专利名称：旋转速率传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有基板和能够在设计平面上相对于该基板移动的两个单独结构的旋转速率传感器，其中，这两个单独结构相耦合以形成耦合结构，从而使得该耦合结构具有作为激励模式的、移动结构沿设计平面上的第 一 方向反相偏转的第一振荡模式，并且该耦合结构具有作为检测模式的第二振荡模式，其中在激励第一振荡模式时并且在围绕旋转速率传感器的相对于设计平面成直角的灵敏轴的旋转期间，利用科里奥利加速来激励该第二振荡模式，并且该第二振荡模式具有检测谐振频率。
背景技术：
WO 2005/066585 Al、 WO 2005/066584 A1和US 6，605，164说明了以下(利用图7示出的)旋转速率传感器该旋转速率传感器具有通过弹性元件711、731相耦合的激励单元710、采样块730和基板，由此近似地，激励单元710可以仅沿第一轴(x轴)的方向相对于基板移动，并且采样块730可以仅沿与第 一 轴(x轴)成直角的第二轴(y轴)的方向相对于激励单元710移动。这两个轴都位于基板平面上，即结构在制造公差的范围内不会相对于基板成直角移动d不需要可以沿z方向施加力并且可以沿z方向测量移动所利用的力传递器和分接头(tap)这两者。这意味着还可以使用制造这种结构的如下制造方法，利用该制造方法不能生成z力传递器和z分接头。在以科里奥利陀螺仪(Codolis gyro)形式的旋转速率传感器的工作期间，激励单元710沿第 一 轴(x轴)的方向激励第 一振荡(激励模式)。采样块730在这种情况下以与激励单元710相同的振幅和相位(近似)沿该方向移动。为激励单元710设置力传递器和分接头714,利用力传递器和分接头714, 在最优选的工作模式下以谐振频率且利用以固定值调整的速度 振幅对激励模式进行激励。
当科里奥利陀螺仪围绕相对于基板平面成直角的轴(z)旋 转时，科里奥利力沿第二轴(y)的方向作用于单独结构上。由于 上述移动自由度，因此科里奥利力仅能够偏转采样块730。在这 种情况下，采样块730沿第二轴(y)的方向执行振荡，并且在下 文还将此称为检测模式。可以将由此产生的采样块730的振荡的 振幅或偏转用作测量变量。由于该目的，需要如具有锚定至基
可选地，可以复位该科里奥利力。由于该目的，需要可以向采 样块7 3 0施加力所利用的力传递器(例如，如上所述的电极配置， 其中可以经由通用电极或单独电极选择性地提供分接头功能和 力传递器功能)。另外，复位力的振幅是角速度的度量。
所引用的文献还说明了在通用基板上均4皮此并排地配置两 个上述陀螺元件、并由其它弹性元件耦合这两个驱动单元和/ 或这两个采样块的性能。
WO 02/16871 A1和US 6,691,571 B2"i兌明了以下作为旋转 速率传感器的(利用图8示出的)陀螺仪，这些陀螺仪具有通过弹 性元件811、 821、 831和832相耦合的激励单元810、科里奥利元 件820、 ^全测单元830和基板，由此近似地，激励单元810可以仅 沿第 一轴(x轴)的方向相对于基板移动，；险测单元830可以仅沿 与第一轴(x轴)成直角的第二轴(y轴)的方向相对于基板移动，并 且科里奥利元件8 2 0可以 <又沿第二轴(y)的方向相对于激励单元 810移动，并且仅沿第 一 轴(x)的方向相对于检测单元8 3 0移动。 这两个轴均位于基板平面上，即这些结构在制造公差的范围内 不会相对于基板成直角移动。不需要可以沿z方向施加力以及可以沿Z方向测量移动所利用的力传递器和分接头。这意味着还可 以使用制造这些结构的如下制造方法，利用该制造方法不能生 成这种Z力传递器和Z分接头。
为了操作科里奥利陀螺仪，激励单元810沿第一轴(x)的方 向激励第 一振荡(激励模式)。科里奥利元件820在这种情况下以 与激励单元810相同的振幅和相位(近似)沿该方向移动，而测 单元830(近似)没有沿该方向移动。为激励单元81 (H殳置力传递 器和分接头814，利用力传递器和分接头814，在最优选的工作
模式下以谐振频率并且利用以固定值调节的速度振幅对激励模 式进行激励。
