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    EineWinkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung enthält einen Schalter (S1) zumAuswählen einesersten oder zweiten Ansteuerungssignals, die entgegengesetzte Phasenaufweisen und Ansteuerungselektroden (D1, D2) zugeführt werden,um einen Gewichtsteil in einer ersten Richtung in Schwingung zuversetzen. Eine Addierschaltung (29) stellt die Amplitude des ausgewählten Ansteuerungssignalsein und addiert sie zu einem Überwachungssignal,welches den Schwingungszustand des Gewichtsanteils wiedergibt. Einein dem Ausgangssignal der Addierschaltung (29) erscheinende Rauschsignalkomponentewird auf ein Minimum eingestellt, und das Ausgangssignal wird alsein Rückführungssignaldem Eigenschwingkreis (27) zugeführt,um den Einfluß desRauschsignals zu reduzieren.
    公开号:DE102004014920A1
    申请号:DE102004014920
    申请日:2004-03-26
    公开日:2004-11-11
    发明作者:Hajime Kariya Ito
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01C19-56
    专利说明:
    [0001] DieseErfindung bezieht sich auf eine Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung,welche Rauschsignale aus verzerrenden Sensormessungen wirksam reduziert.
    [0002] Einelektrostatisch betriebener Winkelgeschwindigkeitssensor vom Typeiner Erfassung einer statischen Kapazität enthält herkömmlicherweise einen Gewichtsteil(oder einen Oszillator), der auf einem Halbleitersubstrat angeordnetist. Der Gewichtsteil ist auf dem Halbleitersubstrat ausgebildetund ist in der Lage, in zueinander senkrechten ersten und zweitenRichtungen zu schwingen. Der Winkelgeschwindigkeitssensor enthält auchAnsteuerungselektroden zum Empfangen eines Ansteuerungssignals,um den Gewichtsteil periodisch in der ersten Richtung in Schwingungzu versetzen, Überwachungselektrodenzum Überwachenvon Änderungeneiner statischen Kapazitätauf der Grundlage der Schwingung des Gewichtsteils in der erstenRichtung, und Erfassungselektroden zum Erfassen von Änderungeneiner statischen Kapazität,die sich aus einer Schwingung des Gewichtsteils in der zweiten Richtungergeben. Die Änderungender statischen Kapazitätwerden durch eine Coriolis-Kraft hervorgerufen, welche entsteht,wenn zusätzlichzu der Schwingung in der ersten Richtung ferner eine Winkelgeschwindigkeitum eine Achse senkrecht zu der ersten und der zweiten Richtung wirkt.
    [0003] 6 zeigt eine Draufsichteines Winkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik, wieer in JP-A-2002-162228(Patentdokument 1) und JP-A-2002-267450 (Patentdokument 2) offenbartist. 7 zeigt eine Schnittansichtdes Sensors entlang einer Linie VII-VII in 6. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor 1 istdurch eine bekannte Halbleiterfertigungstechnologie unter Verwendungeines SOI-(Silicon on Insulator)-Substrats 5 einer durch Ausbildeneines Oxidfilms 3 auf der Oberfläche eines ersten Siliziumsubstrats 2 undBefestigen eines zweiten Siliziumsubstrats 4 auf diesemOxidfilm 3 hergestellten Struktur hergestellt. Durch Schlitze 9,die in dem zweiten Siliziumsubstrat 4, welches eine Oberseitebildet, ausgebildet sind, sind verschiedene Teile ausgebildet. Oberhalbeiner Öffnung 10,welche durch teilweises Entfernen des Oxidfilms 3 und des erstenSiliziumsubstrats 2, die das zweite Siliziumsubstrat 4 unterstützen, ausgebildetist, ist ein Gewichtsteil 8 angeordnet.
    [0004] DerGewichtsteil 8 wird auf einem Grundteil 7, welcherden Gewichtsteil 8 umgibt, durch Ansteuerungsbalken 14a bis 14d,welche zu einer Federverformung in einer ersten Richtung (nachstehenddie Richtung X genannt) fähigsind, und Erfassungsbalken 13a bis 13d, welchezu einer Federverformung in einer zweiten Richtung (nachstehenddie Richtung Y genannt) in der Lage sind, unterstützt. Kammartige Elektrodenteile,die nachstehend diskutiert werden, sind dort ausgebildet, wo derRand des Gewichtsteils 8 und der Grundteil 7 einandergegenüberstehen.
    [0005] Dasheißt,es sind Ansteuerungselektroden 15a, 15b zum Empfangenvon Ansteuerungssignalen, Überwachungselektroden 20a bis 20d zum Überwacheneiner angesteuerten Schwingung des Gewichtsteils 8 in derRichtung X und Überwachen dieserals Überwachungssignale,sowie Erfas sungselektroden 17a, 17b zum Erfasseneiner Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung Yals Erfassungssignale, welche auftreten, wenn eine Winkelgeschwindigkeit ω um einezu den Richtungen X und Y senkrechte Achse Z wirkt, ausgebildet.Ebenso sind Anschlußfleckenbzw. Lötaugen 23a, 23b, 19a, 19b und 22a bis 22d zumDrahtbonden jeweils auf den Elektroden 15a, 15b, 17a, 17b und 20a bis 20d ausgebildet.
    [0006] Beidiesem Winkelgeschwindigkeitssensor 1, der in 6 gezeigt ist, schwingtder Gewichtsteil 8 dann, wenn die Ansteuerungselektroden 15a, 15b Ansteuerungssignalewie etwa beispielsweise sinusförmigeWellen empfangen, reaktiv in der Richtung X auf den Ansteuerungsbalken 14a bis 14d.Zu dieser Zeit ändernsich die statischen Kapazitätenzwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d unddem Gewichtsteil 8. Aus dieser Änderung werden die Amplitudeund die Phase der Schwingung des Gewichtsteils 8 erfaßt. DieAnsteuerungssignale werden durch eine Steuerschaltung (nicht näher dargestellt)eingestellt.
    [0007] Wennzusätzlichzu der Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung Xeine Winkelgeschwindigkeit ω umdie Achse Z wirkt, entsteht eine Coriolis-Kraft in dem Gewichtsteil 8 inder Richtung Y und schwingt der Gewichtsteil 8 in der RichtungY auf den Erfassungsbalken 13a bis 13d. Als einErgebnis der Schwingung in der Richtung Y treten Änderungenin den statischen Kapazitätenzwischen den Erfassungselektroden 17a, 17b unddem Gewichtsteil 8 auf. Der Wert der aufgebrachten Winkelgeschwindigkeit ω wird durchErfassen der Beträgedieser Änderungenerhalten.
    [0008] Nunwerden bei einem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 der in 6 gezeigten Art die in dem zweitenSiliziumsubstrat 4 ausgebildeten Elektroden auf dem Oxidfilm 3 aufdem ersten Siliziumsubstrat 2 unterstützt, wie in 8 dargestellt. 8 ist eine schematische Schnittansicht,welche darstellt, wie die Elektroden unterstützt werden.
    [0009] Demzufolgeentsteht, wie es in 8 miteiner gestrichelten Linie gezeigt ist, eine Kopplung zwischen denAnsteuerungselektroden 15, 15b und den anderenElektroden aufgrund einer parasitären Kapazität Cp10, die zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b unddem ersten Siliziumsubstrat 2 ausgebildet ist, und einerparasitärenKapazität Cp20,die zwischen den Ansteuerungselektroden 20a bis 20d unddem ersten Siliziumsubstrat 2 sowie zwischen den Erfassungselektroden 17a, 17b und demersten Siliziumsubstrat 2 ausgebildet ist.
    [0010] Wenndiese Art einer Kopplung vorliegt, werden Rauschsignale, die durchdie Ansteuerungssignale verursacht werden, den durch die Überwachungselektroden 20a bis 20d erzeugten Überwachungssignalenund den durch die Erfassungselektroden 17a, 17b erzeugtenErfassungssignalen aufgeprägtbzw. auferlegt. Da diese Rauschsignale im Vergleich mit den Überwachungssignalenund den Erfassungssignalen sehr groß sind, tritt das Problem auf,daß esnicht möglichist, die Überwachungsssignaleund Erfassungssignale, welche durch die tatsächliche Schwingung des Gewichtsteils 8 erzeugt werden,akkurat zu erfassen.
