DE69735726T2

DE69735726T2 - Abschirm-bänder für stimmgabel-gyroskope

Info

Publication number: DE69735726T2
Application number: DE69735726T
Authority: DE
Inventors: S. Marc Needham WEINBERG; C. John Anaheim PINSON
Original assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc; Rockwell International Corp
Current assignee: Charles Stark Draper Laboratory Inc; Boeing North American Inc
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: CA2272556C; EP1007977A4; US5892153A; CA2272556A1; JP2001504585A; JP3474582B2; EP1007977B1; EP1007977A1; DE69735726D1; WO1998022827A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend ein Schwingungsteil (16) und einen dem Schwingungsteil unter Verwendung von Antriebssignalen Schwingungskraft vermittelnden Antrieb mit einem Antriebsglied, wobei das Schwingungsteil an einer Flexaufhängung über einer auf der Oberfläche eines Substrats befindlichen Messelektrode gelagert ist, eine Spannung an die Messelektrode zur Ermittlung kapazitiver Änderungen angelegt wird und der Antrieb erste mit dem Antriebsglied verbundene Kammelektroden sowie zweite mit dem Schwingungsteil verbundene Kammelektroden umfasst, die zweiten Kammelektroden in die ersten Kammelektroden verschränkt eingreifen, dadurch ein Überlappungsbereich geschaffen und ein Spalt zwischen der Substratoberfläche und den verschränkten Kammelektroden definiert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Stimmgabelgyroskop mit einer oben beschriebenen Anordung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Minderung der Störeinwirkung von Substrat-Spannungsstößen auf den Gyroskopbetrieb bei einem Stimmgabelgyroskop mit verschränkten Kammelektroden und einer Substratoberfläche.
Ein Antrieb, ein Stimmgabelgyroskop and ein Verfahren dieser Art sind aus der US-A-S 349 855 bekannt.
Der Stand der Technik ist ferner aus den Schriften WO 96/07107 und EP 442 280 A2 bekannt. WO 96/07107 offenbart eine mikromechanische Sensorvorrichtung mit einer oberhalb einer Oberfläche eines dielektrischen Substrats schwebend gelagerten Prüfmasse, die auf eine Beschleunigungseingabe hin aus ihrer Bezugsebene ausgelenkt wird. Unter der Prüfmasse vorgesehene Messelektroden sind elektrostatisch mit der Prüfmasse gekoppelt. Die Prüfmasse bildet eine gemeinsame Kondensatorplatte in Bezug auf die Messelektroden, so dass sich die Auslenkung der Prüfmass aus der Bezugsebene durch Auswertung des Signals an der Prüfmasse feststellen lässt. Eine Schutzbandelektrode befindet sich über dem dielektrischen Substrat im überlappenden Verhältnis zu den Elektroden und hält die Substratoberfläche auf einem Bezugspotential, wodurch die Prüfmasse von Spannungsstößen abgeschirmt und die Genauigkeit des Sensors verbessert wird. Laut dieser Druckschrift können sich Spannungsstöße durch die Anfälligkeit des dielektrischen Substrats auf Störladungen ergeben. Das Schutzband deckt den gesamten Oberflächenbereich des Glassubstrats in Prüfmassennähe ab, wodurch die Substratoberfläche, die Messelektroden und die Auswertungselektronik gegen diese Spannungsstöße abgeschirmt werden. Zur Kontaktverhinderung zwischen der Schutzbandelektrode und der Messelektrode ist eine Isolierschicht vorgesehen.
