專利名稱：偏航率傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的偏航率傳感器。
背景技術：
線性振動的偏航率傳感器(Drehratensensoren)是通常已知的。在這樣的偏航率 傳感器中，傳感器結構的一些部分被有源地置于一個方向的振動(主振動)中，即沿著第一 軸(X軸)的振動，該第一軸平行于襯底表面定向。在出現繞標出的敏感軸的外部偏航率時， 科氏力作用在傳感器結構的振動部分上。周期性地隨著主振動的頻率變化的科氏力導致傳 感器結構的部分在第二軸的方向上振動(二次振動)，該第二軸垂直于X軸定向。該第二軸 可以平行于襯底表面或者垂直于襯底表面定向。在傳感器結構上設置有檢測器件，這些檢 測器件通過電極電容式地檢測該二次振動。越來越多的應用需要能夠檢測繞多個相互垂直的軸的偏航率的偏航率傳感器。迄 今為止，為此將多個單軸式傳感器橫向地或豎向地相鄰放置。使用多個單軸式偏航率傳感 器在成本、空間需求、電流需求和這些軸的相對定向精度方面帶來了缺點。此外，在現有技術中公開了雙軸式偏航率傳感器，其能夠檢測繞兩個相互垂直的、 平行于襯底表面定向的軸的偏航率。
發明內容
本發明的目的是提供一種經改進的雙軸式偏航率傳感器，其能夠檢測繞兩個相互 垂直的空間軸的偏航率。此外，本發明的目的是提供一種三軸式偏航率傳感器，其能夠檢測 繞所有三個空間軸的偏航率。本發明所基于的目的通過一種具有權利要求1的特征的偏航率傳感器實現。根據 本發明，該偏航率傳感器具有多個可運動的部分結構，這些部分結構設置在襯底的表面上 方。這些部分結構通過一個共同的、尤其是一個中央彈簧元件耦合并且能夠被激勵至在一 個與襯底的表面平行的平面中作耦合的振動。這些部分結構中的每一個具有一個或多個科 氏元件，這些科氏元件設置用于驗證由科氏力引起的偏移。有利地，偏航率傳感器由于這些部分結構的機械耦合而配設有一個定義的、共同 的驅動模式，并且因此僅需要一個驅動調節回路。由此降低了電子分析處理電路的空間和 電流需求。在一種優選的實施方式中，該偏航率傳感器的兩個部分結構被激勵至一個驅動模 式，該驅動模式引起這兩個可運動的部分結構沿著一個共同的軸線逆平行地、反相地偏移。有利地，這類偏航率傳感器的質心在主振動周期期間是位置固定的。該偏航率傳 感器既不耦合輸出線性沖擊也不耦合輸出轉矩，由此降低與周圍環境的能量交換。 在另一種優選的實施方式中，該偏航率傳感器具有四個可運動的部分結構，這些 部分結構通過一個中央彈簧元件相互耦合并且允許被激勵至在一個與襯底的表面平行的 平面中的耦合的振動模式。在此，第一和第二可運動的部分結構在第一軸的方向上執行逆平行的振動，而第三和第四可運動的部分結構在第二軸的方向上執行逆平行的振動，該第 二軸垂直于所述第一軸定向。有利地，由四個部分結構組成的偏航率傳感器的耦合的振動模式同樣通過一個共同的驅動調節回路激勵，由此降低電子分析處理電路的空間和電流需求。此外，該由四個部分結構組成的偏航率傳感器也具有以下優點質心在振動周期 的持續時間中位置固定。因此，該偏航率傳感器既不耦合輸出線性沖擊也不耦合輸出轉矩。由四個部分結構組成的偏航率傳感器的另一個優點是能夠將用于檢測繞所有三 個空間軸的偏航率的科氏元件集成。因為作用在科氏元件上的科氏力垂直于科氏元件的驅 動方向并且垂直于偏航率的旋轉軸作用，所以繞平行于科氏元件的驅動方向的旋轉軸的偏 航率不會引起任何科氏力。因為根據本發明的由四個可運動的部分結構組成的偏航率傳感 器的主振動在多于僅一個空間方向上具有運動分量，所以能夠實現對繞任何一個空間軸的 偏航率的檢測。在該優選實施方式的一種擴展結構中，至少兩個反相振動的部分結構具有相同的 用于檢測繞相同軸的偏航率的科氏元件。有利地，載有相同的科氏元件的部分結構的反相 的主振動引起所述科氏元件的反相的二次振動。這能夠實現檢測信號的全差分式分析處 理。此外，逆平行的驅動及檢測運動降低了偏航率傳感器在出現的線性加速度方面的易受 干擾性。在另一種優選的實施方式中，偏航率傳感器的科氏元件不僅在驅動運動方面耦 合，而且在檢測模式中耦合。有利地，由此阻止了偏航率傳感器的不同科氏元件的檢測頻率 的不期望的分解。有利地，由本發明提供的雙軸式和三軸式偏航率傳感器可以成本有利地且適于大 批量生產地通過表面微機械的標準工藝制造。
現在根據附圖詳細闡述本發明。在此，對于相同的部件使用一致的附圖標記。圖1示出一種用于檢測繞y和ζ軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器；圖2示出一種用于檢測繞y和ζ軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器；圖3示出一種已知的微機械的彎曲彈簧；圖4示出一種構造為導體彈簧的彎曲彈簧；圖5示出一種用于檢測繞y和ζ軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器；圖6示出一種用于檢測繞χ和y軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器；圖7示出一種由四個部分結構組成的偏航率傳感器的驅動模式的示意圖；圖8示出一種由四個部分結構組成的偏航率傳感器的驅動模式的示意圖；圖9示出一種用于檢測繞χ和y軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器的示意圖；圖10示出一種用于檢測繞所有三個空間軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器的示 