    [0011] Alsein Verfahren zum Reduzieren des Einflusses eines solchen Rauschensder Ansteuerungssignale sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden.Als eines von diesen ist in Patentdokument 1 ein Verfahrenvorgeschlagen worden, bei welchem, wie in 6 gezeigt, Blindelektroden 34a–34d in demzweiten Siliziumsubstrat 4 zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b ausgebildetsind und in welchen statische Kapazitäten ausgebildet sind, welchedie gleichen wie die zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b undden Überwachungselektroden 20a bis 20d undden Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildetenparasitärenKapazitäten sind.Rauschsignale aus den Ansteuerungssignalen, welche in die Überwachungsssignaleund die Erfassungssignale eintreten, werden durch Signale aus diesenBlindelektroden 34a bis 34d ausgelöscht.
    [0012] Einanderes Verfahren ist in Patentdokument 2 vorgeschlagenworden, welches auch in 6 gezeigtist, in welchem gegenphasige Signalelektroden 35a bis 35d zumEmpfangen von Signalen, welche Phasen aufweisen, die denen der Ansteuerungssignaleentgegengesetzt sind, zusätzlichin dem zweiten Siliziumsubstrat 4 in der Nähe der Ansteuerungselektroden 15a, 15b ausgebildetsind. Rauschsignale, welche in die Überwachungsssignale und dieErfassungssignale eintreten, werden durch Signale aus diesen gegenphasigenSignalelektroden 35a bis 35d ausgelöscht.
    [0013] InJP-A-2002-188924 (Patentdokument 3) ist ein Verfahren vorgeschlagenworden, wobei, um ein durch Induktion, welche von Verbindungen naheden Elektroden herrührt,verursachtes Rauschen zu verhindern, elektrisch abschirmende Verbindungenzwischen den Verbindungen zu den Ansteuerungselektroden 15a, 15b undden Verbindungen zu den Überwachungselektroden 20a bis 20d undden Erfassungselektroden 17a, 17b hinzugefügt sind.
    [0014] Obwohldie vorstehend beschriebenen Verfahren eine gewisse Reduktion inder von den Rauschsignalen herrührendenStörungbereitstellen, stellen sie keine vollständige Lösung bereit. So ist es insbesondereeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Erhöhung der Genauigkeit einerErfassung einer Winkelgeschwindigkeit Rauschsignale, welche in die Überwachungselektrodeneindringen bzw. eintreten, auszulöschen und dadurch sicher zureduzieren. Der Grund fürdie Konzentration auf die in die Überwachungselektroden eintretendenRauschsignale liegt darin, daß eineSicherstellung der Genauigkeit der Erfassung der Winkelgeschwindigkeiterfordert, daß derGewichtsteil stabil mit einer konstanten Amplitude bei seiner Resonanzfrequenzschwingt. Selbst wenn die Rauschsignale, welche die Erfassungselektrodenbeeinträchtigen,reduziert werden, kann, falls die Schwingung des Gewichtsteils aufgrundder die ÜberwachungsssignalebeeinträchtigendenRauschsignale instabil ist, keine hohe Erfassungsgenauigkeit erzieltwerden.
    [0015] Fernergibt es dann, wenn die Amplitude des Rauschsignals im Vergleichmit den wahren Überwachungssignalen,d.h. den durch die Schwingung des Gewichtsteil in der Richtung Xerzeugten Signalen, groß ist,ein verheerendes Risiko, daß dieEigenresonanz nicht auftritt und die Vorrichtung daher nicht als einWinkelgeschwindigkeitssensor funktioniert.
    [0016] EineSensorvorrichtung gemäß einemersten Gesichtspunkt enthälteinen Winkelgeschwindigkeitssensor, der auf einem Oxidfilm auf einerersten Halbleiterschicht befestigt ist, eine zweite Halbleiterschicht,in welcher ein Gewichtsteil zum Schwingen in einer ersten Richtung(Richtung X) und einer zu dieser ersten Richtung senkrechten zweitenRichtung (Richtung Y) ausgebildet ist, ein Paar von Erfassungselektrodenzum Anlegen von Ansteuerungsspannungen, um den Gewichtsteil in derersten Richtung in Schwingung zu versetzen, ein Paar von Überwachungselektrodenzum Überwachender Schwingung des Ge wichtsteils in der ersten Richtung und Erfassungselektrodenzum Erfassen einer Schwingung des Gewichtsteil in der zweiten Richtung,welche dann auftritt, wenn zusätzlichzu der Schwingung in der ersten Richtung eine Winkelgeschwindigkeit umeine zu der ersten und der zweiten Richtung senkrechten Achse (AchseZ) wirkt. Die Sensorvorrichtung enthält auch einen Eigenschwingkreiszum Erzeugen von ersten und zweiten Ansteuerungsspannungen, diezueinander entgegengesetzte Phasen aufweisen, um an das Paar derAnsteuerungselektroden angelegt zu werden, ein Paar von C/V-Wandlerschaltungen,um Kondensatoren, die durch die Überwachungselektrodenund den Gewichtsteil ausgebildet sind, eine vorbestimmte Gleichspannungaufzuerlegen, um Ströme,welche demzufolge fließen,zu erfassen und Spannungen proportional zu den statischen Kapazitäten derKondensatoren zu erzeugen, und eine Differentialverstärkerschaltungzum Erhalten der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungender C/V-Wandlerschaltungen und Anlegen dieser an den Eigenschwingkreisals eine RückführungsspannungVf.
    [0017] DieSensorvorrichtung enthältauch einen Schalter, um entweder das erste oder das zweite Ansteuerungssignalauszuwählen,und eine Addierschaltung, um die Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungsssignaleseinzustellen und sie der durch die Differentialverstärkerschaltung ausgegebenenSpannungsdifferenz hinzuzuaddieren. Ein Ausgangssignal der Addierschaltungwird dem Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal zugeführt.
    [0018] Wenndie Kippauswahl des Schalters und die Amplitude des mit dem SchalterausgewähltenAussteuerungssignals durch ein Einstellverfahren gemäß einemzweiten Gesichtspunkt der Erfindung, der nachstehend dargelegt ist,eingestellt werden, kann der Einfluß der Rauschsignale, die ausden Ansteuerungselektroden in die Überwachungselek troden eindringen,auf einem Minimum gehalten werden und kann bewirkt werden, daß der Gewichtsteilstabil in der ersten Richtung schwingt.
    [0019] Einzweiter Gesichtspunkt der Erfindung stellt ein Einstellverfahreneiner Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung zum Einstellen derAuswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals mit dem Schalterund der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten und in die Addierschaltungeingegebenen Ansteuerungssignals in einer Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtunggemäß dem ersten Gesichtspunktder Erfindung bereit. Das Verfahren enthält ein Eingeben des Ausgangssignalsder Addierschaltung als ein Meßsignalund eines des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals als einBezugssignal in einen Lock-in-Verstärker, einZuführen einesWechselstromsignals einer Frequenz abseits der Resonanzfrequenzdes Gewichtsteils an die Ansteuerungselektroden mittels eines denEigenschwingkreis vertretenden Signalgenerators, und in diesem Zustandein Einstellen der Auswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignalsmit dem Schalter und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignalsund Eingeben desselben in die Addierschaltung, so daß der Absolutwertder ausgegebenen Gleichspannung des Lock-in-Verstärkers minimiertwird, und danach ein Entfernen des Signalgenerators und des Lock-in-Verstärkers undAnlegen der Ausgangsspannung der Addierschaltung an den Eigenschwingkreisals ein Rückführungssignal,und ein Beginnen einer Messung der Winkelgeschwindigkeit.
    [0020] Fallseine Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung durch dieses Einstellverfahreneingestellt wird, kann der Einfluß von Rauschsignalen, welche ausden Ansteuerungselektroden in die Überwachungselektroden eintreten,auf einem Minimum gehalten werden, und kann be wirkt werden, daß der Gewichtsteilstabil in der ersten Richtung schwingt.