Die Druckschrift EP 442 280 A2 betrifft einen aus einem Halbleitermaterial gefertigten Bewegungsmesswandler. Dieser Bewegungsmesswandler umfasst ein elastisch gelagertes Kardansystem mit einem inneren, drehbar auf elastischen Stützen gelagerten Planteil, wobei diese Stützen das Planteil mit einem Außenteil verbinden, das seinerseits über Flexelemente auf einem Rahmen gelagert ist. Ein Elektrodenpaar wird angeregt, um das Außenteil und entsprechend das Innenteil in Schwingung zu versetzen. Unter dem Innenteil vorgesehene Messelektroden sind mit einer externen Messelektronik verbunden. Ein Schutzelektrodenpaar dient zur elektrischen Isolierung des Feldes von den angeregten Elektroden einerseits und den Messelektroden andererseits. Die angeregten Elektroden versetzen das Außenteil und das Innenteil in Schwingung. Jegliche Drehung des Gesamtaufbaus erzeugt eine Ausgangsschwingung des Innenteils, die ihrerseits von den Messelektroden erfasst wird. Laut der genannten Druckschrift lassen sich die angeregten Elektroden, die Messelektroden und die Schutzelektroden auf einem separaten dielektrischen Substrat in unmittelbarer Nähe des Innen- und Außen-Schwingungsteils anbringen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Stimmgabelgyroskopsysteme und insbesondere auf einen Antrieb mit verschränkten Kammelektroden zur Erzeugung einer Schwingungsbewegung in einem Stimmgabelgyroskop.
Das Grundprinzip des Betriebs und Aufbaus eines Stimmgabelgyroskops ist heute relativ gut bekannt. Ein Gyroskop dieser Art weist ein Substrat, Siliziumprüfmassen mit Kammelektroden, positionsempfindliche Aufnehmer, Messelektroden sowie Innen- und Außenantriebe mit Kammelektroden auf. Die Prüfmassen sind oberhalb des Substrats an einer Flexaufhängung gelagert, die eine Bewegung der Prüfmassen gegenüber der Messelektrode, den Antriebselektroden und dem Substrat zulässt.
Das gewöhnlich aus Glas gefertigte Substrat weist einen hohen elektrischen Widerstand auf, was zum Teil für die den Gyroskopbetrieb beeinträchtigenden Spannungsstöße verantwortlich ist. Vor allem ist die Kopplung zwischen den Kammelektroden gegenüber diesen Spannungsstößen empfindlich. Auch üben diese Spannungsstöße nachteilige Krafteinwirkung senkrecht (in der Z-Achse) zu den Prüfmassen aus und beeinträchtigen die Empfindlichkeit der Messwertaufnehmer. Diese vertikale Krafteinwirkung und Aufnehmerempfindlichkeit kann (a) die Leistung des Stimmgabelgyroskops beeinträchtigen und (b) die Eigenschwingungsschleife des Stimmgabelgyroskopmotors hemmen.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, diese Probleme durch ein Kürzen der Kammelektroden sowohl der Antriebe als auch der Prüfmassen anzustreben. Dieser Ansatz hat jedoch zumindest einen potentiellen Nachteil. Ein Kürzen der Kammelektroden beschränkt die Antriebsamplitude durch Lösen des gegenseitigen Kammeingriffs mit entsprechender Verringerung der Antriebskraft und damit möglicher Leistungsbeeinträchtigung des Stimmgabelgyroskops.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die eine Minderung der sich aus der Empfindlichkeit der Kopplung zwischen den Kammelektroden auf Spannungsstöße durch den hohen elektrischen Widerstand des Substrats ergebenden Probleme ohne eine Leistungsbeeinträchtigung des Stimmgabelgyroskops ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Stimmgabelgyroskops mit einem Antrieb der genannten Art, sowie eines Verfahrens zur Minderung der nachteiligen Einwirkung von Substrat-Spannungsstößen auf den Betrieb eines Stimmgabelgyroskops mit verschränkten Kammelektroden und einer Substratoberfläche.
Diese Aufgaben werden mit einer Anordnung der eingangs erwähnten Ausführung gelöst, indem ein Schutzband zwischen dem Substrat und den verschränkten Kammelektroden angebracht wird.