当科里奥利陀螺仪围绕相对于基板平面成直角的轴(z轴) 旋转时，科里奥利力沿第二轴(y)的方向作用于该移动结构上。 由于上述移动自由度，因此科里奥利力仅能够偏转科里奥利元 件820(而不是激励单元810),其中检测单元830也正在移动。在 这种情况下，科里奥利元件820连同4全测单元830 —起沿第二轴 (y)的方向执行振荡，并且在下文也将此称为检测模式。可以使 用由此产生的检测模式的振幅作为测量变量。由于该目的，需 要如具有锚定至基板的相对电极的检测单元8 3 0上的电极等的 适当的分4妻头834。可选地，可以复位该考牛里奥利力。由于该目 的，需要能够向检测模式施加力所利用的力传递器(例如，如上 所述的电极配置，在这种情况下，可以经由通用电极或经由单 独电极选择性地执行分接头功能和力传递器功能)。另外，复位 力的振幅是角速度的度量。
WO 02/16871 A1和US 6,691,571 B2还i兌明了在通用基寺反 上均彼此并排地配置两个上述陀螺元件、并由其它弹性元件耦 合两个驱动单元、两个科里奥利元件或两个一全测单元的性能。
然而，在根据现有技术的所有实施例中，除非通过复位力
9补偿了沿第二轴的方向的线性加速力，否则采样块和/或科里奥
耦合结构还具有采样块和/或科里奥利元件以及检测单元沿第 二轴的方向同相移动的特征模式(在下文还称为"线性模式")， 因此该"相对大"的偏转是有可能的，并且该线性模式的谐振频 率低于检测模式的谐振频率①2 。
术语"相对大"应当被理解为表示在沿第二轴方向的线性 稳态加速度a的情况下，偏转x等于几个百分点
或者更大(在这种情况下， 2是检测模式的谐振频率)。该等式 针对单独结构完全成立。对于不存在采样块的耦合和/或科里奥 利元件/检测单元的耦合的耦合结构，可能存在具有由于制造公 差因而略有不同的谐振频率的两个独立的检测模式，并且/或者 (例如，通过具有非无限大的刚度的固态结构组件的)差的耦合 可能导致少量的通用模式/差分模式分割。
当利用采样块和/或科里奥利元件和/或检测单元的附加弹 性元件有意执行耦合时，单独结构的检观'J模式的谐振被分割成 通用模式和差分模式。该差分模式与检测模式相对应，并且在 现有技术的相关例子中，差分模式总是具有比通用模式高的谐 振频率。另外，基于加速度的偏转大于由等式(l)得出的偏转。
在不存在上述对线性加速力的复位的情况下，在输出信号 中存在基于加速度的误差。在两个耦合陀螺仪单元的情况下可 以补偿这些误差，然而仅能够部分地补偿这些误差。复位减少 了误差信号，但要求适当设计的力传递器。例如，在静电力传 递器的情况下，电极的要求大小和/或电压的要求振幅可能对传 感器元件的机械特性和/或对电子设备(组件的数量、功率损耗和物理大小)具有不利影响。
根据M.F.Zaman 、 A. Sharma 、 以及F. Ayazi的"High Performance Matched-Mode Tuning Fork Gyroscope", Proc. IEEE Micro Electromechanical Systems Workshop (MEMS 2006), Istanbul, Turkey, Jan. 2006， pp. 66-69,已知以下微机械陀螺仪 结构，该微机械陀螺仪结构具有两个耦合采样块，其中，激励 模式和检测模式各自对应于基板平面上这两个采样块的线性反 相振荡。近似地，检测模式的谐振频率和线性模式的谐振频率 相同，即线性加速度引起采样块的相对大的偏转，这导致了误 差信号。
已知 一 些微机械陀螺仪结构(p. Greiff 、 B. Boxenhorn 、 T. King 、 以及L. Niles的"Silicon Monolithic Micromechanical Gyroscope", Tech. Digest, 6th Int. Conf. on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers ，91), San Francisco, CA, USA, June 1991， pp. 966-968 , 或者J. Bernstein 、 S. Cho 、 A.T. King 、 A. Kourepins 、 P. Maciel以及M. Weinberg的^ M/cra附ac/n'"e^ Com6-Z>z.ve r簡/wg ForA: Wc^e Gyroscope, Proc. IEEE Micro Electromechanical Systems Workshop (MEMS 93), Fort Lauderdale, FL， USA, Feb. 1993， pp. 143-148 ， 或者 DE 19641284)，其中，才全测模式与旋转振荡相对应。因此，可 以对结构进行设计，以使得线性模式的谐振频率显著高于检测 模式的谐振频率①2。因此，可以极大抑制上述基于加速度的误 差。然而，这些已知结构需要可以沿z方向施加力并且可以沿z 方向测量移动所利用的力传递器和/或分接头。