    [0021] Dievorgenannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegendenErfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung, diemit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erstellt wurde, ersichtlicherwerden. In den Zeichnungen:
    [0022] ist 1 ein Schaltbild einer Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtunggemäß einerbevorzugten Ausführungsform;
    [0023] ist 2 eine Draufsicht einesWinkelgeschwindigkeitssensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
    [0024] ist 3 ein Schaltbild einer C/V-Wandlerschaltung;
    [0025] ist 4 ein Schaltbild einer C/V-Wandlerschaltungeinschließlichder Wirkungen von Rauschsignalen;
    [0026] ist 5 ein Schaltbild der Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtunggemäß eineranderen Ausführungsform,in welcher eine Einstellung unter Verwendung eines Signalgeneratorsausgeführtwird;
    [0027] ist 6 eine Draufsicht einesWinkelgeschwindigkeitssensors nach dem Stand der Technik;
    [0028] ist 7 eine Querschnittsansichtentlang einer Linie VII-VII von 2 und 6; und
    [0029] ist 8 eine schematische Ansicht,welche unterhalb von Elektroden aufgebaute Kondensatoren darstellt.
    [0030] Eineelektrostatisch betriebene Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtungvom Typ einer Erfassung einer statischen Kapazität gemäß einer bevorzugten Ausführungsformder Erfindung wird nun mit Bezug auf 1–5 und 7 beschrieben werden. Die Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtungumfaßteinen elektrostatisch betriebenen Winkelgeschwindigkeitssensor vomTyp einer Erfassung einer statischen Kapazität (Winkelgeschwindigkeitssensor)und Steuerschaltungen wie etwa eine Sensoransteuerungsschaltungund eine Signalverarbeitungsschaltung. 2 ist eine Draufsicht eines Beispiels diesesWinkelgeschwindigkeitssensors, und 7 isteine Querschnittsansicht entlang einer Linie VII-VII in 2.
    [0031] MitBezug auf 7 ist einWinkelgeschwindigkeitssensor 1 unter Verwendung eines SOI-Substrats 5,welches aus einem Oxidfilm 3 auf der Oberfläche einesersten Siliziumsubstrats 2 und einem an dem Oxidfilm 3 befestigtenzweiten Siliziumsubstrat 4 besteht, ausgebildet. Das SOI-Substrat 5 istmittels eines Klebstoffs oder dergleichen an einem Schaltungschip 6 befestigt,auf welchem Steuerschaltungen wie etwa eine Ansteuerungsschaltungund eine Signalverarbeitungsschaltung ausgebildet sind.
    [0032] Daszweite Siliziumsubstrat 4 ist durch Schlitze 9,welche durch Ätzenausgebildet sind, in einen randseitigen rahmenartigen Grundteil 7 undeinen innerhalb des Grundteils 7 angeordneten Gewichtsteil 8 unterteilt.Die zwei Abschnitte sind jedoch nicht getrennt, sondern sind durchBalkenteile verbunden, wie nachstehend diskutiert. Hierbei sindder Oxidfilm 3 und das erste Siliziumsubstrat 2,welche unterhalb des inneren Gewichtsteils 8 gelegen sind, entfernt,um eine Öffnung 10 auszubilden.
    [0033] Der äußere Grundteil 7 wirddurch den Oxidfilm 3 auf dem ersten Siliziumsubstrat 2 andem Kantenteil dieser Öffnung 10 unterstützt.
    [0034] DerGewichtsteil 8 ist in einen im wesentlichen rechteckigenersten beweglichen Teil 11, der in der Mitte des zweitenSiliziumsubstrats 4 angeordnet ist, und säulenförmige zweitebewegliche Teile 12a, 12b, die auf beiden Seitendes ersten beweglichen Teils 11 in einer Richtung X (ersteRichtung) vorgesehen sind, unterteilt. Mit Bezug auf 2 ist in dem Gewichtsteil 8 dererste bewegliche Teil 11 durch Erfassungsbalken 13a bis 13d mitden zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b verbundenund sind die zweiten beweglichen Teile 12a, 12b durchAnsteuerungsbalken 14a bis 14d, welche jeweilseine näherungsweiseU-Form ausbilden, mit dem Grundteil 7 verbunden.
    [0035] Hierbeisind die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d im wesentlichennur in der Richtung X frei und kann auf diesen Ansteuerungsbalken 14a bis 14d der gesamteGrundteil in der Richtung X schwingen. Die Erfassungsbalken 13a bis 13d sindim wesentlichen nur in einer Richtung Y (zweite Richtung) frei,und auf diesen Erfassungsbalken 13a bis 13d kannder erste bewegliche Teil 11 des Gewichtsteils 8 inder Richtung Y schwingen.
    [0036] KammartigeAnsteuerungselektroden 15a, 15b, welche auf demKantenteil der Öffnung 10 unterstützt sind,sind in dem zweiten Siliziumsubstrat 4 an den in RichtungX äußeren Seitender zweiten beweglichen Teile 12a, 12b ausgebildet.Die kammartigen Ansteuerungselektroden 15a, 15b sindso angeordnet, daß sieKammteilen (Ansteuerungs-Kammteilen) 16a und 16b,die von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aushervorragen, so gegenüberstehen,daß diejeweiligen Kämmeineinandergreifen. Ansteuerungssi gnale zum Bewirken einer Schwingungdes gesamten Gewichtsteils 8 in der Richtung X werden,wie nachstehend weiter diskutiert werden wird, den Ansteuerungselektroden 15a, 15b zugeführt. Aufden Ansteuerungselektroden 15a, 15b sind Anschlußfleckenbzw. Lötaugen(Ansteuerungselektrodenanschlußflecken) 23a, 23b zurelektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichenmit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungenaufgebaut sind, aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet.
    [0037] Indem zweiten Siliziumsubstrat 4 sind an den Enden in derRichtung Y des ersten beweglichen Teils 11 kammartige Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildet,welche auf dem Kantenteil der Öffnung 10 unterstützt werden.In Teilen des ersten beweglichen Teils 11 des Gewichtsteils 8,die den Erfassungselektroden 17a, 17b gegenüberstehen,sind hervorstehende Kammteile (Erfassungs-Kammteile) 18a bis 18d ausgebildet.Die Erfassungs-Kammteile 18a bis 18d sind so angeordnet,daß sieden Erfassungselektroden 17a, 17b gegenüberstehenund mit diesen ineinandergreifen.
    [0038] Wenndie Erfassungselektroden 17a, 17b und der Gewichtsteil 8 angesteuertwerden, um in der Richtung der Achse X zu schwingen, und eine Winkelgeschwindigkeit ω um einezu der Achse X und der Achse Y orthogonale Achse Z an den Winkelgeschwindigkeitssensor 1 angelegtwird, wirkt eine Coriolis-Kraft auf den ersten beweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 inder Richtung der Achse Y und entsteht eine Schwingung in RichtungY in dem Gewichtsteil 8. Die Erfassungselektroden 17a, 17b sind Elektrodenzur Erfassung dieser Schwingung in Richtung Y als Abweichungen bzw. Änderungenin den statischen Kapazitätenvon Kondensatoren, die durch die Erfassungselektroden 17a, 17b undden ersten beweglichen Teil 11 ausgebildet sind. Lötaugen (Erfassungselektrodenanschlußflecken) 19a und 19b zurelektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichenmit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungenaufgebaut sind, sind aus Aluminium oder dergleichen auf den Erfassungselektroden 17a, 17b ausgebildet.
    [0039] Indem zweiten Siliziumsubstrat 4 sind an den in RichtungX äußeren Seitender zweiten beweglichen Teile 12 kammartige Überwachungselektroden 20a bis 20d ausgebildet,welche auf dem Kantenteil der Öffnung 10 unterstützt werden.Die Überwachungselektroden 20a bis 20d sindso angeordnet, daß sieKammteilen (Überwachungs-Kammteilen) 24a bis 24d,welche von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aushervorragen, gegenüberliegen,um mit diesen ineinanderzugreifen.