Diese Aufgaben werden ferner durch ein die erfindungsgemäße Anordnung aufweisendes Stimmgabelgyroskop gelöst, indem das Gyroskop ein Substrat mit der genannten Oberfläche, einen Außenantrieb mit Kammelektroden und an diesen anliegenden Antriebssignalen, einen Innenantrieb mit Kammelektroden sowie Prüfmassen mit inneren und äußeren Kammelektroden aufweist, die Prüfmassen über dem Substrat elastisch gelagert sind, die inneren Kammelektroden in die Kammelektroden des Innenantriebs verschränkt eingreifen, die äußeren Kammelektroden in die Kammelektroden des Außenantriebs verschränkt eingreifen, der genannte Überlappungsbereich durch die verschränkten Kammelektroden definiert wird, Messelektroden auf dem Substrat unterhalb der Prüfmassen vorgesehen sind, und Schutzbänder auf dem Substrat im wesentlichen zwischen den inneren und/oder äußeren Kammelektroden und dem Substrat gebildet werden.
Des Weiteren werden diese Aufgaben durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst, wobei als zusätzliche Maßnahme Schutzbänder auf dem Substrat im Wesentlichen unterhalb der verschränkten Kammelektroden gebildet und zur Minderung unerwünschter Auswirkung von Substrat-Spannungsstößen auf die elektrostatische Kopplung der Kammelektroden die Schutzbänder in Gegenwirkung angeregt werden.
Offenbart werden Schutzbänder zur Verringerung bzw. Eliminierung von Kraft- und Empfindlichkeitseinwirkungen auf die Prüfmassenbewegung senkrecht zum Substrat. Durch Vorspannung der Schutzbänder wird das Kopplungsverhältnis auf Null reduziert und dadurch der Start und verbesserte Leistung ermöglicht. Die Schutzbänder lassen sich vielfältig gestalten, z.B. als spezifische Innen- bzw. Außenschutzbänder, ausschließliche Innenschutzbänder, verlängerte Messelektroden unter den inneren Messkämmen ohne Außenschutz, spezifische Außenschutzbänder mit verlängerten Messelektroden, und Messelektrodenverlängerungen unter den Antriebs- sowie Messkämmen.
Die erfindungsgemäßen Schutzbänder sorgen für eine deutliche Verringerung der nachteiligen Einwirkung von Spannungsstößen auf die elektrostatische Kopplung der verschränkten Kammelektroden. Für Kämme mit einer Zahnbreite von 3 μm, einer Zahndicke von 6 bis 7 μm, einem Zahnabstand von 3 μm und einer Überlappung von x lässt sich die Kopplungskraft durch Anlegen von 30% der Antriebsspannung an das Schutzband unterhalb der Antriebskämme auf Null reduzieren. Des Weiteren kann die Kopplungsansprechkraft durch Anregung der inneren Schutzbänder mit einer Spannung von etwa dem 1,6-fachen des Innenkamm-Vorspannungswertes minimiert werden. Mit auf diese Weise proportional vorgespannten Schutzbändern können Hochleistungs-Stimmgabelgyroskope eine Vorspannungsfestigkeit von mehr als 1000°/h erreichen. Auch ermöglichen sie die Verwendung längerer Kammelektroden und damit größere Maximalantriebsamplituden. Für andere Abmessungen variieren die optimalen Schutzbandspannungen auf vorausbestimmbarer Basis.
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher anhand der nachstehend detaillierten Beschreibung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Stimmgabelgyroskops;
2 eine Querschnittsdarstellung des Stimmgabelgyroskops nach 1 entlang der Schnittlinie 1-1;
2A eine Draufsicht eines Messelektrodensatzes aus 1 und 2;
3 eine Explosionszeichnung der verschränkten Kammelektroden des Gyroskops nach 2;
4 ein Verlaufsdiagramm der Antriebskraft gegen V_b im Gyroskop nach 3;
5 ein Verlaufsdiagramm der Kammempfindlichkeit;
6 eine alternative Ausführungsform des Gyroskops;
7 eine weitere alternative Ausführungsform des Gyroskops;
8 eine Querschnittsdarstellung der alternativen Ausführungsform nach 7 entlang der Schnittlinie 1-1;
9 und 10 eine andere Ausführungsform mit speziellen äußeren Schutzbändern und verlängerten Messelektroden; und
11 und 12 eine andere Ausführungsform mit verlängerten Messelektroden.