意圖；圖11示出一種用于檢測繞所有三個空間軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器的示 意圖；圖12示出一種對空間需求降低的三軸式偏航率傳感器的示意圖13示出一種三軸式偏航率傳感器的示意圖；圖14示出一種三軸式偏航率傳感器的示意圖；圖15示出一種三軸式偏航率傳感器的示意圖； 圖16示出一種三軸式偏航率傳感器的示意圖；圖17示出一種由六個部分結構組成的三軸式偏航率傳感器的示意圖。
具體實施例方式圖1示出一種雙軸式偏航率傳感器100的視圖。該偏航率傳感器100包括兩個可 運動的部分結構51，這些可運動的部分結構設置在一個在紙平面中延伸的襯底50上方。該 偏航率傳感器100的棱邊長為幾百微米。這些可運動的部分結構51的制造源于一種材料，該材料在最下面具有厚的硅襯 底，氧化層位于該硅襯底上。一多晶硅層VP位于該氧化層上方，該多晶硅層VP構成一個帶 狀導體平面。在該多晶硅層VP上接著是一個另外的氧化層0X，在該另外的氧化層OX上沉 積一硅層EP，該偏航率傳感器的可運動的部件由所述硅層EP制成。在該氧化層OX中在特 定位置處設置有一些空隙。在硅層EP的沉積期間，在這些空隙中形成硅層EP與帶狀導體 平面VP之間的連接。接著限定傳感器元件并且在蝕刻過程中去掉氧化層0X。從而得到懸 伸式結構。這些可運動的部分結構51中的每一個具有一個驅動框架52。這些驅動框架52 可以具有穿孔，在圖1中出于更清晰的考慮省去了這些穿孔的顯示。每個驅動框架52通過 四個連接彎曲彈簧53與襯底50連接。這些連接彎曲彈簧53構造為曲折形折疊的梁彈簧 (Balkenfeder)并且如此地定向，使得這些可運動的部分結構51可沿著在紙平面中延伸的 χ方向運動，而在所有其它的空間方向上被固定。這些連接彎曲彈簧53也可以具有其它的 幾何形狀，通過所述其它的幾何形狀保證與方向有關的彈簧剛度。每個可運動的部分結構51的驅動框架52可以通過兩個驅動梳形結構56在χ方 向上置于振動中。每個驅動梳形結構56由一個與襯底50連接的部分和一個與驅動框架52 連接的部分組成。驅動梳形結構56的這兩個部分具有這樣的梳形結構，它們的耙齒相互交 錯，但是不相互接觸。通過在驅動梳形結構56的這兩個部分上施加同極性或反極性的電 壓，可以在一個可運動的部分結構51上施加χ方向上的力并且將該可運動的部分結構51 置于振動之中。可運動的部分結構51的振動可以通過兩個另外的、固定在驅動框架42上 的、電容式的驅動檢測梳形結構57檢測。該驅動檢測梳形結構57的構造對應于驅動梳形 結構56的構造。這兩個驅動檢測梳形結構57以優選的方式設置在可運動的部分結構51 的相對兩側上，以便能夠實現對驅動振動的差分式檢測。每個驅動框架52在面向另一個驅動框架52的外棱邊上具有一個連接件102。兩 個連接件102與一個中央連接彈簧101連接。兩個可運動的部分結構51由此通過該中央 連接彈簧101耦合。該中央連接彈簧101由兩個曲折形地折疊的、由襯底材料制成的梁組 成。該中央連接彈簧101也可以具有其它的幾何形狀。兩個可運動的部分結構51中的每一個具有兩個科氏元件58。這些科氏元件58 具有大致矩形的形狀。每個可運動的部分結構51的第一科氏元件58是柵格結構科氏元件 70。每個可運動的部分結構51的第二科氏元件58是等臂梁結構科氏元件80。這些科氏元件58這樣地設置在可運動的部分結構51上，使得偏航率傳感器100關于一個垂直于襯底 50的表面定向的、設置在可運動的部分結構51之間的平面是鏡像對稱的。該柵格結構科氏元件70具有一個框架71。在該框架71的兩個在y方向上相對置的側面上，該框架71各通過兩個彎曲彈簧72與驅動框架52連接。這四個曲折形地折疊的 彎曲彈簧72由于其曲折部的定向主要可在y方向上延展，而該驅動框架52在χ方向上的 振動完全傳遞到柵格結構科氏元件70的框架71上。柵格結構科氏元件70的被框架71包 圍的區域具有可運動的電極73。在柵格結構的空缺空間中設置有固定電極74，這些固定電 極與位于其下方的帶狀導體平面連接。電極73、74允許檢測柵格結構科氏元件70在y方 向上的偏移。該等臂梁結構科氏元件80具有一個等臂梁元件81。該等臂梁元件81由兩個在y 方向上相鄰設置的、具有不同質量的元件組成，這些元件通過一個短臂連接。該短臂通過兩 個平行于X軸定向的扭簧82在兩側與驅動框架52連接。除此之外不存在等臂梁元件81 與驅動框架52的連接。該扭簧82允許等臂梁元件81繞一個由扭簧82構成的軸旋轉。除 了繞與χ軸平行的軸的旋轉之外，該等臂梁結構科氏元件80以理想的方式不具有相對于驅 動框架52的任何其它的運動自由度。該可運動的部分結構51在χ方向上的振動被完全傳 遞到等臂梁結構科氏元件80上。在等臂梁元件81的兩個部分的下方，在襯底50上各設有 一個檢測電極83。該等臂梁元件81的旋轉引起檢測電極83與等臂梁元件81之間的電容 的變化，由此能夠被差分地驗證。