    [0040] Diese Überwachungselektroden 20a bis 20d sindElektroden zur Erfassung einer Schwingung des Gewichtsteils 8 inder Richtung X als Änderungenin den statischen Kapazitätenvon Kondensatoren, die durch die Überwachungselektroden 20a bis 20d und diezweiten beweglichen Teile 12a, 12b ausgebildet sind.Auf den Überwachungselektroden 20a bis 20d sindLötaugen(Überwachungselektrodenanschlußflecken) 22a bis 22d zurelektrischen Verbindung derselben durch Drahtbonden oder dergleichenmit dem Schaltungschip 6, auf welchem die Steuerungsschaltungenaufgebaut sind, aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet.
    [0041] DieAnsteuerungselektroden 15a, 15b, die Erfassungselektroden 17a, 17b,die Überwachungselektroden 20a bis 20d undder Gewichtsteil 8, die vorstehend beschrieben wurden,sind alle durch Schlitze 9 getrennt und sind elektrischvoneinander isoliert.
    [0042] Beidiesem Winkelgeschwindigkeitssensor 1 wird an den Ansteuerungselektroden 15a, 15b über dieAnsteuerungselektrodenanschlußflecken 23a und 23b einesich periodisch änderndeAnsteuerungsspannung (eine Wechselspannung einer Sinuswelle oderRechteckwelle) erfaßtund werden zwischen den Ansteuerungs-Kammteilen 16a, 16b und denAnsteuerungselektroden 15a, 15b elektrostatischeKräftereaktiv bzw. im Ansprechen hierauf erzeugt. Den Ansteuerungselektroden 15a, 15b werdenAnsteuerungssignale zugeführt,deren Phasen einander entgegengesetzt sind. Wenn die elektrostatischenKräfteentstehen, wirken die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d alsFedern und schwingt der gesamte Gewichtsteil 8 in der RichtungX.
    [0043] Wenndie Schwingung beginnt, ändernsich die statischen Kapazitätenzwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d undden Überwachungs-Kammteilen 24a–24d,und durch Erfassen dieser Änderungist es möglich,die Schwingungsfrequenz, -amplitude und -phase des Gewichtsteils 8 zu überwachen.Ein durch diese Überwachungerhaltenes Signal wird als ein Rückführungssignalan einen nachstehend weiter diskutierten Eigenschwingkreis, welcherdie Ansteuerungssignale erzeugt, eingegeben. Hierdurch wird dieSchwingungsfrequenz des Eigenschwingkreises 27 automatischauf die Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 reguliertund eine stabile Schwingung des Gewichtsteils 8 bewirkt.
    [0044] Wenndieser Schwingung des Gewichtsteils 8 in der Richtung Xeine Winkelgeschwindigkeit ω um dieAchse Z hinzugefügtwird, wirkt auf den Gewichtsteil 8 eine Coriolis-Kraftin Richtung Y, welche der Schwingungsgeschwindigkeit in RichtungX proportional ist, und schwingt der erste bewegliche Teil 11 desGewichtsteils 8 in der Richtung Y, wobei die Erfassungsbalken 13a bis 13d alsFedern wirken. Wenn der erste bewegliche Teil 11 in derRichtung Y schwingt, ändernsich die statischen Kapazitätenzwischen den Erfassungselektroden 17a bis 17d und denErfassungs-Kammteilen 18a bis 18d. Daher kanndurch Erfassen dieser Änderungenin der statischen Kapazitätmit der Erfassungsschaltung auf dem Schaltungschip 6 dieGröße der hinzugefügten Winkelgeschwindigkeit ω erhaltenwerden.
    [0045] Hierbeiwerden in dieser bevorzugten Ausführungsform eine neuartige Überwachungssignalverarbeitungsschaltungund ein Regelungsverfahren hiervon der nachstehend beschriebenenArt eingesetzt, und dieser Schaltungsaufbau und dieses Regelungsverfahrenwerden nachstehend mit Bezug auf 1 und 3–5 beschrieben. 1 zeigt die Ersatzschaltungder Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung, wenn der Gewichtsteil 8 von 1 inder Richtung X in Schwingung versetzt wird.
    [0046] DieBezugsziffer 25 in 1 bezeichneteine elektrische Ersatzschaltung des Winkelgeschwindigkeitssensors 1.In dieser elektrischen Ersatzschaltung 25 sind nur Teilegezeigt, die sich auf die Schwingungsansteuerung des Gewichtsteils 8 inder Richtung X und die Überwachungdieser Schwingung beziehen, und sind Teile, die sich auf die Erfassung einerSchwingung in Richtung Y beziehen, weggelassen worden. Die anderenSchaltungsteile als die elektrische Ersatzschaltung 25 in 1 sind eine Steuerungsschaltungsanordnungdes Winkelgeschwindigkeitssensors 1 und sind auf dem Schaltungschip 6 aufgebaut.Eine Erfassungsschaltung einer Schwingung in Richtung Y ist jedochweggelassen worden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur eineSchwingungsüberwachungssignalverarbeitungsschaltungin Richtung X 26 und der Eigenschwingkreis 27 zumErzeugen der Ansteuerungssignale, um den Gewichtsteil 8 inder Richtung X in Schwingung zu versetzen, gezeigt.
    [0047] Zuerstwird nachstehend die elektrische Ersatzschaltung 25 desWinkelgeschwindigkeitssensors 1 erläutert. Ein VerbindungsknotenD1 (nachstehend: Ansteuerungselektrode D1) in der elektrischen Ersatzschaltung 25 istder in 2 beschriebenen Ansteuerungselektrode 15a äquivalent,und ein Verbindungsknoten D2 (nachstehend: AnsteuerungselektrodeD2) ist der Ansteuerungselektrode 15b äquivalent. Ein VerbindungsknotenM1 (nachstehend: ÜberwachungselektrodeM1) ist den parallelgeschalteten Überwachungselektroden 20a, 20c äquivalent, undein Verbindungsknoten M2 (nachstehend: Überwachungselektrode M2) istden parallelgeschalteten Überwachungselektroden 20b, 20d äquivalent.Diese Parallelschaltungen sind auf dem Schaltungschip 6 hergestellt.Ein Verbindungsknoten N1 ist dem Gewichtsteil 8 äquivalent,und ein Verbindungsknoten N2 ist dem ersten Siliziumsubstrat 2 äquivalent.
    [0048] Wievorstehend erläutert,sind die Ansteuerungselektroden 15a, 15b und diezweiten beweglichen Teile 12a, 12b, die durchdie Erfassungsbalken 13a–13d mitdem ersten beweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 verbundensind, durch die Schlitze 9 getrennt und elektrisch isoliert.Die kammartigen Ansteuerungselektroden 15a, 15b sindso angeordnet, daß sieden Kammteilen (Ansteuerungs-Kammteilen) 16a und 16b,die von den zweiten beweglichen Teilen 12a, 12b aushervorragen, so gegenüberstehen,daß diejeweiligen Kämmeineinandergreifen. Demzufolge bilden die Ansteuerungselektroden 15a, 15b und diezweiten beweglichen Teile 12a, 12b Kondensatorenaus, welche die Luft in den Schlitzen 9 als ihr Dielektrikumaufweisen.
    [0049] Diezweiten beweglichen Teile 12a, 12b sind durchdie Erfassungsbalken 13a bis 13d mit dem erstenbeweglichen Teil 11 des Gewichtsteils 8 elektrisch verbunden.Sie sind auch durch die Ansteuerungsbalken 14a bis 14d mit demrahmenartigen Grundteil 7 elektrisch verbunden. Demgemäß liegenauch zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b und demGewichtsteil 8 Kapazitätenvor. Die Bezugszeichen Cd1, Cd2 in der elektrischen Ersatzschaltung 25 bezeichnendiese Kapazitäten.Der Kondensator Cd1 repräsentiertdie Kapazitätzwischen der Ansteuerungselektrode 15a und dem Gewichtsteil 8,und der Kondensator Cd2 repräsentiertdie Kapazitätzwischen der Ansteuerungselektrode 15b und dem Gewichtsteil 8.Wie vorstehend erwähnt,repräsentiert derVerbindungsknoten N1 den Gewichtsteil 8.
