CN102183247B - 具有两个敏感轴和耦合的检测模式的微机械旋转速率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种旋转速率传感器，包括一个具有主延伸平面的衬底以及平行于主延伸平面设置的第一和第二分结构，其中第一分结构具有第一驱动结构并且第二分结构具有第二驱动结构，第一和第二分结构通过驱动器件经由第一和第二驱动结构可被激励平行于与主延伸平面平行的第一轴振荡，其中第一分结构具有第一科里奥利元件，第二分结构具有第二科里奥利元件，其特征在于，第一和第二科里奥利元件通过科里奥利力可平行于与第一轴垂直的第二轴且平行于与第一和第二轴垂直的第三轴偏移，其中第二轴平行于主延伸平面延伸，第一科里奥利元件与第二科里奥利元件通过耦合元件连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的旋转速率传感器。
背景技术
这种旋转速率传感器通常是已知的。例如由文献DE102007054505A1已知一种旋转速率传感器，它具有第一和第二分结构，这些分结构设置在衬底的主延伸平面上方。旋转速率传感器具有器件，这些器件通过第一和第二驱动结构激励第一和第二分结构平行于与衬底的主延伸平面平行的第一轴振荡。此外，旋转速率传感器具有第一和第二科里奥利元件，它们通过科里奥利力偏移。第一和第二科里奥利元件与中心弹性元件连接。
由文献EP1365211B1已知一种旋转速率传感器，其敏感质量可在两个相互垂直的方向上偏移。
发明内容
按照本发明的如并列权利要求所述的旋转速率传感器与现有技术相比的优点是：由于第一科里奥利元件与第二科里奥利元件按照本发明通过耦合元件连接并且第一科里奥利元件和第二科里奥利元件可在两个相互垂直方向上偏移，实现了第一固有干扰模式的第一固有干扰频率与第一固有检测模式的第一固有检测频率的显著隔离以及第二固有干扰模式的第二固有干扰频率与第二固有检测模式的第二固有检测频率的显著隔离。在第一固有干扰模式中第一和第二科里奥利元件平行于与第一轴垂直的第二轴的偏移是同向的，并且在第一固有检测模式中第一和第二科里奥利元件平行于第二轴的偏移是反向的。在第二固有干扰模式中第一和第二科里奥利元件平行于与第一和第二轴垂直的第三轴的偏移是同向的，并且在第二固有检测模式中第一和第二科里奥利元件平行于第三轴的偏移是反向的。固有干扰频率与固有检测频率的这种显著隔离与现有技术相比的优点是：外部的干扰加速度或直线加速度被相对强烈地抑制，使得旋转速率传感器具有相对低的振动灵敏度或者说具有改善的抗振性。此外有利的是，由加工引起的、旋转速率传感器部件的质量或弹簧刚度与理论值的偏差对旋转速率传感器的最大可能实现的抗振性的影响相对小。
本发明的有利扩展结构和改进方案可由从属权利要求以及参照附图的描述得出。
按照优选的改进方案规定，第一和第二科里奥利元件通过连接弹簧元件与衬底连接。通过在衬底上的连接能够减小这些科里奥利元件的由干扰加速度引起的平行于第二和第三轴的偏移，从而显著地提高第一和第二固有干扰频率。由此实现改善的抗振性。
按照另一优选的改进方案规定，第一分结构平行于第二轴地设置在第二分结构旁边。通过平行于第二轴设置的分结构在平行于第一轴激励的情况下(倒转的音叉原理)实现在围绕第二或第三轴旋转时相对于干扰加速度、尤其是离心加速度的相对高的不敏感性。
按照另一优选的改进方案规定，第一和第二科里奥利元件构造为框架，其中第一科里奥利元件通过弹簧元件与第一驱动结构连接，第二科里奥利元件通过另外的弹簧元件与第二驱动结构连接，其中第一科里奥利元件包围第一驱动结构，并且第二科里奥利元件包围第二驱动结构。通过将驱动结构布置在构造为框架的科里奥利元件的内部区域中，实现了旋转速率传感器具有在围绕第二或第三轴旋转时相对于干扰加速度、尤其是离心加速度的比较高的不灵敏性，并且驱动结构具有相对小的平行于第一和第二轴的延伸尺寸。
