beträgt 2,55, was sich um -15% unterscheidet. Die Änderungsrate von β wird aus der Differenz (Δβ) zwischen β für Qs bei der Grenztemperatur und β für Qs bei Raumtemperatur bestimmt, und das Verstimmungsmaß α (α = fd/fs) kann aus Ausdruck A berechnet werden, wenn die Änderungsrate β nicht größer als 1% ist.

Wenn Qs bei Raumtemperatur 3 beträgt, beträgt die das Verstimmungsmaß α 1,93. Ebenso wird der Betrag der Verstimmungsmaß α für andere Werte von Qs bestimmt, wenn die Änderungsrate β nicht größer als 1% ist. Ferner kann, wie in Fig. 3 zu erkennen ist, das Verstimmungsmaß α, wenn Qs zunimmt, näher an 1 gebracht werden, und die Resonanz-Verstärkung β erhöht sich.

Hier sind die in Fig. 3 gezeigten Verstimmungsmaße α jene, wenn die Änderungsrate von β nicht größer als 1% ist und so nah wie möglich an 1 heranrückt. Aus diesem Grund ist in Fig. 3 zum Beispiel, wenn Qs bei Raumtemperatur 3 beträgt, die Änderungsrate von β nicht größer als 1%, sofern das Verstimmungsmaß α nicht weniger als 1,93 beträgt. Wenn Qs bei Raumtemperatur 3 oder 5 beträgt, wird die Änderungsrate von β 10 bis 20%, sofern das Verstimmungsmaß α 1 beträgt.

Fig. 4 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen den jeweiligen Qs-Werten in Fig. 3 und das ermittelte Verstimmungsmaß α zeigt. Das heißt, die Änderungsrate von β ist in dem schraffierten Bereich oberhalb einer gebogenen Linie L1 in dem in Fig. 4 gezeigten Schaubild nicht größer als 1%. Der schraffierte Bereich oberhalb der gebogenen Linie L1 in dem Schaubild wird durch die folgende Ungleichung bzw. den folgenden Ausdruck C ausgedrückt:

α ≧ 5,720 × 10^-9.Qs²- 1,012 × 10^-6.Qs⁵
+ 7,102 × 10^-5.Qs⁴- 2,517 × 10^-3.Qs³
+ 4,736 × 10^-2.Qs²- 4,549 × 10^-1.Qs + 2,923

Der Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 der vorliegenden Ausführungsform genügt der Ungleichung bzw. dem Ausdruck C. Durch Bestimmen eines gewünschten Qs kann das Verstimmungsmaß α mit Hilfe des obigen mathematischen Ausdrucks C gefunden werden, und wenn das Verstimmungsmaß α ermittelt ist, kann die Mess-Resonanzfrequenz fs bestimmt werden, da die Erreger-Resonanzfrequenz fd ermittelt wurde. Wenn zum Beispiel Qs bei Raumtemperatur 3 beträgt, so beträgt die Mess-Resonanzfrequenz fs 9650 Hz, sofern bestimmt wurde, dass das Verstimmungsmaß α 1,93 beträgt.

Wenn der Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 ausgelegt wird, wird zuerst die Form des Sensors S1 bestimmt, und die Dicke und die Längen des Erreger-Flachleiters 33 und der Mess-Flachleiter 34 werden so gewählt, dass die Resonanzfrequenzen fd, fs jene sind, die auf die obige Weise bestimmt wurden, und um die Federkonstante k und die Größen (Massen m) der ersten und zweiten beweglichen Teile 31 und 32 zu bestimmen. Dementsprechend genügt der Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 der durch den Ausdruck C gezeigten Beziehung.

Nach der Auslegung des Winkelgeschwindigkeits-Sensors S1 in dieser Weise, kann der Winkelgeschwindigkeits- Sensor S1 mit Hilfe bekannter Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelemente hergestellt werden. Zum Beispiel wird das SOI-Substrat 10 vorbereitet, und anschließend werden Gräben zur Bildung der Lötaugen 41 und der gleichen, der Basis 20 und dem beweglichen Bereich 30 auf dem zweiten Siliziumsubstrat 12 mit Hilfe der Photo litographie, dem Trockenätzen oder dergleichen gebildet. Das erste Siliziumsubstrat 11 wird anisotrop geätzt, um die Öffnung 14 zu bilden, um den Winkelgeschwindigkeits- Sensor S1 fertigzustellen.