    [0050] Gleichermaßen liegenzwischen den Überwachungselektroden 20a bis 20d unddem Gewichtsteil 8 Kapazitäten vor. Das BezugszeichenCm1 in der elektrischen Ersatzschaltung 25 repräsentiertdie Kapazitätdes Kondensators zwischen den Überwachungselektroden 20a, 20c unddem Gewichtsteil 8, die parallel geschaltet sind. Gleichermaßen repräsentiertCm2 die Kapazitätdes Kondensators zwischen den Überwachungselektroden 20b, 20d und demGewichtsteil 8, die parallel geschaltet sind. Wenn derGewichtsteil 8 in der Richtung X schwingt, ändern sichdie Spalte in Richtung X der Schlitze 9, die die zwei Seitentrennen, und ändernsich die Werte der statischen Kapazitäten Cm1 und Cm2. Daher istes durch Erfassen dieser Änderungmöglich,den Schwingungszustand des Gewichtsteils 8 in der RichtungX festzustellen.
    [0051] Desweiteren ist, wie vorstehend erwähnt, derWinkelgeschwindigkeitssensor 1 unter Verwendung eines SOI-Substrats 5 hergestellt,wobei ein Oxidfilm 3 zwischen dem ersten Siliziumsubstrat 2 unddem zweiten Siliziumsubstrat 4 angeordnet ist (siehe 7). Der Oxidfilm 3 istein Dielektrikum, und das erste und das zweite Siliziumsubstrat 2 und 4 sindLeiter. Daher bilden das erste Siliziumsubstrat 2 und dieElektroden, die durch Bearbei ten des zweiten Siliziumsubstrats 4 hergestelltsind, Parallelplattenkondensatoren aus, die den Oxidfilm 3 alsihr Dielektrikum aufweisen, wie in 8 gezeigt.
    [0052] Diein der elektrischen Ersatzschaltung 25 des Winkelgeschwindigkeitssensors 1 von 1 gezeigten KondensatorenCp1 bis Cp4 repräsentieren dieseKondensatoren. Das heißt,Cp1 repräsentiert dendurch die Ansteuerungselektrode D1 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildetenKondensator, Cp2 den durch die Ansteuerungselektrode D2 und daserste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator, Cp3den durch die ÜberwachungselektrodeM1 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator,und Cp4 den durch die ÜberwachungselektrodenM2 und das erste Siliziumsubstrat 2 ausgebildeten Kondensator.Der Verbindungsknoten N2 repräsentiertdas erste Siliziumsubstrat 2, und das erste Siliziumsubstrat 2 istvon den anderen Teilen elektrisch isoliert.
    [0053] Alsnächsteswird die Ansteuerungsschaltung zum Ansteuern des Gewichtsteils 8 desWinkelgeschwindigkeitssensors 1 in der Richtung X beschriebenwerden. Die Ansteuerungssignale sind Wechselspannungen einer Sinuswelleoder Rechteckwelle und werden in dem Eigenschwingkreis 27, dereine bekannte Schaltung ist, erzeugt. Zwei Ausgangsanschlüsse desEigenschwingkreises 27 sind jeweils mit den AnsteuerungselektrodenD1 und D2 verbunden. Hierbei werden die durch die AnsteuerungselektrodenD1, D2 empfangenen Ansteuerungsspannungen als erste Ansteuerungsspannung Vd1bzw. eine zweite Ansteuerungsspannung Vd2 bezeichnet werden. DasPotential des Verbindungsknotens N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht,wird als Vee bezeichnet werden. Um die Ansteuerungskräfte, diedurch die Ansteuerungssignale erzeugt werden, zu verstärken, undzur C/V-Umwandlung, was nachstehend weiter diskutiert werden wird,wird der Wert von Vee auf einem bestimmten Gleichspannungspotentialgehalten. Die Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2 sind Spannungen gleicherAmplitude mit dem Potential dieses Verbindungsknotens als dem Bezug,unterscheiden sich aber in der Phase um 180° Grad (d.h. ihre Phasen sindentgegengesetzt). Demgemäß werdenan den Kondensatoren Cd1 und Cd2 Wechselspannungen entgegengesetzterPhase, aber gleicher Amplitude empfangen.
    [0054] Wenndiese gegenphasigen Wechselspannungen über die AnsteuerungselektrodenD1, D2 empfangen werden, entstehen zwischen den Ansteuerungselektroden 15a, 15b undden Ansteuerungs-Kammteilen 16a, 16b elektrostatischeKräfte undschwingt der Gewichtsteil 8 in der Richtung X auf den Ansteuerungsbalken 14a bis 14d alsFedern.
    [0055] Wennder Gewichtsteil 8 in der Richtung X schwingt, ändern sichauch die statischen Kapazitätender Kondensatoren Cm1, Cm2 zwischen den Überwachungselektroden M1, M2und dem Verbindungsknoten N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht. Diese Änderungenin den KapazitätenCm1, Cm2 weisen entgegengesetzte Phasen auf, d.h. sind zueinanderum 180° versetzt.
    [0056] DieDifferenz in den statischen Kapazitäten der Kondensatoren Cm1 undCm2 wird durch die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 in eineSpannung Vf umgewandelt, was nachstehend als nächstes beschrieben wird, unddem Eigenschwingkreis 27 zurückgeführt. Wenn der Eigenschwingkreis 27 dieseRückführungsspannungVf empfängt,verschiebt er seine Phase um 90°,um die Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2 als Ausgänge zu erzeugen. Die erzeugtenSpannungen werden an den Ansteuerungselektroden D1, D2 des Winkelgeschwindigkeitssensorsempfangen. Die durch den Winkelgeschwindigkeitssensor, die Überwachungssignalerfassungsschaltung 26 undden Eigenschwingkreis 27 ausgebildete geschlossene Schleife verstärkt nureine Resonanzfrequenzkomponente und schwingt selbsttätig beider Resonanzfrequenz.
    [0057] DerGrund dafür,daß derGewichtsteil 8 durch Verwendung des Eigenschwingkreises 27 zur Erzeugungvon an die Ansteuerungselektroden D1, D2 anzulegende Wechselspannungenbei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt wird, liegt darin,den Gewichtsteil 8 mit einer geringen Energie mit einergroßenAmplitude in Schwingung zu versetzen. Um eine Winkelgeschwindigkeitdurch Erfassen einer Schwingung in der Richtung Y zu erfassen, ist eserforderlich, daß dieAmplitude dieser Schwingung in Richtung X konstant ist. Um diessicherzustellen, wird die Amplitude der Rückführungsspannung Vf in dem Eigenschwingkreis 27 konstantgehalten, indem die Amplituden der Ansteuerungsspannungen in geeigneterWeise gesteuert werden.
    [0058] Alsnächsteswird die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 beschriebenwerden. Die Überwachungssignalverarbeitungsschaltung 26 ist auszwei C/V-(statische Kapazität/Spannung)-Wandlerschaltungen 31, 32,einer DifferentialverstärkerschaltungQ1 und einer Rauschkorrekturschaltung 28 hergestellt.
    [0059] DieC/V-Wandlerschaltungen 31, 32 weisen Eingangsanschlüsse auf,die jeweils mit den ÜberwachungselektrodenM1, M2 verbunden sind, und geben Spannungen aus, die den Wertender statischen KapazitätenCm1, Cm2 zwischen den ÜberwachungselektrodenM1, M2 und dem Verbindungsknoten N1, der dem Gewichtsteil 8 entspricht,proportional sind. Deren Schaltungsaufbau kann beispielsweise sosein, wie es in 3 gezeigtist. Diese Schaltung ist ein Schaltungsbeispiel, das als die C/V-Wandlerschaltung 31 derelektrischen Ersatzschaltung 25 verwendet wird.
    [0060] Dernichtinvertierende Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers Q3ist mit der ÜberwachungselektrodeM1 der elektrischen Ersatzschaltung 25 verbunden. Die Kapazität Cm1 istzwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (der Überwachungselektrode M1) unddem Verbindungsknoten N1 (dem Gewichtsteil 8) angeschlossen.Das Potential des Verbindungsknotens N1 ist das konstante GleichspannungspotentialVee, das vorstehend erwähntwurde.
    [0061] Wenndie statische Kapazitätdes Kondensators Cm1 sich zeitlich ändert, ist die AusgangsspannungVcm1 wie folgt. Hierbei wird angenommen, daß der Wert des WiderstandsR4 viel größer alsdie Impedanz des Kondensators Cf ist. Vcm1 = –(ΔCm1/Cf).VeeG1. (1)
    [0062] Dasich die Werte von Cf und Vee zeitlich nicht ändern, ist die AusgangsspannungVcm1 proportional zu der Änderung ΔCm1 der Kapazität Cm1, undihre Phase eilt ΔCm1um 180° nach.