在具有仅耦合了两个激励单元(并且不是采样块或科里奥 利元件/检测单元)的两个耦合陀螺仪结构的WO 2005/066585 Al、 WO 2005/066584 Al、 US 6，705，164 B2、 WO 02/16871 Al和US6，691，571 B2中的所有实施例中，两个采样块和/或两个科 里奥利元件以及各个检测单元的谐振频率由于制造公差而被分 割。为了微机械陀螺仪的高精度，必须实现检测模式的高振荡 Q因子。另外，检测模式的谐振宽度(或3dB宽度)可以窄于两个 谐振频率的分割。对于高精度所需的、检测模式的谐振频率必 须与激励模式的谐振频率相匹配的所谓的双共振 (double-resonant)操作，有必要单独对这两个检测模式进行调 谐。在电子调谐的情况下，必须4全测这两个4全测才莫式并对它们 进行调谐，因而近似加倍了所涉及的电子设备的复杂性。
发明内容
因此，本发明的目的在于确定一种旋转速率传感器，其中 即使在没有复位的情况下，也极大地防止了在沿第二轴的方向 的线性加速的情况下采样块和/或科里奥利元件以及检测单元 的偏转。另夕卜，不需要可以沿z方向施加力并且可以沿z方向测 量移动所利用的任何力传递器和分接头。此外，提供了即使在 存在针对精度和高振荡Q因子的迫切需求时也仅需要检测(并 且控制)一 个检测模式的机械结构。
根据本发明，由具有本申请权利要求l的典型特征的旋转速 率传感器来实现该目的。
该旋转速率传感器包括基板和能够在设计平面上相对于所 述基板移动的两个单独结构。在两个移动的单独结构之间进行 耦合，作为耦合的结果，满足以下特征
所述耦合结构具有移动单独结构沿所述设计平面的第 一方向反相偏转的第 一振荡模式(激励模式)，
所述耦合结构具有第二振荡模式(检测模式)，其中，当 对所述第 一激励模式进行激励时并且在围绕所述旋转
12速率传感器的相对于所述设计平面成直角的灵敏轴的 旋转期间，能够由科里奥利加速来激励所述第二振荡模 式，
在理想化前提(即，例如，块元件的刚度无限大，理想 的弹性结构(例如，在纵向方向上具有无限刚度的弯曲 杆)以及可忽略的小的制造公差)的条件下，所述耦合结 构不具有能够由沿平行于第二轴的方向的线性加速激 励的振荡模式。
在实际情况中，有必要确保该线性模式的谐振频率显著高
于检测模式的谐振频率，例如高出约1.4倍。
如在权利要求2中所述，通过将两个单独结构彼此耦合的旋 转弹性元件来有利地实现该检测模式等的检测模式。
如在权利要求3中所述，旋转弹性元件的 一 个简单实现得 出由基板上的锚具和弯曲杆来对称地围绕对称轴形成旋转弹 性元件，其中，如在权利要求4中所述，旋转弹性元件被设计成 针对围绕对称轴的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚 硬的。
如在权利要求5中所述，在有利改进中，使用两个单独结构 或这两个单独结构的至少 一 部分围绕灵敏轴的旋转振荡作为检 测模式。如果设计是对称的并且制造公差可忽略，则利用线性 加速不能激励旋转振荡。
如在权利要求6中所述，一个特别简单的实现由旋转速率传 感器得出，其中，单独结构包括经由旋转弹性元件相耦合的振 荡体。该改进关注于使用力和信号不依赖于检测移动的激励模 式用的力传递器和/或分接头的情况以及/或者使用没有依赖于 激励移动的检测模式用的分接头和/或力传递器的情况。
此外，如在权利要求7和11中所述，不能利用线性加速激励的检测模式的其它有利改进得出检测模式是反相线性振荡或反 相线性振荡和旋转振荡的混合形式。
在这种情况下，如在权利要求8中所述，有利地，设置了X 旋转弹性元件。该X旋转弹性元件具有接头的特性，这同时允许