驅動梳形結構56的驅動頻率優選地如此選擇，使得兩個可運動的部分結構51都 被激勵至在X方向上作逆平行的振動，其中這兩個可運動的部分結構51的偏移是反相的。 因為這兩個可運動的部分結構51相互對稱地構造并且具有基本相同的質量，所以該偏航 率傳感器100的質心在逆平行的主振動的周期期間是位置固定的。因此，該偏航率傳感器 100既不耦合輸出線性沖擊也不耦合輸出轉矩，由此降低與周圍環境的能量交換。在出現繞ζ軸的偏航率時，第一和第二可運動的部分結構51的柵格結構科氏元件 70產生y方向上的科氏力。該科氏力導致柵格結構科氏元件70在y方向上偏移，該偏移 可以借助可運動的電極73和與襯底50連接的電極74檢測。由于這兩個可運動的部分結 構51的振動反相，科氏力在相反的方向上作用在這兩個柵格結構科氏元件70上。在可運 動的部分結構51的前半個振動周期期間，正的y方向上的科氏力例如作用在第一柵格結構 科氏元件70上，而負的y方向上的科氏力作用在第二柵格科氏元件70上。在下半個振動 周期期間，負的y方向上的科氏力作用在第一柵格結構科氏元件70上，而正的y方向上的 科氏力作用在第二柵格科氏元件70上。因此，能夠對柵格結構科氏元件70的通過電極73、 74檢測的偏轉進行差分式分析處理。因此，抑制了由在某些情況下附加地作用在偏航率傳 感器100上的線性加速度對偏航率檢測的干擾。在出現繞Z軸的偏航率時，y方向上的科氏力同樣作用在第一和第二可運動的部 分結構51上。但是，由于連接彎曲彈簧53在y方向上是剛性的，這兩個可運動的部分結構 51在y方向上的偏移被足夠強烈地抑制。y方向上的科氏力也作用在等臂梁結構科氏元件 80上。但是，由于扭簧82在y方向上是剛性的，該等臂梁結構科元件80在y方向上的偏移 同樣是不可行的，或者說被非常強烈地抑制。此外，平行于襯底表面的偏移不導致與襯底連 接的電極83上的電容變化。
在出現繞y軸的偏航率時，ζ方向上的科氏力作用在第一和第二可運動的部分結 構51的等臂梁結構科氏元件80上。由于等臂梁結構科氏元件80的等臂梁元件81的質量 不對稱地分布在扭簧82兩側，該在ζ方向上作用的科氏力引起等臂梁元件81繞扭簧82的 平行于χ軸定向的軸旋轉。該等臂梁元件81的旋轉可以通過檢測電極83上的電容變化檢 測。由于這兩個可運動的部分結構51的逆平行的振動運動，科氏力在相反的方向上作用在 這兩個等臂梁結構科氏元件上并且引起兩個等臂梁結構科氏元件80在相反的旋轉方向上 的旋轉。因此，可以差分地分析處理檢測電極83的電容變化，并且抑制由在可能情況下附 加地在偏航率傳感器100上作用的線性加速度對偏航率檢測的干擾。 在出現繞y軸的偏航率時，ζ方向上的科氏力同樣作用在第一和第二可運動的部 分結構51的驅動框架52上。但是，由于連接彎曲彈簧53在ζ方向上是剛性的，所述驅動 框架52在ζ方向上的偏移是不可行的。ζ方向上的科氏力也作用在柵格結構科氏元件70 上。但是，由于彎曲彈簧72在ζ方向上是剛性的，該柵格結構科氏元件70在ζ方向上的偏 移同樣是不可行的。圖2示出一種雙軸式偏航率傳感器200的示意圖。該偏航率傳感器200與圖1中 所示的偏航率傳感器100的區別在于在兩個可運動的部分結構51中的每一個中，等臂梁 結構科氏元件80被蹦床結構科氏元件90取代。這兩個蹦床結構科氏元件90中的每一個具有一個大致矩形的振動質量91。所述 振動質量91通過四個彎曲彈簧92與驅動框架52連接，其它方面可自由運動。每個彎曲彈 簧92大致在振動質量91的一個側棱邊的中點作用，平行于振動質量91的該側棱邊在振動 質量91與驅動框架52之間的縫隙中延伸直至振動質量91的相鄰側棱邊的大致中點并且 在那里與驅動框架52連接。有利地，彎曲彈簧92在χ和y方向上是剛性的，使得振動質量 91在χ和y方向上不能夠相對于驅動框架52偏移。在ζ方向上彎曲彈簧92允許振動質量 91相對于驅動框架52均勻地、面平行地偏移。在振動質量91下方，在襯底50上設置有檢 測電極94。振動質量91的偏移引起檢測電極94上的電容變化并且能夠由此被驗證。在出現繞y軸的偏航率時，ζ方向上的科氏力作用在兩個蹦床結構科氏元件90上 并且引起振動質量91在ζ方向上偏移。由于兩個可運動的部分結構51的反相運動，科氏 力在相反的方向上作用在兩個蹦床結構科氏元件90上并且引起兩個振動質量91的相反的 偏移。因此，這兩個振動質量91的偏移可以通過檢測電極94差分式地實現。由此，偏航率 傳感器200對于由ζ方向上的線性加速度引起的干擾是不敏感的。圖3示出已知的彎折的彎曲彈簧92的示意圖，該彎曲彈簧可以用于懸掛蹦床結構 科氏元件90的振動質量91。該彎曲彈簧92由一個單獨的、長的、細的硅制梁組成。該梁在 中間區域中具有一個90°的彎折部。在該梁的兩個端部上與該梁成90°角地設置端部件， 彎曲彈簧91可以通過所述端部件與其它的微機械構件、例如蹦床結構科氏元件90的振動 質量91和驅動框架52連接。圖4示出導體彈簧93的示意圖，該導體彈簧同樣能夠用于將振動質量91懸掛在 蹦床結構科氏元件90上。該導體彈簧93由兩個平行的、長的、細的、硅制的梁組成，所述梁 在導體彈簧93的長度上多次通過硅制的橫檔95連接。兩個橫檔95相互間的間距大于導 體彈簧93的兩個平行梁的間距。導體彈簧93在中間區域中具有一個90°的彎折部。在導 體彈簧93的兩個端部上成90°角地設置端部件，導體彈簧93可以通過這些端部件與其它的微機械構件、例如蹦床結構科氏元件90的振動質量91和驅動框架52連接。