1, 2 und 2A zeigen ein Stimmgabelgyroskop umfassend die Außenantriebe 10a, 10b, Kammelektroden 12a, 12b, einen Innenantrieb 13 mit Kammelektroden 14a, 14b, Prüfmassen 16a, 16b mit Kammelektroden 18a, 18b, 18c, 18d, Schutzbänder 20a, 20b, 20c, 20d, ein Substrat 22 mit einer Oberfläche 24, eine Flexaufhängung 26 mit Ansteuerstegen 28, Torsionsstegen 30, Basisstegen 32, Anker 34, Messelektroden 36 sowie Kraftelektroden 37 (die zur Verringerung der freiliegenden Glasfläche under der Prüfmasse weggelassen werden können). Die Prüfmassen sind über dem Substrat schwebend gelagert und mit diesem durch die Flexaufhängung verbunden. Die Anker verbinden die Torsionsstege mit dem Substrat. Die Torsionsstege tragen die Basisstege, die ihrerseits die Ansteuerstege stützen. Die Prüfmassen sind über die Ansteuerstege mit den Basisstegen verbunden.
Die Funktionsweise des Stimmgabelgyroskops ist elektromechanisch. Im Betrieb versetzen die Außenantriebe 10a, 10b die Prüfmassen 16a, l6b über die Kammelektroden 12a, 18a, 18d, 12b in eine Schwingungsbewegung. Die Kammelektroden des Außenantriebs erstrecken sich nach außen auf die benachbarte Prüfmasse zu und sind oberhalb der Substratoberfläche angeordnet. Die Kammelektroden der benachbarten Prüfmasse erstrecken sich derart nach außen in Richtung des Außenantriebs, dass die Kammelektroden des Außenantriebs und die der Prüfmasse verschränkt in einander eingreifen. Die Kammelektroden zwischen einander benachbarten Prüfmassen und die der Innenantriebe sind auf ähnliche Weise verschränkt. Somit kann durch die Zuführung zeitlich variierender Antriebssignale V_d an die Außenantriebe die elektrostatische Kopplung der Kammelektroden induziert und entsprechend die Schwingungsbewegung der Prüfmassen in Gang gesetzt werden.
Der Messvorgang mit dem Stimmgabelgyroskop wird im Detail unter dem Titel ELECTRONICS FOR CORIOLIS FORCE AND OTHER SENSORS in der oben genannten, im Namen von Paul Ward eingereichten US-A-5,481,914 beschrieben. Kurz zusammengefasst, wird zur Herstellung einer Potentialdifferenz eine zweipolige Gleichstromspannung +V_s, –V_s an die rechten bzw. linken Messelektroden 36 angelegt, so dass eine Veränderung der Prüfmassenposition im Verhältnis zu den Messelektroden zu einer messbaren Kapazitätsveränderung zwischen den Messelektroden und den zugeordneten Prüfmassen führt. Auf ein Trägheitseingangssignal hin, vor allem in Bezug auf die Drehbewegung um eine Eingangsachse koplanar zur Schwingungsebene, werden die Prüfmassen aus der normalen Schwingungsebene ausgelenkt. Diese Auslenkung der Prüfmassen erfolgt bei einer der Resonanzfrequenz der Prüfmassen entsprechenden Frequenz und mit einer der Eingangsdrehbewegung entsprechenden Amplitude. Somit ergibt sich aus der auf Kapazitätsveränderung basierenden Ermittlung der Auslenkung der Prüfmassen aus der Normalebene ein Maß für die Drehbewegung.