Wie oben beschrieben ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, dass α und Qs so bestimmt werden, dass sie der in dem Ausdruck C gezeigten Beziehung genügen, die Änderungsrate des Resonanz-Verstärkungsfaktors β in dem Arbeitstemperaturbereich des Sensors S1 (von -40°C bis +85°C) nicht größer als 1% gemacht, so dass die durch die Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit auf einen Betrag reduziert wird, bei dem keine Probleme im praktischen Einsatz auftreten, wenn der Schwingungs-Winkelgeschwindigkeits-Sensor an der Atmosphäre betrieben wird.

Zweite Ausführungsform

Ferner wird bei dem Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1, um die durch die Temperaturabhängigkeit der Resonanz- Verstärkung β verursachte Änderungsrate derart zu reduzieren, dass die durch Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit auf ein vertretbares Niveau reduziert wird, empfohlen, dass der erste Term {1 - fd/fs)²}² in der Quadratwurzel des Nenners von Ausdruck A nicht kleiner als das Hundertfache des zweiten Terms {fd/(fs.Qs)}² ist.

Zu diesem Zweck muss zunächst der folgende Ausdruck D erfüllt sein.

{1 - (fd/fs)²}² ≧ 100 × {fd/(fs.Qs)}²

wobei der Ausdruck D, da α = fs/fd ist, nachfolgend in die Ausdrücke E, F und G umgeformt wird, um schließlich die durch den Ausdruck H gezeigte Ungleichung zu erhalten.

Ausdruck E

{1 - (1/α)²}² ≧ 100 × {1/(α.Qs)}²

Ausdruck F

1-2/α² + 1/α⁴ ≧ 100/(α².Qs²)

Ausdruck G

1/α⁴ - 1/α² × (2 + 100/Qs²) + 1 ≧ 0

Ausdruck H

α⁴ - (2 + 100/Qs²) × α² + 1 ≧ 0

Bei dem Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 gemäß der zweiten Ausführungsform genügen das Verstimmungsmaß α und Qs der durch den Ausdruck H gezeigten Beziehung in dem Schwingungssystem, das aus den Federvorrichtungen 33, 34 und der Schwingungsvorrichtung 31 gebildet ist.

Fig. 5 ist ein Schaubild, das die Beziehung des Ausdrucks H darstellt. In Fig. 5 ist der schraffierte Bereich (einschließlich der gebogenen Linie L2) der Bereich der durch den Ausdruck H gezeigten Ungleichheit. In diesem Bereich kann der erste Term in der Quadratwurzel des Nenners in dem mathematischen Ausdruck A nicht kleiner sein als das Hundertfache des zweiten Terms, so dass der zweite Term, der den Dämpfungs koeffizienten c enthält, vernachlässigt werden kann. Die durch die Luftdämpfung verursachte Temperaturabhängigkeit der Mess-Empfindlichkeit kann daher auf ein vertretbares Niveau reduziert werden, wenn der Schwingungs-Winkel geschwindigkeits-Sensor an der Atmosphäre betrieben wird.

Desweiteren kann, wenn Qs wie gewünscht bestimmt ist, das Verstimmungsmaß α aus Ausdruck H gewonnen werden, und der Winkelgeschwindigkeits-Sensor S1 kann anschließend in der Weise der ersten Ausführungsform ausgelegt und hergestellt werden.