與圖3中的 彎曲彈簧92相比，該導體彈簧93提供了顯著更高的、χ和y方向上的剛度與ζ方向上的剛 度之比。因此，導體彈簧93比彎曲彈簧92更好地適用于懸掛蹦床結構科氏元件的振動質 量91。導體彈簧93也可以用于任何其它的微機械構件，這些微機械構件需要具有各向異性 的彈簧剛性的彈簧元件。圖5示出一種另外的用于檢測y和ζ軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器500的示意圖。該偏航率傳感器500包括四個可運動的部分結構51。這四個可運動的部分結構51 通過連接件102與一個中央連接彈簧501連接。該連接彈簧501由一個曲折形地折疊的、 由襯底材料制成的梁組成。該連接彈簧501也可以構造成其它形式。第一和第二可運動的部分結構51被這樣地設置，使得它們可以被激勵在χ方向上 作耦合的振動。第三和第四可運動的部分結構51如此地設置，使得它們可以被激勵在y方 向上作耦合的振動。第一和第二可運動的部分結構51的振動與第三和第四可運動的部分 結構51的振動通過該中央連接彈簧501相互耦合。該偏航率傳感器500的四個可運動的 部分結構51可以激勵至一個共同的驅動模式中，該驅動模式引起四個可運動的部分結構 51在χ和y方向上的疊加的偏移。在圖7和8中示意性示出了兩種可能的驅動模式。圖7 中所示的驅動模式(呼吸模式(breath-mode)) 700引起所有四個可運動的部分結構51同 時向著中央連接彈簧501或者離開中央連接彈簧501運動。在圖8中所示的驅動模式(逆 呼吸模式(anti-breath-mode)) 701中，在第一半個振動周期中，兩個在χ方向上可運動的 部分結構51向著中央連接彈簧501運動，而兩個在y方向上可運動的部分結構51從中央 連接彈簧501運動離開。在第二半個振動周期中，兩個在χ方向上可運動的部分結構51從 中央連接彈簧501運動離開，而兩個在y方向上可運動的部分結構51向著中央連接彈簧 501運動。該中央連接彈簧501引起偏航率傳感器500的在圖7和8中所示的兩個驅動模 式700、701的頻率分解。通過借助設置在偏航率傳感器500的可運動的部分結構51上的 驅動梳形結構56在χ和y方向上的定義的相位正確的力耦合輸入，可以符合目的地激勵出 兩個驅動模式700、701中的一個。與在圖1和2中所示的偏航率傳感器100、200不同，圖5中所示的偏航率傳感器 500的可運動的部分結構51中的每一個僅具有一個科氏元件58。在χ方向上可運動的第 一和第二部分結構51各具有一個蹦床結構科氏元件90。在y方向可運動的第三和第四部 分結構51各具有一個柵格結構科氏元件70。在出現繞y軸的偏航率時，ζ方向上的科氏力作用于在χ方向上可運動的第一和第 二部分結構51上并且引起蹦床結構科氏元件90的振動質量91在ζ軸的方向上偏移。第 一和第二可運動的部分結構51的逆平行的運動引起振動質量91的指向相反方向的偏移并 且允許借助蹦床結構科氏元件90的檢測電極94進行差分式分析處理。在出現繞Z軸的偏航率時，χ方向上的科氏力作用于在y方向上可運動的第三和 第四部分結構51上并且引起柵格結構科氏元件70的框架71沿著χ軸偏移。由于第三和 第四可運動的部分結構51的逆平行的運動，兩個柵格結構科氏元件70的框架71在相反方 向上偏移，這能夠實現差分式分析處理。圖6示出一種用于檢測繞χ和y軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器的示意圖。該 偏航率傳感器600與在圖5中所示的偏航率傳感器500的區別在于在y方向上可運動的部分結構51也具有蹦床結構科氏元件90，而不具有柵格結構科氏元件70。在出現繞χ軸 的偏航率時，ζ方向上的科氏力作用于在y方向上可運動的部分結構51上，該科氏力引起 蹦床結構科氏元件90的振動質量91在ζ軸的方向上偏移。由于在y軸上可運動的部分結 構51的逆平行的運動，該科氏力引起兩個振動質量91的相反的偏移，該偏移可以差分式地 分析處理。
圖9示出一種用于檢測繞χ和y軸的偏航率的雙軸式偏航率傳感器900的示意圖。 如在圖6中所示的偏航率傳感器600 —樣，該偏航率傳感器900具有四個可運動的部分結 構51，這些可運動的部分結構各包括一個蹦床結構科氏元件90。但是，與圖6相比，可運動 的部分結構51的驅動框架52被兩部分式驅動框架902取代。在兩部分式驅動框架902與 中央連接彈簧501之間不存在連接。替代地，該中央連接彈簧501通過連接件901與蹦床 結構科氏元件90的振動質量91連接。此外，蹦床結構科氏元件90的振動質量91通過附 加的連接元件903在每一個部分結構51的背離中央連接彈簧501的一側與襯底50連接。 振動質量91的通過中央連接彈簧50的耦合導致科氏元件58不僅在驅動運動方面，而且 在檢測模式方面耦合。彎曲彈簧904在該實施例中U形地構造，該彎曲彈簧使振動質量91 與驅動框架902連接。兩個部分框架51的質量或兩個科氏元件58的彎曲彈簧92或904的彈簧剛度的 由工藝技術引起的差別可能導致兩個科氏元件58的檢測頻率的不期望的分解，由此在科 氏元件58的驅動運動與檢測運動之間得到不同的相位關系。