An die Kammelektroden 12a, 12b, 14a, 14b und die Messelektroden 36 angelegte Spannungen erzeugen sowohl langsam flüchtige als auch Wechselspannungen im Glassubstrat, einem Dielektrikum mit einem Verlustfaktor und hohem aber endlichem elektrischen Widerstand. Diese Spannungen neigen zur Herabsetzung der Stimmgabelgyroskop-Vorspannung und des Skalierfaktors im Zeit- und Temperaturverhältnis. An die äußeren Kammelektroden anliegende Spannungen bewegen die Prüfmasse wunschgemäß parallel zum Substrat (im gleichbleibenden Abstand). Die Kammspannungen erzeugen ebenfalls elektrostatische Kräfte, wodurch die Prüfmasse senkrecht zum Substrat bewegt wird. Diese lotrechte Krafteinwirkung ist gewöhnlich nicht erwünscht. Die inneren Kammelektroden dienen zur Erfassung einer Bewegung parallel zum und im gleichbleibenden Abstand vom Substrat wie auch einer Prüfmassenbewegung senkrecht zum Substrat. Die letztere Vertikalkraft- und Aufnahmeempfindlichkeitseinwirkung kann die Leistung des Stimmgabelgyroskops beeinträchtigen und die Eigenschwingungsschleife des Stimmgabelgyroskopmotors hemmen.
Die Schutzbänder schirmen die Siliziumteile gegen Substrat-Spannungsstöße ab und reduzieren oder eliminieren die senkrechte Kraft- und Empfindlichkeitseinwirkung. Die Schutzbänder 20a, 20b, 20c, 20d bestehen aus leitfähigem Material und sind am Substrat 22 im Wesentlichen unmittelbar unterhalb der verschränkten Messelektroden angebracht. Insbesondere haben die verschränkten Kammelektroden eine Länge 38, während sich die Schutzbänder entlang des Substrats über eine Länge 40 erstrecken, also die gleiche oder eine größere Länge als die verschränkten Kammelektroden aufweisen.
Näheres zur Platzierung der Schutzbänder ergibt sich aus der Zeichnung in 3. Die verschränkten Kammelektroden, z.B. 12a, 18a, definieren mit drei Abschnitten die Breite der Überlappung; Abschnitt A ist ein eingriffsfreier Antriebskamm-Elektrodenbereich, Abschnitt B ein verschränkt eingreifender Kammelektrodenbereich und Abschnitt C ein eingriffsfreier Prüfmassen-Kammelektrodenbereich. Die Größe des Abschnitts B steht im unmittelbaren Verhältnis zur maximalen Antriebsamplitude, d.h. je größer die Breite, umso größer die maximale Antriebsamplitude. Es ist jedoch zu beachten, dass die Abschnitte A-C bei Schwingungen der Prüfmasse in der Grundebene größenmäßig variieren, was bei der Schutzbandplatzierung zu berücksichtigen ist. Vor allem werden die Schutzbänder derart zwischen dem Substrat und den Kammelektroden angebracht, dass diese Schutzbänder eine Breite 41 aufweisen, die größer als die maximale Betriebsbreite des Abschnitts B oder dieser gleich ist. Der hier verwendete Begriff „Überlappungsbereich" bezieht sich auf die maximale Betriebsbreite des Abschnitts B. Die Schutzbänder werden am Substrat im Wesentlichen unmittelbar unter dem Überlappungsbereich vorgesehen.