x旋转弹性元件的两个作用点之间的相对;旋转和在x方向上的距 离变化。该x旋转弹性元件允许将旋转运动转换成线性运动。
在如在权利要求9中所述的旋转速率传感器的情况下，单独 结构包括激励单元和采样块，其中，沿第一方向引导激励单元， 经由弹性元件将采样块耦合至激励单元，以使得采样块可以仅 沿平行于基一反并且与第一方向成直角的方向相对于激励单元移 动，并且釆样块经由旋转弹性元件被耦合。该旋转速率传感器 特别关注于使用没有依赖于激励移动的检测模式用的分接头和 /或力传递器的情况。
在如在权利要求10中所述的旋转速率传感器的优选改进 中，单独结构包括激励单元、科里奥利元件和检测单元，其中， 激励单元经由弹性元件相耦合，并且4企测单元经由旋转弹性元 件相耦合。利用y弹性元件将检测单元锚定至基板上，这避免了 检测单元一起执行旋转振荡，因而在使用平板电容器配置作为 检测模式用的分接头时，避免了基于位置的平板电容器配置的 板间距变化。另外，当制造公差引起激励移动和检测模式用的 分接头之间的误差角时，没有检测到误差信号。
如在权利要求16中所述的作为检测模式用的分接头的具有 板间距变化的平+反电容器配置具有以下特性所施加的电压改 变检测模式的谐振频率。这可以用来有意调整频率(至双共振)。
如在权利要求17中所述的作为检测模式用的分接头的梳状 驱动器避免了在平板电容器配置的情况下出现的利用分接头功 能的调制信号或者利用(基于旋转速率的)复位电压对谐振频率
14进行调制。
为了本申请的目的，应当按照如下理解所使用的术语"梳状 驱动器"和"平板电容器配置"
"梳状驱动器"是采用具有"浸渍"电极的平板形式的电
容器的配置，即电极的重叠改变。通常，在浸渍电极的 两侧选才奪相同的电才及间距。
"平板电容器配置"是电极间距在移动期间变化的平板 形式的电容器的配置。该配置的可能实现是， 一方面， 移动电极两侧具有不同的电极间距(当意图仅使频率失 谐时，还可以选择相同的电极间距)，以及另一方面， 移动电才及两侧的固定电才及各自处于不同的电位。 如在权利要求19中所述，当使用梳状驱动器作为分接头时， 可以经由单独的调谐电极以简单的方式#1行频率调整。
为了操作科里奥利陀螺仪，利用力传递器对激励模式进行 激励。当科里奥利陀螺仪围绕灵敏轴旋转时，科里奥利力作用， 并且可以激励检测模式。由此产生的振荡的振幅可用作测量变 量。由于该目的，设置了适当的分接头。可选地，可以复位该 科里奥利力。由于该目的，需要可以向检测模式施加力矩和/ 或力的力传递器。另外，复位力矩或复位力的振幅是角速度的
度量。不需要可以沿z方向施加力或可以沿z方向测量移动所利
用的力传递器和分接头。
在下文将参考附图来说明根据本发明的旋转速率传感器的
典型实施例，其中
图l示出根据本发明的旋转速率传感器的第一典型实施例
的示意平面图；图2示出根据本发明的旋转速率传感器的第二典型实施例
的示意平面图3示出根据本发明的旋转速率传感器的第三典型实施例 的示意平面图4示出根据本发明的旋转速率传感器的第四典型实施例 的示意平面图5示出根据本发明的旋转速率传感器的第五典型实施例 的示意平面图6示出根据本发明的旋转速率传感器的第六典型实施例 的示意平面图7示出作为现有技术的旋转速率传感器的示意平面图；以
及
图8示出作为现有技术的另 一旋转速率传感器的示意平面图。
具体实施例方式
在一些情况下，为了确保清楚，在图中没有为所有的相同 部分都设置相同的附图标记。然而，基于上述对称性和相同的 例示，本领域的技术人员可以推断出附图中的哪些部分属于哪 些附图标记。
在所有典型实施例中，灵敏轴与图中的平面成直角。将图 中平面看作为平4亍于x轴和y轴，其中z轴与该平面成直角，因此 z轴平行于灵敏轴。基板表面平行于x轴且平行于y轴，由此形成 了设计平面x-y 。
以浅灰色示出的所有组件表示可被近似看作为无限刚硬的 移动的"块元件"。以深灰色示出的区域大部分不能够相对于基 板移动。虚线表示用作弹性元件的组件的弯曲杆。近似地，这些弯曲杆在纵向方向上是无限刚石更的。如果弯曲杆在Z方向上的 限度极大大于该弯曲杆在相对于纵向方向成直角的附图平面中 的限度，则与在相对于纵向方向成直角的附图平面上的轴的方 向相比，弯曲杆在Z方向上更加刚硬。通常可以近似忽略作为弹 性结构的 一 部分的弯曲杆和块元件的质量/惯性力矩。 例如，在下文中以表达"基本"使用所述近似。 特别包括微观技术方法的多个制造方法适合于生成变形。 图l所示的第 一典型实施例具有基板(未示出)和两个第一