這使得對兩個檢測通道的、例 如在多路復用運行中通過一個共同的分析處理回路的簡單分析處理更難，因為必須檢測具 有不同相位的信號。電子的正交補償也明顯變難。通過四個可運動的部分結構51的科氏 元件58的檢測模式的耦合能夠避免該問題。圖10示出一種用于檢測繞x、y和ζ軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器1000的示 意圖。如在圖5和6中所示的偏航率傳感器500、600 —樣，該三軸式偏航率傳感器1000由 四個可運動的部分結構51組成，這些可運動的部分結構通過連接件102耦接到一個中央連 接彈簧501上。與偏航率傳感器500、600不同，偏航率傳感器1000的每個可運動的部分結 構51具有兩個科氏元件58。每個可運動的部分結構51包括一個等臂梁結構科氏元件80 以及一個柵格結構科氏元件70。在出現繞y軸的偏航率時，ζ軸的方向上的科氏力作用于在χ方向上可運動的部 分結構51上并且引起在χ方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80的等臂 梁元件81繞平行于χ軸定向的扭簧82旋轉。這兩個在χ方向上可運動的部分結構51的 逆平行的運動允許對等臂梁元件81的由科氏力引起的傾斜進行差分式分析處理，由此允 許檢測繞y軸的偏航率。在出現繞χ軸的偏航率時，ζ方向上的科氏力作用于在y方向上可運動的部分結 構51上并且引起在y方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80的等臂梁元 件81繞平行于y軸定向的扭簧82旋轉。由于兩個在y方向上可運動的部分結構51的逆 平行的運動，對等臂梁元件81的旋轉的差分式分析處理是可行的。在出現繞ζ軸的偏航率時，y方向上的科氏力作用于在χ方向上可運動的部分結構 51上并且引起在χ方向上可運動的部分結構51的柵格結構科氏元件70的框架71在y軸 的方向上偏移。由于兩個在χ方向上可運動的部分結構51的逆平行的運動，對框架71的由科氏力引起的偏移的差分式分析處理是可行的。此外，在出現繞Z軸的偏航率時，χ軸的方向上的科氏力作用于在y方向上可運動 的部分結構51上并且引起在y方向上可運動的部分結構51的柵格結構科氏元件70的框 架71在χ軸的方向上偏移。由于兩個在y方向上可運動的部分結構51的逆平行的運動， 也可以對該偏移進行差分式檢測。因此，為了測定繞ζ軸的偏航率，總共提供了四個科氏元 件58。圖11示出另一種用于測定繞所有三個空間軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器 1100的示意圖。與在圖10中所示的偏航率傳感器1000不同，用于測定繞χ和y軸的偏航 率的四個等臂梁結構科氏元件80被蹦床結構科氏元件90取代。這些蹦床結構科氏元件同 樣適合用于差分式地檢測繞χ和y軸的偏航率。圖10、11中的三軸式偏航率傳感器1000、1100并不一定要具有許多用于測定繞ζ 軸的偏航率的科氏元件58。圖12示出了一種三軸式偏航率傳感器1200的示意圖，其構造 與圖10中的偏航率傳感器1000的構造類似。然而，在y方向上可運動的部分結構51缺少 柵格結構科氏元件70。在y方向上可運動的部分結構51因此僅分別包括一個等臂梁結構 科氏元件80。在χ方向上可運動的部分結構51的柵格結構科 氏元件70僅用于檢測繞ζ軸 的偏航率。此外，在y方向上可運動的部分結構51的驅動框架52與中央連接彈簧501之間 的連接件102相對于在χ方向上可運動的部分結構51的驅動框架52與中央連接彈簧501 之間的連接件102強烈地縮短，使得在y方向上可運動的部分結構51設置在襯底50表面 的位于在χ方向上可運動的部分結構之間的區域中。由此減少了偏航率傳感器1200的空 間需求。偏航率傳感器1200的在y方向上可運動的部分結構51僅各具有一個科氏元件 58，而偏航率傳感器1200的在χ方向上可運動的部分結構51各包括兩個科氏元件58。因 此，在y方向上可運動的部分結構51的質量小于在χ方向上可運動的部分結構51的質量。 在一種優選的實施方式中，質量差別通過中央連接彈簧501在χ和y方向上的不同彈簧剛 度來補償。在該實施方式中，該中央連接彈簧501在y方向上具有的彈簧剛度小于在χ方 向上的彈簧剛度。所述彈簧剛度這樣地選擇，使得在y方向上可運動的部分結構51執行具 有與在χ方向上可運動的部分結構51相當的偏移幅值的振動。該中央連接彈簧501的剛 度可以通過各個彈簧元件的不同長度和厚度來調節。圖13示出另一種用于檢測繞所有三個空間方向的偏航率的三軸式偏航率傳感器 1300的示意圖。該偏航率傳感器1300包括四個可運動的部分結構51。在χ方向上可運動 的部分結構51各具有兩個用于檢測繞y和ζ軸的偏航率的科氏元件58。兩個在y方向上 可運動的部分結構51各具有一個用于差分式地檢測繞χ軸的偏航率的科氏元件58。在χ方向上可運動的部分結構51各具有一個兩部分式的柵格結構科氏元件1301 和一個等臂梁結構科氏元件80。兩部分式的柵格結構科氏元件1301具有一個U形并且包 圍該等臂梁結構科氏元件80，但是不與其接觸。通過兩部分式的柵格結構科氏元件1301 的該形狀，在χ方向上可運動的部分結構51具有關于平行于χ軸的鏡像平面的對稱性。這 兩個在χ方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80用于差分式地檢測繞y軸 的偏航率。這兩個在χ方向上可運動的部分結構51的兩個兩部分式的柵格結構科氏元件 1301用于差分式地檢測繞ζ軸的偏航率。