Ein bedeutendes gyroskop- und verfahrensbezogenes Funktionsmerkmal besteht in der Ingangsetzung des Stimmgabelbetriebsmodus, in welchem sich die beiden Prüfmassen parallel zum Substrat und in entgegengesetzter Richtung bewegen. Der Oszillator des Stimmgabelgyroskops muss sich auf den Stimmgabelmodus aufschalten. Angesichts der Ablenkungswirkung auf die (äußeren) Antriebs- und (inneren) Messkämme kann die Aufschaltung unter Ausschluss des Stimmgabelmodus auf die Senkrechtbewegung (Ablenkmodus) erfolgen. Die Meßschleife schließt sich zum Stimmgabelmodus wenn [equation: SFSSQO/QTF ≤ 1/3] wobei S_F das Verhältnis zwischen der von den Antriebskämmen ausgeübten senkrechten und der horizontalen Kraft bezeichnet,
S_S das Senkrecht-zu-Horizontal-Ansprechverhältnis der Messkämme bezeichnet,
Q_O den Qualitätsfaktor des Auslenkmodus darstellt,
Q_TF den Qualitätsfaktor des Stimmgabelmodus darstellt.
Bei Stimmgabelgyroskopausführungen mit Lochplatten beträgt Q_TF/Q_O 5 bis 10. Bei derzeitigen Stimmgabelgyroskopausführungen ohne Schutzbänder und mit einer Zahnüberlappung von 25 μm ergibt sich S_F = S_S = 1/2 und der Stimmgabelmodus lässt sich ohne Schwierigkeit anregen. Wie aus 4 und 5 ersichtlich ist, ergibt sich bei geerdeten Schutzbändern S_F = S_S = 2, so dass der Stimmgabelmodus nicht angeregt und das Gyroskop funktionsunfähig wird. Durch ein Verringern der Zahnüberlappung können die Kopplungsverhältnisse S_F und S_S reduziert und der Start mit Erfolg vorgenommen werden. Ein Kürzen der Zahnüberlappung reduziert aber auch die maximale Antriebsamplitude und ist deshalb meistens unerwünscht. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Kopplungskraft S_F auf Null gebracht werden kann, indem 30% der Antriebsspannung an das Schutzband unterhalb der Antriebskämme 20a, 20d gelegt werden. Eine spezifische Ausführungsform mit an das Schutzband angelegter Spannung ist nicht in den Ansprüchen berücksichtigt. Wie 5 zeigt, lässt sich die Ansprechkopplung S_F minimieren, indem die inneren Schutzbänder 20b, 20c mit einer Spannung von etwa dem 1,6-fachen der Innenkammvorspannung angeregt werden. Diese Spannungswerte eignen sich für ein Stimmgabelgyroskop mit Kämmen einer Dicke von ca. 6 bis 7 μm, einer Breite von 3 μm, einem Zahnabstand von 3 μm und einer je nach Plattenstärke und Kammluftspalt variierender Länge. Diese Reduzierung des Kopplungsverhältnisses ermöglicht das Starten sowie verbesserte Leistung.
In einer alternativen Ausführungsform nach 6 befinden sich die Schutzbänder 20b, 20c unterhalb der inneren verschränkten Kammelektroden 18b, 14a, 14b, 18c, jedoch nicht unter den äußeren verschränkten Kammelektroden. Es hat sich herausgestellt, dass die störende Wirkung von Spannungsstößen auf ungeschützte äußere Kammelektroden relativ gering ist im Vergleich zur Einwirkung von Spannungsstößen auf ungeschützte Innenkämme. Durch die Bildung weniger Schutzbänder lassen sich Einsparungen realisieren, da die entsprechenden Schaltungen zum Ansteuern der Schutzbänder wegfallen. Die Schutzbänder unter den inneren verschränkten Kammelektroden können an Erde bzw. Masse gelegt oder mit einer Vorspannung wie bei den anderen oben beschriebenen Ausführungen beaufschlagt werden.
Eine weitere alternative Ausführungsform ist aus 7 und 8 ersichtlich. Bei dieser Ausführung dienen verlängerte Messelektroden 50a, 50b zur Minderung der Störeinwirkung durch Spannungsstöße. Die verlängerten Elektroden 50a, 50b befinden sich am Substrat unter den Prüfmassen 16a, 16b und erstrecken sich einwärts über die Prüfmassen hinaus bis zu den verschränkten Kammelektroden 18b, 14a, 14b, 18c. Insbesondere befinden sich die verlängerten Messelektroden unter dem Überlappungsbereich der verschränkten Kammelektroden.