按照另一优选的改进方案规定，第一分结构具有第一检测质量并且第二分结构具有第二检测质量，其中第一和第二检测质量相对于与第一轴平行的运动基本上位置固定地连接在衬底上并且可平行于第二和第三轴偏移，其中第一检测质量通过第一检测弹簧耦合在第一科里奥利元件上，并且第二检测质量通过第二检测弹簧耦合在第二科里奥利元件上，其中第一和第二检测弹簧平行于第二和第三轴刚性地设计。通过在驱动方向(第一轴)上位置固定地连接检测质量，能够使检测运动在很大程度上与驱动运动脱离耦合，由此显著地减小驱动运动与检测运动之间的机械过响应(减小机械转象差)。
按照另一优选的改进方案规定，科里奥利元件构造为摆杆(等臂杆)，其中第一科里奥利元件通过第一扭簧元件与第一分结构连接，第二科里奥利元件通过第二扭簧元件与第二分结构连接，其中第一扭簧元件构成平行于主延伸平面的第一旋转轴，第二扭簧元件构成平行于主延伸平面的第二旋转轴，其中第一科里奥利元件具有关于第一旋转轴非对称的质量分布，第二科里奥利元件具有关于第二旋转轴非对称的质量分布，第一科里奥利元件通过平行于第三轴起作用的科里奥利力可围绕第一旋转轴旋转，第二科里奥利元件通过平行于第三轴起作用的科里奥利力可围绕第二旋转轴旋转。在将科里奥利元件设计成摆杆时通过非对称的质量分布能够早在每个单个的分结构中进行信号的差分式分析处理。此外在扭簧元件具有平行于第三轴的相对高的抗弯性时，科里奥利元件的通过由设置在科里奥利元件下面的电极上的电压引起的干扰效应产生的偏移相对小，由此产生相对小的干扰信号。
按照上述改进方案的优选改进方案规定，平行于第二轴的第一旋转轴在第一科里奥利元件的平行于第一轴的延伸尺寸的中心延伸并且平行于第二轴的第二旋转轴在第二科里奥利元件的平行于第一轴的延伸尺寸的中心延伸。
按照以上两种改进方案的优选改进方案规定，第一科里奥利元件具有第一重侧和第一轻侧，并且第二科里奥利元件具有第二重侧和第二轻侧，其中第一和第二重侧关于第一和第二旋转轴具有比第一和第二轻侧更大的惯性矩，其中第一重侧通过耦合元件与第二重侧连接。
按照另一优选的改进方案规定，第一重侧通过耦合元件与第二轻侧连接。在科里奥利元件的这种结构中，对于围绕第二轴的旋转速率实现科里奥利元件围绕旋转轴的反相的扭转运动。在干扰加速度平行于第三轴时实现科里奥利元件围绕旋转轴的同相的扭转运动。通过同相的扭转运动使耦合元件比在反相的扭转运动时更强烈地负荷。通过耦合元件相对强烈地阻碍同相的扭转运动，使得科里奥利元件平行于第三轴的偏移小于在反相的扭转运动时的偏移。由此与第二固有检测模式的第二固有检测频率相比提高了第二固有干扰模式的第二固有干扰频率。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在下面描述中详细解释。附图中：
图1以示意俯视图示出按照本发明的第一示例性实施方式的旋转速率传感器，
图2以示意俯视图示出按照本发明的第二示例性实施方式的旋转速率传感器，
图3以示意俯视图示出按照本发明的第三示例性实施方式的旋转速率传感器，
图4以示意俯视图示出按照本发明的第四示例性实施方式的旋转速率传感器，
图5以示意俯视图示出按照本发明的第五示例性实施方式的旋转速率传感器，
图6以示意俯视图示出按照本发明的第六示例性实施方式的旋转速率传感器，
图7以示意俯视图示出按照本发明的第七示例性实施方式的旋转速率传感器，
图8以示意俯视图示出按照本发明的第八示例性实施方式的旋转速率传感器。
在不同的图中相同的部件总是以相同的附图标记表示并因此通常也分别只命名或提及一次。
具体实施方式