兩個在y方向上可運動的部分結構51各具有一個等臂梁結構科氏元件80。在y 方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80相對于在圖12中所示的偏航率傳 感器1200的在y方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80轉過90°。因此， 在y方向上可運動的部分結構51不但具有關于平行于y軸的鏡像平面的內部對稱性，而且 相互之間具有對稱性。蹦床結構科氏元件90的工作方式并不因為轉過90°的布置而改變。在y方向上可運動的部分結構51的驅動框架52在平行于y軸的側棱邊上各具有 一個懸臂1302。用于驅動在y方向上可運動的部分結構51的驅動梳形結構56以及用于 檢測在y 方向上可運動的部分結構51的驅動運動的電容式的驅動檢測梳形結構57設置于 在y方向上可運動的部分結構51的驅動框架52的懸臂1302上。在y方向上可運動的部 分結構51的驅動框架52的與χ軸平行的整個側棱邊通過四個連接彎曲彈簧53抓住。驅 動梳形結構56、電容式的驅動檢測梳形結構57以及連接彎曲彈簧53的布置能夠實現在y 方向上可運動的部分結構51的更小的空間尺寸，由此減少三軸式偏航率傳感器1300的面 積需求。圖14示出另一種用于檢測繞所有三個空間方向的偏航率的三軸式偏航率傳感器 1400。該偏航率傳感器1400相應于在圖12中所示的偏航率傳感器1200，其中，在所有四個 可運動的部分結構51中，等臂梁結構科氏元件80被蹦床結構科氏元件90取代。在y方向 上可運動的部分結構51的蹦床結構科氏元件90允許差分式地檢測繞χ軸的偏航率。在χ 方向上可運動的部分結構51的蹦床結構科氏元件90允許差分式地檢測繞y軸的偏航率。 轉速率傳感器1400具有比偏航率傳感器1200更高的對稱性。圖15示出用于檢測繞所有x、y和ζ軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器1500的另 一種實施方式。該轉速率傳感器1500包括四個可運動的部分結構51。在這些可運動的部 分結構51之間存在一個中央連接彈簧1501，該中央連接彈簧1501構造成由襯底材料制成 的、圓形的薄環。該中央連接彈簧1501通過四個垂直地分別以90°的間距設置的連接件 1505與四個可運動的部分結構51的驅動框架1502連接。該中央連接彈簧1501也可以具 有橢圓形的形狀，以便在χ和1方向上實現不同的彈簧剛度。每個可運動的部分結構51通過四個連接彎曲彈簧1503與襯底50連接。每個可 運動的部分結構51的連接彎曲彈簧1503如此地定向，使得可運動的部分結構51在與襯底 表面平行的第一軸的方向上是可運動的，而在與第一軸垂直的兩個軸的方向上固定的。第 一和第二可運動的部分結構51可以被激勵在χ軸的方向上作逆平行的振動。第三和第四 可運動的部分結構51可以被激勵在y軸的方向上做逆平行的振動。為了激勵出該振動，每 個可運動的部分結構51在驅動框架1502的背離中央連接彈簧1501的一側上具有驅動梳 形結構1504，所述驅動梳形結構接收驅動框架1502的整個側面。在另一種實施方式中，驅 動梳形結構1504接收驅動框架1502的側面的僅僅一部分并且通過驅動檢測梳形結構57 補充。偏航率傳感器1500的四個通過中央連接彈簧1501相互連接的可運動的部分結構 51可以被激勵在χ和y方向上作耦接的振動，該振動引起四個可運動的部分結構51在χ和 y方向上的疊加的偏移。例如，可以被激勵出在圖7和8中示意性示出的驅動模式700、701。四個可運動的部分結構51的驅動框架1502具有一個六角形的基本形狀。每個驅 動框架1502包括一個矩形部分，在該矩形部分的面向中央連接彈簧1501的縱向側上設置等腰梯形的底邊。每個可運動的部分結構51的驅動框架1502的矩形部分具有一個用于檢 測繞ζ軸的偏航率的柵格結構科氏元件70。每個可運動的部分結構51的該驅動框架1502 的梯形部分具有一個蹦床結構科氏元件1510。每個蹦床結構科氏元件1510包括一個梯形 的振動質量1511，該梯形的振動質量分別通過四個彎曲彈簧1512與驅動框架1502連接。 這些彎曲彈簧1512如此地設置，使得振動質量1511在χ和y方向上跟隨驅動框架1502運 動，而振動質量1511可以在ζ方向上相對于驅動框架1502偏移。在出現繞y軸的偏航率 時，ζ軸的方向上的科氏力作用于在χ方向上可運動的部分結構51上并且引起所述在χ方 向上可運動的部分結構51的蹦床結構科氏元件1510的振動質量1511沿著ζ軸偏移。由 于在χ方向上可運動的部分結構51的逆平行的運動，兩個在χ方向上可運動的部分結構51 的振動質量1511在相反方向上偏移并且允許差分式地檢測繞y軸的偏航率。在y方向上 可運動的部分結構51的兩個蹦床結構科氏元件1510允許差分式地測定繞χ軸的偏航率。圖16示出另一種用于測定繞χ、y和ζ軸的偏航率的三軸式偏航率傳感器1600。 該偏航率傳感器1600包括四個可運動的部分結構51，其分別具有一個科氏元件58。