Die verlängerten Messelektroden können unter jedem verschränkten Kammelektrodensatz oder auch nur unter den inneren verschränkten Kammelektroden vorgesehen werden (Versuche haben ergeben, dass die Anordnung bei nur den inneren Kammelektroden Stimmgabelgyroskope mit einer Vorspannfestigkeit von über 1000°/h ermöglicht. Diese Ausführungsform ist kostenmäßig vorteilhaft, da die Herstellung größerer Messelektroden nur wenig Mehraufwand erfordert).
Eine weitere Alternativausführung ist aus 9 und 10 ersichtlich. Diese Ausführung weist spezielle Außenschutzbänder 52a, 52b sowie verlängerte Messelektroden 54a, 54b auf. Die verlängerten Elektroden 54a, 54b befinden sich am Substrat unterhalb der Prüfmassen 16a, 16b und erstrecken sich einwärts über die Prüfmassen hinaus bis zu den verschränkten Kammelektroden 14a, 14b, 18b, 18c. Insbesondere befinden sich die verlängerten Messelektroden unter dem Überlappungsbereich der verschränkten inneren Kammelektroden. Bei dieser Ausgestaltung ist die Vorspannung der Messelektrode und des benachbarten Innenkamms identisch. Der sich ergebende Wert ist für S_F gering und für S_S 0,7, womit sich eine geeignete Lösung des Problems bietet.
Wie in 11 und 12 dargestellt, können sowohl innere als auch äußere verlängerte Messelektroden 56a, 56b, 58a, 58b zum Einsatz gelangen. Bei dieser Ausgestaltung erstrecken sich die Messelektroden unterhalb der Antriebs- sowie Messkammelektroden. Insbesondere können die Messplatten unter den Ansteuerungskämmen mit jeder Geometrie verlängert werden, die der obigen Messkreisschluss-Gleichung gerecht wird. Die Kopplungskoeffizienten S_F und S_S werden mittels dickerer Prüfmassen und kleinerer Zahnabstände reduziert. Als eine weitere Möglichkeit lässt sich S_S (Motorrichtungs-Kopplung) auf Null (oder einen sonstigen geringen Wert) einstellen, indem für die Motorrichtung und das innere Schutzband (oder die verlängerte Messplatte) entsprechende Spannungen gewählt werden und ein höherer S_F (Motorantriebskopplung) eingeräumt wird. Auch lassen sich die Schutzbänder zur erhöhten Trennung der Glaseinwirkung unterhalb der Lagerungsstege verlängern.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern diverse Änderungen und Abwandlungen zulässt, ohne vom Geltungsbereich dieser in den nachstehenden Patentansprüchen definierten Neuerung abzuweichen.

Claims

Anordnung umfassend ein Schwingungsteil (16) sowie einen dem Schwingungsteil (16) unter Verwendung von Antriebssignalen (V_d) Schwingungskraft vermittelnden Antrieb mit einem Antriebsglied (10, 13), wobei das Schwingungsteil (16) an einer Flexaufhängung (26) über einer auf der Oberfläche (24) eines Substrats (22) befindlichen Messelektrode (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) gelagert ist, eine Spannung (V_s) an die Messelektrode (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) zur Ermittlung kapazitiver Änderungen angelegt wird und der Antrieb folgendes umfasst: erste, mit dem Antriebsglied (10, 13) verbundene Kammelektroden (12, 14); zweite, mit dem Schwingungsteil (16) verbundene Kammelektroden (18), wobei die zweiten Kammelektroden (18) in die ersten Kammelektroden (12, 14) verschränkt eingreifen, dadurch ein Überlappungsbereich (B) entsteht und ein Spalt zwischen der Substratoberfläche (24) und den verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) definiert wird, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Substrat (22) und den verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) vorgesehenes Schutzband (20; 50; 52, 54; 56, 58).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Schutzband (20; 50; 52, 54; 56, 58) eine Vorspannung (V_b) angelegt wird.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) proportional den Antriebssignalen (V_d) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) proportional der an die Messelektrode (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) angelegten Spannung (V_s) entspricht.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) um etwa sechzig Prozent größer ist als die an den Messelektroden (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) anliegende Spannung (V_s).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzband (20; 50; 52, 54; 56, 58) an Masse liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzband (20; 50; 52, 54; 56, 58) eine Breite (41) aufweist, die größer als der Überlappungsbereich (B) oder diesem gleich ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzband (20; 50; 52, 54; 56, 58) aus einem leitfähigen Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schutzband (50; 54; 56, 58) aus einer verlängerten am Substrat (22) vorgesehenen Messelektrode (50; 54; 56, 58) gebildet wird und sich über die Prüfmasse (16a, 16b) hinaus zu den verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) und weiter unterhalb über das gesamte Ausmaß des Überlappungsbereiches (B) erstreckt.