    [0063] Wennsich der Gewichtsteil 8 in der Richtung X in Resonanz befindet,eilt seine Verschiebung in Richtung X der Ansteuerungsspannung Vd1,die an der Ansteuerungselektrode D1 empfangen wird, um 90° in der Phasenach. Daher ändertsich der Wert der KapazitätCd1 ebenfalls mit einer Phasenverzögerung um 90° hinter derAnsteuerungsspannung Vd1. Der Wert der Kapazität Cm1 ändert sich phasengleich mitder KapaziätCd1. Daher eilt aus der Beziehung von G1. (1) die AusgangsspannungVcm1 der C/V-Wandlerschaltung 31, die sich aus der Änderungin der KapazitätCm1 ergibt, der Ansteuerungsspannung Vd1 um 270° nach. Das heißt, sieliegt in der Phase um 90° vorder Ansteuerungsspannung Vd1.
    [0064] Gleichermaßen liegtdie Ausgangsspannung Vcm2 der C/V-Wandlerschaltung 32,die sich aus der Änderungin der KapazitätCm2 ergibt, in der Phase um 90° vorder Ansteuerungsspannung Vd2. Die Ansteuerungsspannung Vd2 liegtin der Phase um 180° hinterder Ansteuerungsspannung Vd1. Daher liegt die Ausgangsspannung Vcm2der C/V-Wandlerschaltung 32,die sich aus der Änderungin der KapazitätCm2 ergibt, in der Phase um 90° hinterder Ansteuerungsspannung Vd1 und ist der Ausgangsspannung Vcm1 derC/V-Wandlerschaltung 31 in der Phase entgegengesetzt.
    [0065] Hierbeiwird die Ausgangsspannung Vcm1 der C/V-Wandlerschaltung 31 inden nichtinvertierenden Eingangsanschluß der DifferentialverstärkerschaltungQ1 eingegeben und wird die Ausgangsspannung Vcm2 der C/V-Wandlerschaltung32 in den invertierenden Eingangsanschluß der DifferentialverstärkerschaltungQ1 eingegeben. Daher sind an dem Ausgangsanschluß der DifferentialverstärkerschaltungQ1 eine Änderungeiner Ausgangsspannung Vm, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm1 ergibt,und eine Änderungin der Ausgangspannung Vm, die sich aus der Änderung in der Kapazität Cm2 ergibt,zueinander phasengleich und addieren sich. Die AusgangsspannungVm, die das Ergebnis dieser Addition bildet, eilt der AnsteuerungsspannungVd1 in der Phase um 90° voraus.
    [0066] AusVorstehendem kann gesehen werden, daß, wenn das Vorliegen der Kapazitäten Cp1bis Cp4 nicht berücksichtigtwird, die Amplitude und Frequenz und der Phasenzustand des Gewichtsteils 8 mittelsder Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 festgestelltwerden.
    [0067] Dadie Ausgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 proportionalzu der Differenz zwischen den Änderungender statischen Kapazitätender Kondensatoren Cm1 und Cm2 ist, scheint es so, als ob es keineSchwierigkeit bei der Erzeugung der Ansteuerungssignale Vd1 undVd2 durch direktes Eingeben dieser Spannung in den Eigenschwingkreis 27 undVerwenden derselben als die RückführungsspannungVf zur Selbstanregung gäbe. Dadie Werte der KapazitätenCp1 bis Cp4 jedoch nicht Null sind, entsteht ein Problem, welchesnachstehend diskutiert werden wird.
    [0068] Wenndie Werte der KapazitätenCp1 bis Cp4 nicht Null sind, treten die Ansteuerunqsspannungen Vd1,Vd2, die an den Ansteuerungselektroden D1, D2 empfangen werden,durch diese Kapazitätenin die ÜberwachungselektrodenM1, M2 ein und werden den Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 der C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 Rauschsignaleauferlegt.
    [0069] Wennbeispielsweise die C/V-Wandlerschaltung 31 von 3 erneut gezeichnet wird,um ein Rauschen in die ÜberwachungselektrodeM1 zu berücksichtigen,erhältsie eine Form, wie sie in 4 gezeigtist. Aus der Ansteuerungselektrode D1 tritt unter der auferlegtenAnsteuerungsspannung Vd1 ein Rauschstrom durch einen Weg, der durchdie KapazitätenCp1, Cp2 verläuft,in die ÜberwachungselektrodeM1 ein. In diesem Fall liegt die Rauschsignalkomponente in der AusgangsspannungVc1, die von der an der Ansteuerungselektrode D1 empfangenen AnsteuerungsspannungVd1 herrührt,in der Phase um 180° hinterVd1 zurück.
    [0070] Gleichermaßen trittein Rauschstrom unter der der Ansteuerungselektrode D2 auferlegtenAnsteuerungsspannung Vd2 in die ÜberwachungselektrodeM2 ein. Die Rauschsignalkomponente in der Ausgangsspannung Vcm2,die von der Ansteuerungsspannung Vd2 herrührt, liegt in der Phase um 180° hinter Vd2.Da die Ansteuerungsspannungen Vd1 und Vd2 in der Phase um 180° getrenntsind, sind die Phasen der Rauschsignalkomponenten, die in den AusgangsspannungenVcm1, Vcm2 der C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 enthaltensind, um 180° getrennt.
    [0071] Fallsdie Phasen der in den Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 enthaltenenRauschsignalkomponenten um 180° getrenntsind, erscheinen diese zwei Rauschsignalkomponenten in zueinanderaddierter Form in der Ausgangsspannung Vm der DifferentialverstärkerschaltungQ1, da die Ausgangsspannungen Vcm1, Vcm2 in der DifferentialverstärkerschaltungQ1 eine Subtraktion durchlaufen. Die Phase dieser Rauschsignalkomponenteist um 180° vonder Phase der der Ansteuerungselektrode D1 auferlegten AnsteuerungsspannungVd1 entfernt.
    [0072] Aussolchen Gründenist die Ausgangsspannung Vm der DifferentialverstärkerschaltungQ1 in einem echten Winkelgeschwindigkeitssensor 1 eine Spannung,die aus einem wahren Überwachungssignal,welches von Schwankungen der statischen Kapazitäten der wahren Überwachungskondensatoren Cm1und Cm2 herrührt,plus einem Rauschsignal aufgrund von Rauschströmen besteht.
    [0073] Indiesem Fall erscheint die aufgrund von Schwankungen der statischenKapazitätender Kondensatoren Cm1 und Cm2 in der Ausgangsspannung Vm der DifferentialverstärkerschaltungQ1 erscheinende Spannungskomponente (die wahre Überwachungssignalkomponente)in der Phase um 90° vor derAnsteuerungsspannung Vd1. Andererseits erscheint die aufgrund derRauschsignalkomponenten in der Ausgangsspannung Vm erscheinendeSpannungskomponente (Rauschsignalkomponente) um 180° bezüglich derAnsteuerungsspannung Vd1 phasenverschoben. Diese Ausgangsspan nungVm, die aus einem der Ansteuerungsspannung Vd1 90° vorauseilendenSignal und einem um 180° phasenverschobenenSignal besteht, weist die gleiche Frequenz wie das AnsteuerungssignalVd1 auf, ihre Phasendifferenz bezüglich der AnsteuerungsspannungVd1 beträgtjedoch nicht 90°.
    [0074] Wenneine Ausgangsspannung Vm, die eine Signalkomponente enthält, derenPhase nicht mit jener der von der Schwingung des Gewichtsteils 8,welches das angesteuerte Objekt ist, und den dadurch hervorgerufenen Änderungenin den Kapazitäten Cm1,Cm2 herrührendenwahren Überwachungssignalkomponentezusammenfällt,d. h., bezüglichder wahren Überwachungskomponenteum 90° phasenverschobenist, als die RückführungsspannungVf in den Eigenschwingkreis 27 eingegeben wird, ist esfür denEigenschwingkreis 27 schwierig, den Gewichtsteil 8 mitseiner Resonanzfrequenz in Schwingung zu versetzen. Demzufolge wird,da die Schwingungsfrequenz von der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 abweicht,die Schwingungsamplitude des Gewichtsteils 8 gering undwird die Amplitude der wahren Überwachungssignalkomponenteklein. Wenn dies geschieht, fälltdie Schwingungsausgangsspannung des Eigenschwingkreises 27 undwird die Schwingung instabil, und in einem schlimmsten Fall endetdie Schwingung.