在此， 在χ方向上可運動的部分結構51中的一個具有一個等臂梁結構科氏元件80，另一個在χ方 向上可運動的部分結構51具有一個柵格結構科氏元件70。在y方向上可運動的部分結構 51中的一個具有一個柵格結構科氏元件70，另一個在y方向上可運動的部分結構51具有 一個等臂梁結構科氏元件80。如果所述三軸式偏航率傳感器1600的四個可運動的部分結構51被激勵至一個共 同的驅動模式，則這兩個柵格結構科氏元件70允許差分式地檢測繞ζ軸的偏航率。第一個 在χ方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80允許檢測繞y軸的偏航率。第 二個在y方向上可運動的部分結構51的等臂梁結構科氏元件80允許檢測繞χ軸的偏航率。因為該三軸式偏航率傳感器1600的四個可運動的部分結構51中的每一個僅具有 一個科氏元件58，所以該偏航率傳感器1600的面積需求小于在圖10中所示的偏航率傳感 器1000的面積需求。但是，逆平行地振動的部分結構51相互間沒有對稱性。兩個逆平行 地振動的部分結構51的科氏元件58的不同質量可以通過適當地選擇這兩個逆平行地振動 的部分結構51的驅動框架52的質量來均衡。圖17示出三軸式偏航率傳感器1700的示意圖，其由六個可運動的部分結構51組 成。該偏航率傳感器1700的四個可運動的部分結構51構成一個雙軸式偏航率傳感器，其 構造與在圖6中所示的偏航率傳感器600的構造相對應。出于清楚的考慮，僅僅示出了一 些連接彎曲彈簧53并且省去了驅動梳形結構56以及電容式的驅動檢測梳形結構57的顯 示。兩個另外的可運動的部分結構51相對于前面四個可運動的部分結構51旋轉45°地設 置在所述中央連接彈簧501的兩側并且同樣通過連接件102與中央連接彈簧501連接。這 六個可運動的部分結構51可被激勵至一個共同的振動模式。前面四個可運動的部分結構51各具有一個蹦床結 構科氏元件90。在χ方向上可 運動的部分結構51允許差分式地檢測繞y軸的偏航率。在y方向上可運動的部分結構51 允許差分式地檢測繞χ軸的偏航率。兩個另外的在x_y平面中成對角地可運動的部分結構 51各具有一個柵格結構科氏元件70并且允許差分式地檢測繞ζ軸的偏航率。
權利要求
偏航率傳感器，具有襯底(50)和多個可運動的部分結構(51)，所述可運動的部分結構設置在所述襯底(50)的表面上方，其特征在于，所述可運動的部分結構(51)與一個共同的、尤其是中央彈簧元件(101，501，1501)耦合，設有器件(56，1504)，用于激勵所述可運動的部分結構(51)在與所述襯底(50)的表面平行的平面中作耦合的振動，所述可運動的部分結構(51)具有科氏元件(58)，設有用于驗證所述科氏元件(58)的由科氏力引起的偏移的器件(73，74，83，94)，設有用于驗證繞第一軸的偏航率的第一科氏元件(58)，設有用于驗證繞第二軸的偏航率的第二科氏元件(58)，所述第二軸與所述第一軸不平行地，尤其是垂直地定向。
2.根據權利要求1的偏航率傳感器，其特征在于，每個科氏元件(58)通過另外的彈簧 元件(72，82，92，93，1512)與這些部分結構(51)中的一個的驅動框架(52)連接，所述科氏元件(58)與所述中央彈簧元件(101，501，1501)連接。
3.根據權利要求1的偏航率傳感器(900)，其特征在于，每個科氏元件(58)通過另外 的彈簧元件(904)與這些部分結構(51)中的一個的驅動框架(902)連接，每個部分結構(51)的所述驅動框架(902)與所述中央彈簧元件(101，501，1501)連接。
4.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，至少兩個可運動的部分結構 (51)的共同的質心在振動周期期間保持位置固定。
5.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，至少一個科氏元件(70， 1301)通過彎曲彈簧元件(72)與一個部分結構(51)連接，所述彎曲彈簧元件(72)在所述部分結構(51)的振動方向上具有高的剛度， 所述彎曲彈簧元件(72)在第二方向上具有小的剛度，所述第二方向垂直于所述部分 結構(51)的振動方向并且平行于所述襯底(50)的表面定向，設有用于驗證所述科氏元件(70，1301)的由科氏力引起的、在第二方向上的偏移的器 件(73，74)。
6.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，至少一個科氏元件(80)構造 為等臂梁，所述科氏元件(80)通過扭簧元件(82)與一個部分結構(51)連接，所述扭簧元件(82)構成所述等臂梁的一個與所述襯底(50)的表面平行的旋轉軸，所述等臂梁的兩側具有不同的質量，所述科氏元件(80)可通過垂直于所述襯底(50)的表面作用的科氏力繞所述旋轉軸旋轉，設有用于驗證所述科氏元件(80)的旋轉的器件(83)。
7.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，至少一個科氏元件(90， 1510)通過彎曲彈簧元件(92，1512)與一個部分結構(51)連接，所述彎曲彈簧元件(92，1512)在與所述襯底(50)的表面平行的方向上具有高的剛度， 所述彎曲彈簧元件(92，1512)在第二方向上具有小的剛度，所述第二方向垂直于所述襯底(50)的表面定向，設有用于驗證所述科氏元件(90，1510)的由科氏力引起的、在第二方向上的偏移的器 件(94)。