在图1中以示意俯视图示出按照本发明的第一示例性实施方式的旋转速率传感器。按照本发明的旋转速率传感器包括具有主延伸平面100的衬底50(衬底50在这里为了简化视图而没有画出)以及第一和第二分结构511，512。第一和第二分结构511，512平行于主延伸平面100设置并且具有第一和第二驱动结构531，532。第一和第二分结构511，512通过驱动器件60经由第一和第二驱动结构531，532激励平行于与主延伸平面100平行的第一轴X振荡。驱动结构60被构造为电容式作用的驱动梳结构。这些驱动梳结构不仅在驱动结构531，532上而且在驱动梳结构的衬底固定结构上具有指形电极，这些指形电极相互嵌接。在衬底侧固定的电极嵌入到驱动结构531，532上的可运动的电极内。如果在这些电极上施加在时间上交变的电势，则驱动结构531，532被激励平行于第一轴X振荡。每个驱动结构531，532通过四个连接弹簧40与衬底50连接。连接弹簧40由曲折形折叠的梁式弹簧构成并且这样地定向，使得分结构511，512可平行于第一轴X运动并且平行于与第一轴X垂直的第二轴Y且平行于与第一轴X和第二轴Y垂直的第三轴Z是位置固定的。第二轴Y平行于主延伸平面100延伸。可行的是，连接弹簧40具有其它几何形状，通过该几何形状保证取与方向有关的弹簧刚性。第一和第二分结构511，512具有第一和第二科里奥利元件581，582。第一和第二科里奥利元件581，582可平行于第二轴Y偏移且可以平行于第三轴Z偏移。科里奥利元件581，582这样地设置在分结构511，512上，使得旋转速率传感器关于垂直于主延伸平面100定向的、设置在分结构511，512之间的平面是镜像对称的。此外，第一科里奥利元件581与第二科里奥利元件582通过耦合元件101连接。第一和第二驱动结构531，532在面向耦合元件101的侧面上各具有一个空槽。穿过空槽分别使科里奥利元件581，582与耦合元件101连接。耦合元件101平行于第一、第二和第三轴X，Y，Z易于弯曲地构造。耦合元件101具有两个曲折形折叠的梁式弹簧。耦合元件的其它几何形状也是可行的，通过该几何形状能够实现平行于三个轴X，Y，Z的易于弯曲的运动。第一和第二科里奥利元件581，582分别通过弹簧元件或另外的弹簧元件721，722与第一或第二驱动结构531，532连接。曲折形折叠的弹簧元件721，722平行于第二和第三轴Y，Z易于弯曲地设计并且平行于第一轴X刚性地设计。对于弹簧元件721，722而言，满足抗弯性要求的其它几何形状也是可行的。
第一和第二科里奥利元件581，582在其平行于第二轴的延伸尺寸的中心具有一个唯一的相对大的栅格结构70，该栅格结构具有可运动的电极。在栅格结构70的空室内设置与位于栅格结构下面的带状导体平面连接的静止电极。可运动的电极和静止电极能够检测第一和第二科里奥利元件581，582的平行于第二轴Y的偏移。在第一和第二科里奥利元件581，582下方在衬底上设置两个具有另外的电极80的区域(蹦床结构)。这些具有另外的电极80的区域通过虚线或点划线表示。科里奥利元件581，582平行于第三轴Z的偏移引起另外的电极80上的电容变化，从而能够检测第一和第二科里奥利元件581，582平行于第三轴Z的偏移。变换地也可行的是，蹦床结构的一个唯一的相对大的区域分别设置在科里奥利元件581，582中央，并且两个栅格结构70设置在蹦床结构上方和下方的区域中。
第一和第二分结构511，512被激励平行于第一轴逆平行地振荡(音叉原理)，其中两个分结构511，512的偏移反相。因为两个分结构511，512相互对称地构成并且具有基本上相同的质量，所以旋转速率传感器的质量重心在逆平行的初级振荡的周期期间保持位置固定。使得旋转速率传感器既不耦合输出直线脉冲也不耦合输出转矩，由此与外界的能量交换被最小化。