单独结构IOO、 200。第一单独结构IOO、 200具有经由第一弹性 元件lll、 211在第一锚定点113、 213处安装至基板的振荡体110、 210。第一弹性元件lll、 211在x方向和y方向上是柔软的，并且 在z方向上是尽可能刚石更的。两个振荡体IIO、 210经由耦合弹性 结构3、旋转弹性元件4和x旋转弹性元件7相耦合。
对耦合弹'性结构3进行设计，以使得耦合弹性结构3在x方向 上是柔软的，并且在z方向和y方向上是尽可能刚硬的。对包括 基板上的弯曲杆5和锚具6的旋转弹性元件4进行设计，以使得旋 转弹性元件4在z方向上针对围绕其对称轴10的扭转是柔软的， 并且针对所有其它负荷是刚硬的。对x旋转弹性元件7进行设计， 以使得x旋转弹性元件7在x方向上和在z方向上针对围绕其对称 轴10的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。然而， 在该变形中，x旋转弹性元件7的扭转受配置(特别是耦合弹性结 构3)所抑制。因此，代替x旋转弹性元件7，还可以使用x弹性元 件，并且对该x弹性元件进行i殳计，以4吏得该x弹性元件在x方向 上是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。这改善了对激 励模式的控制。
激励4莫式与冲展荡体110、 21 O在x轴方向上的线性反相振荡相 对应。激励模式的谐振频率基本受振荡体IIO、 210的质量以及200880022724.9
说明书第12/20页
弹性元件lll、 211、耦合弹性结构3和x》走转弹性元件7的弹性刚
度或旋转弹性刚度所控制。
检测模式与振荡体IIO、 210在z方向上围绕其对称轴10的 (普通)旋转振荡相对应。检测模式的谐振频率基本由振荡体 110、 210的惯性力矩以及第一弹性元件111、 211和旋转弹性元 件4的弹性刚度或旋转弹性刚度而得出。
第一单独结构IOO、 200具有对激励模式进行激励所利用的 第一力传递器114、 214。这些力传递器还被设计为激励模式用 的分接头，或者应当另外设置分接头。在所示例子中，示出所 谓的梳状驱动器作为力传递器。这些力传递器包括集成于振荡 体IIO、 210中的第一移动激励电极115、 215以及锚定至基板的 第一激励电极116、 216。梳状驱动器可同时用作力传递器和分 接头。
第一单独结构IOO、 200具有对检测模式进行检测所利用的 第一分接头134、 234。这些分接头还被设计为补偿这些分接头 的复位操作用的科里奥利力的力传递器，或者必须另外设置力 传递器。在所示例子中，示出平板电容器配置作为分接头，其 中，板间距在检测移动期间改变。这些分接头包括集成于振荡 体110、 210中的第一移动检测电极135、 235以及锚定至基板的 第一检测电极136、 236。平板电容器配置可以同时用作力传递 器和分接头。
在第一典型实施例中，仅在基板平面上对线性激励模式进 行控制。此外，这意味着在利用具有第一固定激励电极116、 216 的第一力传递器114、 214的所示例子的情况下，与在一个方向 上执行的激励模式的情况相比，干扰力对检测模式产生的不利 影响可能更严重。例如，在第一力传递器114、 214和激励模式 之间添增的失调可能导致检观'j模式的大的干扰激励。另夕卜，在利用具有第一固定检测电极136、 236的第一分接 头134、 234的所示例子中，当制造公差引起激励移动和分接头 之间的误差角时，检测到误差信号。
因此，第一典型实施例主要关注于使用力和信号未极大依 赖于检测移动的激励模式用的力传递器和/或分接头的情况以 及/或者使用信号和力未极大依赖于激励移动的检观'J模式用的 分接头和/或力传递器的情况。
图2所示的第二典型实施例具有基板(未示出)和两个第二 单独结构300、 400。第二单独结构具有经由第二弹性元件311、 411在第二锚定点313、 314处安装至基板的第一激励单元310、 410。采样块330、 430经由y弹性元件331、 431连接至第一激励 单元310、 410。第一激励单元310、 410直接耦合至耦合弹性结 构3。采样块330、 430直接耦合至旋转弹性元件4和x旋转弹性元 件7。