Stimmgabelgyroskop mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das Gyroskop folgendes umfasst: ein Substrat (22) mit der genannten Oberfläche (24); ein äußeres Antriebsglied (10) mit Kammelektroden (12), an die Antriebssignale (V_d) angelegt werden; ein inneres Antriebsglied (13) mit Kammelektroden (l4); Prüfmassen (16) mit inneren und äußeren Kammelektroden (18), wobei die Prüfmassen (16) an einer Flexaufhängung (26) über dem Substrat (22) gelagert sind, die inneren Kammelektroden (18b, 18c) mit den inneren Antriebskammelektroden (14a, 14b) und die äußeren Kammelektroden (18a, 18d) mit den äußeren Antriebskammelektroden (12a, 12b) verschränkt sind und der Überlappungsbereich (B) durch die verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) definiert wird; am Substrat unterhalb der Prüfmassen vorgesehene Messelektroden (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58); sowie auf dem Substrat (22) im Wesentlichen zwischen den inneren und/oder äußeren verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) einerseits und dem Substrat (22) gebildete Schutzbänder (20; 50; 52, 54; 56, 58).
Stimmgabelgyroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorspannung (V_b) an die Schutzbänder (20; 50; 52, 54; 56, 58) angelegt wird.
Stimmgabelgyroskop nach Anspruch 3 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) etwa dreißig Prozent der Antriebsspannung (V_d) beträgt und an die äußeren Schutzbänder (20a, 20d) angelegt wird.
Stimmgabelgyroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die an den inneren Schutzbändern (20b, 20c) anliegende Vorspannung (V_b) etwa dem 1,6-fachen der inneren Kammelektroden-Vorspannung entspricht.
Verfahren zur Minderung der Störeinwirkung von Substrat-Spannungsstößen auf den Gyroskopbetrieb bei einem Stimmgabelgyroskop mit verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18) und einer Substratoberfläche (24), gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: Bildung von Schutzbändern (20; 50; 52, 54; 56, 58) auf dem Substrat im Wesentlichen unterhalb der verschränkten Kammelektroden (12, 14, 18), und gegenwirkende Anregung der Schutzbänder (20; 50; 52, 54) zur Verringerung der Störeinwirkung von Substrat-Spannungsstößen auf die elektrostatische Kopplung der Kammelektroden (12, 14, 18).
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Anlegens einer Vorspannung (V_b) an die Schutzbänder (20; 50; 52, 54; 56, 58).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) sich proportional zu einem an den Messelektroden (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) anliegenden Signal (V_s) verhält.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) sechzig Prozent größer ist als das an den Messelektroden (36; 36, 50; 36, 54; 56, 58) anliegende Signal (V_s)
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung (V_b) proportional zu einer Antriebsspannung (V_d) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Einstellschritt die Einstellung eines festen 3:1-Proportionalverhältnisses zwischen Antriebsspannung und Anregungsspannung einbeschließt.