在出现围绕第三轴Z的旋转速率时，在科里奥利元件581，582上作用平行于第二轴Y的科里奥利力。该科里奥利力引起科里奥利元件581，582平行于第二轴Y的偏移，该偏移利用栅格结构70的可运动的电极和静止电极被检测。由于两个分结构511，512的反相振荡，科里奥利力以相反方向作用于两个科里奥利元件。在分结构511，512的振荡周期的第一半周期期间，例如在第一科里奥利元件581上作用第二轴Y的正方向上的科里奥利力，而在第二科里奥利元件582上作用第二轴Y的负方向上的科里奥利力。在振荡周期的下一半周期期间，在第一科里奥利元件581上作用第二轴Y的负方向上的科里奥利力，而在第二科里奥利元件582上作用第二轴Y的正方向上的科里奥利力。由此实现对科里奥利元件581，582的通过栅格结构70的可运动的电极和静止电极检测的偏移的差分式分析处理。因此，抑制了直线加速度对旋转速率检测的干扰。
在出现围绕第二轴Y的旋转速率时，平行于第三轴Z的科里奥利力作用于科里奥利元件581，582上并且引起科里奥利元件581，582平行于第三轴Z的偏移。由于分结构511，512的反相运动，科里奥利力以相反方向作用于科里奥利元件581，582上并且引起科里奥利元件581，582的反向偏移。因此能够通过另外的电极80差分式地进行分析处理。因此，旋转速率传感器相对于平行于第三轴Z的起干扰作用的直线加速度是相对不敏感的。
在图2中以示意俯视图示出按照本发明的第二示例性实施方式的旋转速率传感器。与第一实施方式不同，第一和第二驱动结构531，532分别在背离耦合元件的侧面上具有空槽。穿过空槽这些科里奥利元件581，582通过连接弹簧元件73与衬底50连接。通过附加地连接到衬底50上能够减小第一和第二固有检测模式的固有频率。变换地可行的是，分别将蹦床结构的一个唯一的相对大的区域设置在科里奥利元件581，582中心并且两个栅格结构70设置在蹦床结构上方和下方的区域中。
在图3中以示意俯视图示出按照本发明的第三示例性实施方式的旋转速率传感器。与第一实施方式不同，第一分结构511平行于第二轴Y地设置在第二分结构512旁边(倒转的音叉原理)。通过这种布置实现在围绕第二或第三轴Y，Z旋转时相对于干扰加速度尤其是离心加速度的相对高的不敏感性。变换地可行的是，分别将蹦床结构的一个唯一的相对大的区域设置在科里奥利元件581，582中心并且将两个栅格结构70设置在蹦床结构上方和下方的区域中。
在图4中以示意俯视图示出按照本发明的第四示例性实施方式的旋转速率传感器。与第三实施方式不同，按照跷跷板原理实现对围绕第二轴Y的旋转速率的检测。为此，科里奥利元件581，582通过第一和第二扭簧元件与分结构511，512连接。扭簧元件形成平行于主延伸平面100的第一和第二旋转轴。科里奥利元件581，582具有关于这些旋转轴非对称的质量分布，使得科里奥利元件581，582可通过平行于第三轴Z的、平行的科里奥利力围绕这些旋转轴旋转。由于非对称的质量分布，科里奥利元件581，582具有重侧611，612和轻侧621，622。重侧611，612关于旋转轴的惯性矩大于轻侧621，622关于旋转轴的惯性矩。重侧611，612通过耦合元件相互连接。在科里奥利元件581，582下方，在衬底上设置检测电极83。这些区域通过点划线或虚线表示。科里奥利元件581，582围绕旋转轴的旋转引起检测电极83与科里奥利元件581，582之间的电容变化。该电容变化可差分式地被验证。此外抑制了平行于第三轴Z的起干扰作用的直线加速度。变换地可以按照音叉原理来驱动分结构511，512。
在图5中以示意俯视图示出按照本发明的第五示例性实施方式的旋转速率传感器。与第四实施方式不同，科里奥利元件581，582的旋转轴设置在科里奥利元件581，582的平行于第二轴Y的延伸尺寸的中心。在这里也可变换地按照音叉原理实现驱动。