8.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，至少一個可運動的部分結構 (51)具有多于一個科氏元件(58)。
9.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，設有用于激勵兩個可運動的 部分結構(51)至一個振動模式的器件(56，1504)，所述振動模式基本上引起這兩個可運動 的部分結構(51)沿著一個共同的軸的反相的偏移。
10.根據權利要求9的偏航率傳感器，其特征在于，可被激勵至一個共同的、具有反相 偏移的振動模式的所述兩個可運動的部分結構(51)各具有一個科氏元件(58)，這兩個科氏元件(58)由于科氏力可在相反的方向上偏移。
11.根據權利要求1至8之一的偏航率傳感器，其特征在于，設有四個可運動的部分結 構(51)，設有用于激勵所述四個可運動的部分結構(51)至耦合的振動模式(700，701)的器件 (56，1504)，所述耦合的振動模式引起第一和第二可運動的部分結構(51)的沿著第一軸的基本上 反相的偏移，并且所述耦合的振動模式引起第三和第四可運動的部分結構(51)的沿著第二軸的基 本上反相的偏移。
12.根據權利要求11的偏航率傳感器，其特征在于，設有用于激勵出一個振動模式(700)的器件(56，1504)，在該振動模式中所述第一和第二可運動的部分結構(51)的偏移 與所述第三和第四可運動的部分結構(51)的偏移同相地進行。
13.根據權利要求11的偏航率傳感器，其特征在于，設有用于激勵出一個振動模式(701)的器件(56，1504)，在該振動模式中所述第一和第二可運動的部分結構(51)的偏移 與所述第三和第四可運動的部分結構(51)的偏移反相地進行。
14.根據權利要求11至13之一的偏航率傳感器，其特征在于，所述科氏元件(58)設置 用于測定繞三個相互垂直的軸的偏航率。
15.根據權利要求11至14之一的偏航率傳感器，其特征在于，所述第一和第二可運動 的部分結構(51)具有基本上相同的第一質量，所述第三和第四可運動的部分結構(51)具有基本上相同的第二質量， 所述中央彈簧元件(501，1501)在所述第一軸的方向上具有第一彈簧剛度， 所述中央彈簧元件(501，1501)在所述第二軸的方向上具有第二彈簧剛度， 所述第一質量、所述第二質量、所述第一彈簧剛度和所述第二彈簧剛度被如此地選擇， 使得所述四個可運動的部分結構(51)可被激勵至一個振動模式，在該振動模式中所有四 個可運動的部分結構(51)具有基本相同的偏移幅值。
16.根據權利要求11至15之一的偏航率傳感器，其特征在于，所述第三和第四可運動 的部分結構(51)如此地設置在所述襯底(50)的表面上，使得所述第三和第四可運動的部 分結構(51)的面積的一部分覆蓋所述襯底(50)的表面的一個區域，該區域位于所述第一 和第二可運動的部分結構(51)之間。
17.根據以上權利要求之一的偏航率傳感器，其特征在于，所述中央彈簧元件(501)由 多個耙齒和連接元件組成，每個耙齒包括一個逆時針的90°的第一彎折部、一個具有第一長度的第一直線區段、 一個順時針的90°的第二彎折部、一個具有第二長度的第二直線區段、一個順時針的90° 的第三彎折部和一個具有第一長度的第三區段，每個連接元件包括一個逆時針的90°的第四彎折部和一個具有第三長度的第四區段， 在每個耙齒上要么連接一個連接元件，要么連接一個另外的耙齒， 在每個連接元件上連接一個耙齒， 所述彈簧元件(501)構成一個封閉的環。
18.根據權利要求1至16之一的偏航率傳感器，其特征在于，所述中央彈簧元件 (1501)構造成一個環，其中，所述可運動的部分結構(51)通過設置在所述環上的連接件 (1505)與所述中央彈簧元件(1501)耦合。
19.微機械的導體彈簧(93)，用于懸掛微機械結構元件、尤其是用于懸掛科氏元件 (58)，其特征在于，所述微機械的導體彈簧(93)具有兩個基本上平行的梁，這兩個梁在其長度上通過多個連接橫檔(95)連接，所述多個連接橫檔(95)相互間的間距至少與所述梁相互間的間距一樣大。
全文摘要
本發明涉及一種偏航率傳感器，具有襯底和多個可運動的部分結構，所述可運動的部分結構設置在所述襯底的表面上方，其中，所述可運動的部分結構與一個共同的、尤其是中央彈簧元件耦合，設有用于激勵所述可運動的部分結構在與所述襯底的表面平行的平面中作耦合的振動的器件，所述可運動的部分結構具有科氏元件，設有用于驗證所述科氏元件的由科氏力引起的偏移的器件，設有用于檢測繞第一軸的偏航率的第一科氏元件，設有用于檢測繞第二軸的偏航率的第二科氏元件，所述第二軸與所述第一軸垂直地定向。
文檔編號G01C19/56GK101868692SQ200880116117
公開日2010年10月20日 申請日期2008年10月2日 優先權日2007年11月15日
發明者A·弗蘭克, B·庫爾曼, D·C·邁澤爾, J·克拉森, J·豪爾, K·克爾, O·科恩, R·諾伊, T·歐姆斯, U-M·戈梅 申請人:羅伯特·博世有限公司