Claims

1. Winkelgeschwindigkeits-Sensor, der Folgendes umfasst:
eine Basis (20);
eine Schwingungsvorrichtung (31);
Federmittel (33, 34), um die Schwingungsvorrichtung (31) mit der Basis (20) derart zu verbinden, dass eine Erreger-Schwingung auf die Schwingungsvorrich tung in einer ersten (x) Richtung übertragen werden kann, und dass die Schwingungsvorrichtung eine Mess- Schwingung in einer zweiten (y) Richtung erzeugt, die senkrecht zu der ersten (x) Richtung ist; und
eine Mess-Elektrode (50), die der Schwingungs vorrichtung (31) gegenüberliegt, wobei als Folge der Mess-Schwingung eine Änderung der Kapazität zwischen der Schwingungsvorrichtung (31) und der Mess- Elektrode (50) erzeugt wird, wenn auf den Sensor, während die Schwingungsvorrichtung (31) eine Erreger-Schwingung ausführt, eine Winkelgeschwindig keit übertragen wird, und die Mess-Elektrode (50) gestattet die Messung der Änderung der Kapazität, wobei eine Höhe des Verstimmungsmaßes α durch fd/fs ausgedrückt wird, worin fd eine Resonanz-Frequenz der Erreger-Schwingung und fs eine Resonanz-Frequenz bei der Mess-Schwingung ist, und ein Term Qs, der durch (m.k)^1/2/c ausgedrückt wird, worin m die Masse der Schwingungsvorrichtung (31) und k die Feder konstante der Federmittel (33, 34) bei der Mess- Schwingung ist, und c ein Dämpfungskoeffizient der Schwingungsvorrichtung (31) bei der Mess-Schwingung ist, der durch den folgenden Ausdruck ausgedrückten Beziehung genügen:
α ≧ 5,720 × 10^-9.Qs²- 1,012 × 10^-6.Qs⁵
+ 7,102 × 10^-5.Qs⁴ - 2,517 × 10^-3.Qs³
+ 4,736 × 10^-2.Qs²- 4,549 × 10^-1.Qs + 2,923

2. Winkelgeschwindigkeits-Sensor, der Folgendes umfasst:
eine Basis (20);
eine Schwingungsvorrichtung (31);
Federmittel (33, 34), um die Schwingungsvorrichtung (31) mit der Basis (20) derart zu verbinden, dass eine Erreger-Schwingung auf die Schwingungsvorrich tung in einer ersten (x) Richtung übertragen werden kann, und dass die Schwingungsvorrichtung eine Mess-Schwingung in einer zweiten (y) Richtung erzeugt, die senkrecht zu der ersten (x) Richtung ist; und
eine Mess-Elektrode (50), die der Schwingungs vorrichtung (31) gegenüberliegt, wobei aufgrund der Mess-Schwingung eine Änderung der Kapazität zwischen der Schwingungsvorrichtung (31) und der Mess-Elektrode (50) erzeugt wird, wenn auf den Sensor, während die Schwingungsvorrichtung (31) eine Erreger-Schwingung ausführt, eine Winkel geschwindigkeit übertragen wird, und die Mess- Elektrode (50) gestattet die Messung der Änderung der Kapazität, wobei eine Höhe des Verstimmungs maßes α durch fd/fs ausgedrückt wird, worin fd eine Resonanz-Frequenz der Erreger-Schwingung und fs eine Resonanz-Frequenz der Mess-Schwingung ist, und ein Term Qs, der durch (m.k)^1/2/c ausgedrückt wird, worin m die Masse der Schwingungsvorrichtung (31) und k die Federkonstante der Federmittel (33, 34) bei der Mess-Schwingung ist, und c ein Dämpfungs koeffizient der Schwingungsvorrichtung (31) bei der Mess-Schwingung ist, der durch den folgenden Aus druck ausgedrückten Beziehung genügen:
α⁴ - (2 + 100/Qs²) × α² + 1 ≧ 0.

3. Winkelgeschwindigkeits-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mess-Elektrode (50) mehrere Vorsprünge aufweist und die Schwingungsvorrichtung (31) mehrere Vorsprünge (36) aufweist, und die Vorsprünge der Mess-Elektrode den Vorsprüngen der Schwingungsvor richtung (31) gegenüberliegen und mit den Vorsprüngen der Schwingungsvorrichtung (31) verzahnt sind.

4. Winkelgeschwindigkeits-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Basis (20), die Feder mittel (33, 34), die Schwingungsvorrichtung (31) und die Mess-Elektrode (50) aus einem Halbleitermaterial gefertigt sind.