在图6中以示意俯视图示出按照本发明的第六示例性实施方式的旋转速率传感器。与第五实施方式不同，第一科里奥利元件581的第一重侧611通过耦合元件101与第二科里奥利元件582的第二轻侧622连接。在科里奥利元件581，582的这种布置中，在围绕第二轴Y的旋转速率的情况下实现科里奥利元件围绕旋转轴的反相的扭转运动。在平行于第三轴Z的干扰加速度的情况下，实现了科里奥利元件581，582围绕旋转轴的同相的扭转运动。由于同相的扭转运动，耦合元件101比在反相的扭转运动中更强烈地负荷。通过耦合元件101相对强烈地阻碍同相的扭转运动，以至于科里奥利元件581，582平行于第三轴Z的偏移小于在反相的扭转运动时的偏移。因此，第二固有干扰模式的第二固有干扰频率与第二固有检测模式的第二固有检测频率相比增加。通过该增加显著地改善了旋转速率传感器的抗振性。在这里也可变换地按照音叉原理实现驱动。
在图7中以示意俯视图示出按照本发明的第七示例性实施方式的旋转速率传感器。科里奥利元件581，582由框架构成并且包围各个驱动结构531，532。科里奥利元件581，582通过弹簧元件721和另外的弹簧元件722与各自的驱动结构531，532连接。科里奥利元件581，582分别具有两个带有蹦床结构的区域(通过虚线表示)，用于检测围绕第二轴Y的旋转速率，蹦床结构具有另外的电极80，并且科里奥利元件581，582分别具有两个带有栅格结构70的区域，用于检测围绕第三轴Z的旋转速率。变换地能够按照音叉原理激励该结构。此外变换地能够使科里奥利元件581，582通过连接弹簧元件73与衬底50连接。
在图8中以示意俯视图示出按照本发明的第八示例性实施方式的旋转速率传感器。分结构511，512具有检测质量521，522，这些检测质量平行于第一轴X位置固定地连接到衬底50上并且可平行于第二和第三轴Y，Z偏移。检测质量521，522通过检测弹簧541，542与科里奥利元件581，582连接，其中检测弹簧541，542平行于第二和第三轴Y，Z刚性地设计。检测质量521，522分别具有两个带有栅格结构70的区域，用于检测围绕第三轴Z的旋转速率，并且具有一个带有蹦床结构的区域(通过虚线表示)，用于检测围绕第二轴Y的旋转速率，蹦床结构具有另外的电极80。在科里奥利力平行于第二和第三轴Y，Z时，科里奥利元件581，582平行于第二或第三轴Y，Z偏移。通过平行于第二和第三轴Y，Z刚性的检测弹簧541，542带动检测质量521，522。通过检测质量521，522在驱动方向上位置固定的连接能够使检测运动与驱动运动在很大程度上脱离耦合，由此显著地减小驱动运动与检测运动之间的过响应(减小机械转象差)。
Claims (9)
1.旋转速率传感器，包括一个具有主延伸平面(100)的衬底(50)以及平行于所述主延伸平面(100)设置的第一和第二分结构(511，512)，其中所述第一分结构(511)具有第一驱动结构(531)并且所述第二分结构(512)具有第二驱动结构(532)，其中所述第一和第二分结构(511，512)通过驱动器件经由所述第一和第二驱动结构(531，532)可被激励平行于与所述主延伸平面(100)平行的第一轴(X)振荡，所述第一分结构(511)具有第一科里奥利元件(581)并且所述第二分结构(512)具有第二科里奥利元件(582)，其特征在于，所述第一和第二科里奥利元件(581，582)通过科里奥利力可平行于与第一轴(X)垂直的第二轴(Y)和平行于与第一和第二轴(X，Y)垂直的第三轴(Z)偏移，其中所述第二轴(Y)平行于所述主延伸平面(100)延伸，所述第一科里奥利元件(581)与所述第二科里奥利元件(582)通过耦合元件(101)连接。
2.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一和第二科里奥利元件(581，582)通过连接弹簧元件(73)与所述衬底(50)连接。