    [0075] Umdiese Art eines Problems zu lösen,ist in der bevorzugten Ausführungsformmit der Aufgabe, diese Rauschsignalkomponente in der AusgangsspannungVm der DifferentialverstärkerschaltungQ1 auszulöschenund zu beseitigen, eine Rauschkorrekturschaltung 28 neuhinzugefügt.
    [0076] Wiein 1 gezeigt, enthält die Rauschkorrekturschaltung 28 eineInversionsaddierschaltung 29 und einen Schalter S1. DieAusgangsspannung Vm der Differentialverstärkerschaltung Q1 wird an deninvertierenden Eingangs anschluß einesOperationsverstärkersQ2 der Addierschaltung 29 über einen Widerstand R1 angelegt.Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers Q2 wirdauf Masse gelegt. Zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers Q2ist ein Widerstand R3 angeschlossen, und zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und einemgemeinsamen Anschluß Cdes Schalters S1 sind ein Kondensator C1 und ein veränderlicherWiderstand R2 angeschlossen. Der Kondensator C1 ist eine Vorrichtungzum Blockieren einer Gleichspannungskomponente einer Ansteuerungsspannung,und sein Kapazitätswertist so ausgewählt,daß beider Resonanzfrequenz die Impedanz des Kondensators C1 reichlichkleiner als der Widerstandswert des veränderlichen Widerstands R2 ist.Der Schalter S1 ist ein Schalter zum Auswählen eines von zwei Signalen,und durch diese Kippwahl wird entweder die Ansteuerungsspannung Vd1oder Vd2 an den veränderlichenWiderstand R2 überden gemeinsamen Anschluß Cund den Kondensator C1 angelegt. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Q2wird als die RückführungsspannungVf an den Eigenschwingkreis 27 angelegt.
    [0077] Wievorstehend erwähnt,ist die in der Ausgangsspannung Vm der DifferentialverstärkerschaltungQ1 enthaltene Rauschsignalkomponente der Ansteuerungsspannung Vd1in der Phase entgegengesetzt. Daher liegt dann, wenn die AnsteuerungsspannungVd1 an dem gemeinsamen Anschluß C desSchalters S1 empfangen wird, eine Möglichkeit vor, daß die Rauschsignalkomponentein der Addierschaltung 29 ausgelöscht wird. In Abhängigkeitvon der Polaritätder Verbindungen der Ansteuerungsspannungen Vd1, Vd2, welche dieSpannungen des Eigenschwingkreises 27 sind, zu den AnsteuerungselektrodenD1, D2 und der Weise, in welcher die C/V-Wandlerschaltungen 31, 32 mitder DifferentialverstärkerschaltungQ1 verbunden sind, ist es jedoch auch möglich, daß die in der AusgangsspannungVm enthaltene Rauschsignalkomponente mit der AnsteuerungsspannungVd1 phasengleich sein wird. Aus diesem Grund ist der Schalter S1vorgesehen, um zu ermöglichen,auszuwählen,welche Spannung der Addierschaltung 29 auferlegt wird,um das Rauschsignal auszulöschen.
    [0078] Demgemäß wird eineder Ansteuerungsspannungen Vd1 oder Vd2 durch den Schalter S1 ausgewählt undwird die ausgewählteSpannung an den veränderlichenWiderstand R2 angelegt. Dann ist es durch Einstellen des Widerstandswertsdes veränderlichenWiderstands R2 möglich,die in der Ausgangsspannung Vm der DifferentialverstärkerschaltungQ1 enthaltene Rauschkomponente auszulöschen.
    [0079] DieKippauswahl des Schalter S1 und die Einstellung des veränderlichenWiderstands R2 werden beispielsweise wie folgt ausgeführt. Wievorstehend erläutert,befindet sich die Spannungskomponente in der Ausgangsspannung Vmder DifferentialverstärkerschaltungQ1, die von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührt, bezüglich der AnsteuerungsspannungVd1 um 90° phasenverschoben.Diese Ausgangsspannung Vm wird durch den Operationsverstärker Q1invertiert und erscheint an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers Q2als die RückführungsspannungVf. Das heißt,die von den Schwankungen der Kapazitäten Cm1, Cm2 herrührende Spannungskomponentein der RückführungsspannungVf ist bezüglichden Ansteuerungsspannungen Vd1 und Vd2 um 90° phasenverschoben.
    [0080] Daherist es durch beispielsweise Verfolgen der Wellenformen sowohl derAnsteuerungsspannung Vd1 als auch der Rückführungsspannung Vf, welche dieAusgangsspannung der Addierschaltung 29 bildet, auf einemOszilloskop und Ausführender Kippauswahl des Schalters S1 und der Einstellung des veränderlichenWiderstands R2 so, daß die Wellenformder RückführungsspannungVf bezüglichder Ansteuerungsspannung Vd1 um 90° phasenverschoben ist und ihreAmplitude maximal ist, möglich,das Rauschsignal auszulöschen.Ebenso kann durch Verwenden eines zweiphasigen Lock-in-Verstärkers mitder Ansteuerungsspannung Vd1 als ein Referenzsignal anstelle einesOszilloskops und Ausführender Kippauswahl des Schalters S1 und der Einstellung des veränderlichenWiderstands R2 so, daß dieRückführungsspannungVf bezüglichder Ansteuerungsspannung Vd1 um 90° phasenverschoben ist und ihreAmplitude maximal ist, das Rauschsignal genauer ausgelöscht werden.
    [0081] DurchVorsehen einer Rauschkorrekturschaltung 28, welche durcheine Addierschaltung 29 und einen Schalter S1 der in 1 gezeigten Art aufgebautist, und Durchführender vorstehend beschriebenen Art einer Einstellung wie diese istes möglich,das Rauschsignal auszulöschen.Des weiteren kann durch Anlegen einer Rückführungsspannung Vf mit dem indieser Weise ausgelöschen Rauschsignalan den Eigenschwingkreis 27 die Eigenschwingung stabilisiertwerden und demzufolge bewirkt werden, daß der Gewichtsteil 8 stabilbei der an seine Resonanzfrequenz angepaßten Frequenz und mit einerkonstanten Amplitude schwingt.
    [0082] Alsnächsteswird nachstehend ein anderes Verfahren zur Einstellung des SchaltersS1 und des veränderlichenWiderstands R2 in der Rauschkorrekturschaltung 28, dievorstehend erläutertwurde, beschrieben. Wenn die Amplitude des Rauschsignals größer alsdas wahre Überwachungssignal,d. h., das zusammen mit einer Schwingung des Gewichtsteils in derRichtung X erscheinende Signal, ist, weil die Eigenschwingung nichtauftritt, ist es nicht möglich, dieEinstellung durch das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen. Dasnachstehend beschriebene Verfahren ist ein Einstellverfahren, mitwelchem es mög lichist, ein Rausschsignal auch dann akurat auszulöschen, wenn die Amplitude desRauschsignals so groß ist,daß dieEigenschwingung nicht auftritt.
    [0083] DiesesEinstellverfahren wird nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben. 5 zeigt eine Schaltungskonstruktion für den Fall,daß dieEinstellung ausgeführtwird. Anstelle des Eigenschwingkreises 27 ist ein Signalgenerator 34 mitden Ansteuerungselektroden D1, D2 verbunden und ist auch ein Lock-in-Verstärker 33 vorbereitetund gibt die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 alsein Meßsignalein. Als ein Referenzsignal des Lock-in-Verstärkers 33 wird dieAnsteuerungsspannung Vd1 oder Vd2 eingegeben. In 5 wird die Ansteuerungsspannung Vd1 eingegeben.Dann werden aus dem Signalgenerator 34 WechselspannungenVd1 und Vd2 erzeugt, welche die gleiche Amplitude, aber entgegengesetztePhasen aufweisen. Die Frequenz der Wechselspannungen wird als vonder Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 entfernt angenommen. Wennbeispielsweise die Resonanzfrequenz 5 kHz beträgt, wird sie auf 1 kHz festgelegt.