3.如上述权利要求中任一项所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一分结构(511)平行于所述第二轴(Y)地设置在所述第二分结构(512)旁边。
4.如权利要求1或2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一和第二科里奥利元件(581，582)被构造为框架，其中所述第一科里奥利元件(581)通过弹簧元件(721)与所述第一驱动结构(531)连接，所述第二科里奥利元件(582)通过另外的弹簧元件(722)与所述第二驱动结构(532)连接，所述第一科里奥利元件(581)包围所述第一驱动结构(531)，并且所述第二科里奥利元件(582)包围所述第二驱动结构(532)。
5.如权利要求1或2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一分结构(511)具有第一检测质量(521)并且所述第二分结构(512)具有第二检测质量(522)，其中所述第一和第二检测质量(521，522)平行于所述第一轴(X)位置固定地连接到所述衬底(50)上并且可平行于所述第二轴(Y)和所述第三轴(Z)偏移，其中所述第一检测质量(521)通过第一检测弹簧(541)与所述第一科里奥利元件(581)耦合，并且所述第二检测质量(522)通过第二检测弹簧(542)与所述第二科里奥利元件(582)耦合，所述第一和第二检测弹簧(541，542)平行于所述第二轴(Y)且平行于所述第三轴(Z)刚性地设计。
6.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述科里奥利元件(581，582)被压制成摆杆，其中所述第一科里奥利元件(581)通过第一扭簧元件与所述第一分结构(511)连接，并且所述第二科里奥利元件(582)通过第二扭簧元件与所述第二分结构(512)连接，其中所述第一扭簧元件构成平行于所述主延伸平面(100)的第一旋转轴，并且所述第二扭簧元件构成平行于所述主延伸平面(100)的第二旋转轴，其中所述第一科里奥利元件(581)具有关于所述第一旋转轴非对称的质量分布，并且所述第二科里奥利元件(582)具有关于所述第二旋转轴非对称的质量分布，其中所述第一科里奥利元件(581)通过平行于所述第三轴(Z)起作用的科里奥利力可围绕所述第一旋转轴旋转，所述第二科里奥利元件(582)通过平行于所述第三轴(Z)起作用的科里奥利力可围绕所述第二旋转轴旋转。
7.如权利要求6所述的旋转速率传感器，其特征在于，平行于所述第二轴(Y)的所述第一旋转轴关于所述第一科里奥利元件(581)的平行于所述第一轴(X)的延伸尺寸在中心地延伸，平行于所述第二轴(Y)的所述第二旋转轴关于所述第一科里奥利元件(582)的平行于所述第一轴(X)的延伸尺寸在中心地延伸。
8.如权利要求6或7所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一科里奥利元件(581)具有第一重侧(611)和第一轻侧(621)并且所述第二科里奥利元件(582)具有第二重侧(612)和第二轻侧(622)，其中所述第一和第二重侧(611，612)关于所述第一和第二旋转轴具有比所述第一和第二轻侧(621，622)更大的旋转轴惯性矩，所述第一重侧(611)通过所述耦合元件(101)与所述第二重侧(612)连接。
9.如权利要求8所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一重侧(611)通过所述耦合元件(101)与所述第二轻侧(622)连接。
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