    [0084] Wennan den Ansteuerungselektroden D1, D2 auf diese Weise AnsteuerungsspannungenVd1, Vd2 einer von der Resonanzfrequenz des Gewichtsteils 8 entferntenFrequenz empfangen werden, beträgtdie Amplitude des Gewichtsteils 8 weniger als 1/100 seinerAmplitude, wenn er sich in Resonanz befindet. Daher werden die Schwankungender KapazitätenCm1, Cm2 klein, und der Pegel des wahren Überwachungssignals, der indem Ausgang der Addierschaltung 29 erscheint und von denSchwankungen der KapazitätenCm1, Cm2 herrührt,wird sehr klein. Falls der Gleichspannung Vee auf das gleiche Potentialwie die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärker derC/V-Wandlerschaltungen 31, 32 (beispielsweiseQ3 in 4) gebracht ist,wird der Pegel des wahren Überwachungssignals,der in dem Ausgang der Addierschaltung 29 erscheint undvon den Schwankungen der KapazitätenCm1, Cm2 herrührt,auch nahezu Null. Nachdem die Werte der Kapazitäten Cp1 bis Cp4, welche die Ursachedes Rauschens bilden, feststehen, erscheint andererseits ein Rauschengenauso, wie es das bei der Resonanzfrequenz tut, und in dem Ausgangder Addierschaltung 29 erscheint ein großes Rauschsignal,welches durch diese verursacht wird. Das heißt, die Ausgangsspannung derAddierschaltung 29 besteht nahezu vollständig alleinaus der Rauschsignalkomponente.
    [0085] DerLock-in-Verstärker 33 schaltetdas Meßsignalmit einem Signal in Synchronitätmit dem Referenzsignal mit einer Art eines Synchrondetektors undglättetdiesen Ausgang mit einem Tiefpaßfilter. Demgemäß konvergierter Komponenten des Meßsignalsin Phase oder mit entgegengesetzten Phasen bezüglich des Referenzsignals aufeinen konstanten direkten gegenwärtigenWert.
    [0086] Wievorstehend erläutert,befindet sich von der Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 die Rauschsignalkomponenteentweder in Phase oder phasenverkehrt bezüglich der AnsteuerungsspannungVd1 oder Vd2. Daher ist es durch Einstellen des Schalters S1 unddes veränderlichenWiderstandes R2 so, daß derAbsolutwert der Ausgangsgleichspannung des Lock-in-Verstärkers 33 minimiertwird, möglich,das in dem Ausgangssignal der Addierschaltung 29 enthalteneRauschsignal auf ein Minimum einzustellen.
    [0087] NachEinstellen des Schalters S1 und des veränderlichen Widerstands R2 aufdiese Weise wird die Ausgangsspannung der Addierschaltung 29 als dieRückführungsspannungVf an den Eigenschwingkreis 27 angelegt: Falls dies getanwird, schwingt der Eigenschwingkreis 27 stabil bei derResonanzfrequenz des Gewichtsteils 8, weil die in der RückführungsspannungVf enthaltene Rauschsignalkomponente minimiert worden ist.
    [0088] Dadie Eigenschwingung zur Zeit der Einstellung nicht angetastet wird,selbst wenn die Amplitude des Rauschsignals so groß ist, daß eine Eigenschwingungnicht auftritt, ist es mit diesem Verfahren möglich, das Rauschsignal ohneFehler auf ein Minimum einzustellen.
    [0089] DieBeschreibung der Erfindung ist von ihrer Natur her lediglich beispielhaft,und daher sind Variationen, die nicht von dem Kerngehalt der Erfindung abweichen,als innerhalb des Umfangs der Erfindung befindlich beabsichtigt.Solche Variationen sollen nicht als eine Abweichung von der Ideeund dem Umfang der Erfindung angesehen werden.
    权利要求:
    Claims (2)
    [1] Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung, welcheaufweist: einen Winkelgeschwindigkeitssensor (1),welcher einen an einer ersten Halbleiterschicht (2) befestigten Oxidfilm(3) und eine oberhalb der ersten Halbleiterschicht (2)angeordnete zweite Halbleiterschicht (4) enthält, wobeider Winkelgeschwindigkeitssensor (1) ferner einen innerhalbder zweiten Halbleiterschicht (4) ausgebildeten Gewichtsteil(8), welcher in einer ersten Richtung (Richtung X) undeiner zu dieser ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung (RichtungY) schwingt, ein Paar von Ansteuerungselektroden (D1, D2) zum Anlegenvon Ansteuerungsspannungen, um den Gewichtsteil in der ersten Richtung inSchwingung zu versetzten, ein Paar von Überwachungselektroden (M1,M2) zum Überwachender Schwingung des Gewichtsteils in der ersten Richtung und Erfassungselektroden(17a, 17b) zum Erfassen einer Schwingung des Gewichtsteilsin der zweiten Richtung, welche dann auftritt, wenn zusätzlich zu derSchwingung in der ersten Richtung eine Winkelgeschwindigkeit umeine zu der ersten und der zweiten Richtung senkrechten Achse (AchseZ) wirkt, enthält; einenEigenschwingkreis (27) zum Erzeugen von an das Paar derAnsteuerungselektroden anzulegenden ersten und zweiten Ansteuerungsspannungen(Vd1, Vd2), welche entgegengesetzte Phasen aufweisen; ein Paarvon C/V-Wandlerschaltungen (31, 32) zum Aufprägen einervorbestimmten Gleichspannung auf Kondensatoren (Cm1, Cm2), die durchdie Überwa chungselektrodenund den Gewichtsteil ausgebildet sind, und Erfassen von Strömen, diedemzufolge fließen,und Erzeugen von Spannungen, die statischen Kapazitäten derKondensatoren proportional sind; eine Differentialverstärkerschaltung(Q1) zum Erhalten einer Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsspannungender C/V-Wandlerschaltungen und Anlegen der Spannungsdifferenz anden Eigenschwingkreis als eine Rückführungsspannung(Vf); einen Schalter (S1) zum Auswählen des ersten oder des zweitenAnsteuerungssignals; und eine Addierschaltung (29)zum Einstellen der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignalsund Addieren des ausgewähltenAnsteuerungssignals zu der durch die Differentialverstärkerschaltung(Q1) ausgegebenen Spannungsdifferenz, wobei ein Ausgangssignal derAddierschaltung dem Eigenschwingkreis als ein Rückführungssignal zugeführt wird.
    [2] Einstellverfahren zum Einstellen einer Auswahl derersten und zweiten Ansteuerungssignale mit dem Schalter (S1) undder Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten und in die Addierschaltung eingegebenenAnsteuerungssignals fürdie Winkelgeschwindigkeitssensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobeidas Einstellverfahren aufweist: Eingeben des Ausgangssignalsder Addierschaltung (29) als ein Meßsignal und entweder des erstenoder des zweiten Ansteuerungssignals als ein Referenzsignal in einemLock-in-Verstärker(33); Zuführeneines Wechselspannungssignals einer von einer Resonanzfrequenz desGewichtsteils entfernt liegenden Frequenz an die Ansteuerungselektroden (D1,D2) durch einen Signalgenerator, welcher den Eigenschwingkreis ersetzt; Einstellender Auswahl des ersten und des zweiten Ansteuerungssignals mit demSchalter und der Amplitude des mit dem Schalter ausgewählten Ansteuerungssignalsund Eingeben des Ansteuerungssignals in die Addierschaltung so,daß derAbsolutwert einer Ausgangsgleichspannung des Lock-in-Verstärkers minimiertwird; und Entfernen des Signalgenerators und des Lock-in-Verstärkers undAnlegen der Ausgangsspannung der Addierschaltung an den Eigenschwingkreisals ein Rückführungssignalund Beginnen einer Messung einer Winkelgeschwindigkeit.
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    同族专利:
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    2012-02-02| R079| Amendment of ipc main class|Effective date: 20111214 Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01P0009040000 Ipc: G01C0019573300 |
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