第二弹性元件311、 411在x方向上是柔^:的，并且在y方向 和z方向上是尽可能刚硬的。第二弹性元件311、 411连接至固态 元件312、 412,以改善引导特性。y弹性元件331、 431在y方向 上是柔软的，并且在x方向和z方向上是尽可能刚硬的。对耦合 弹性结构3进行设计，以使得耦合弹性结构3在x方向上是柔软 的，在z方向上是刚硬的，并且在y方向上是尽可能刚硬的。对 包括基板上的锚具6和弯曲杆5的旋转弹性元件4进行设计，以使 得旋转弹性元件4在z方向上针对围绕其对称轴10的扭转是柔软 的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。对x旋转弹性元件7进行 设计，以使得x旋转弹性元件7在x方向上是柔软的并且在z方向 上针对围绕其对称轴10的扭转是柔软的，但针对所有其它负荷 是刚硬的。
激励模式对应于第 一激励单元310、410以及采样块330、430
19在X轴方向上的线性反相振荡。激励模式的谐振频率基本由第一
激励单元310、 410和采样块330、 430的质量以及第二弹性元件 311、 411、耦合弹性结构3和x旋转弹性元件7的弹性刚度和旋转 弹性刚度而得出。
检测模式与(普通)"旋转振荡类型"，即采样块330、 430在z 方向上围绕其对称轴10的旋转振荡和反相线性振荡的组合相对 应，其中由y弹性元件331、 431沿y方向引导采才羊块330、 430, 并且采样块330、 430没有倾斜。检测模式的谐振频率基本由采 样块330、 430的质量和惯性力矩以及y弹性元件331、 431、旋转 弹性元件4和x旋转弹性元件7的弹性刚度和旋转弹性刚度而得 出。
第二单独结构300、 400具有对激励模式进行激励所利用的 第二力传递器314、 414。这些第二力传递器314、 414也采用激 励模式用的分接头的形式，或者必须另外设置分接头。在所示 例子中，示出所谓的梳状驱动器作为第二力传递器314、 414。 这些第二力传递器314、 414包括集成于第 一激励单元310、 410 中的第二移动激励电极315、 415以及锚定至基板上的第二激励 电极316、 416。在所示例子中，均将两个第二单独机构300、 400 的第二力传递器的中央配置锚定激励电极组合，以形成非必要 但减少了所需的接线的数量的一个力传递器14。例如，可以通 过相应的导体引线同样组合外部的第二锚定激励电极。梳状驱 动器可同时用作力传递器和分接头。
第二单独结构3 0 0 、 4 0 0具有对;j会测才莫式进行检测所利用的 第二分接头334、 434。为复位模式设计这些分接头作为补偿科 里奥利力的力传递器，或者必须另外设置力传递器。在所示例 子中，示出平板电容器配置作为第二分接头，其中板间距在检 测移动期间改变。第二分接头包括集成于采样块330、 430中的
20第二移动检测电极335 、 435以及锚定至基板的第二检测电极 336、 436。平板电容器配置可同时用作力传递器和分接头。
在第二典型实施例中，采样块还执行激励移动。这意味着， 在利用具有第二固定4企测电极336、 346的第二分接头334、 434 的所示例子中，当制造公差引起激励移动和第二分接头334、 434 之间的误差角时，检测到误差信号。因此，第二典型实施例特 別关注于使用信号不依赖于激励移动的分接头的情况。
如图3所示，第三典型实施例具有基板(未示出)和两个第三 单独结构500、 600。第三单独结构具有经由第三弹性元件511、 611在第三锚定点513、 613处安装至基板的第二激励单元510、 610。科里奥利元件520、 620经由y弹性元件521、 621连接至第 二激励单元510、 610。才企测单元530、 630经由其它x旋转弹性元 件531、 631连4妻至科里奥利元件520、 620。第二激励单元510、 610直接耦合至耦合弹性结构3。检测单元530、 630直接耦合至 旋转弹性元件4。
第三弹性元件511、 611在x方向上是柔软的，并且在y方向 和z方向上是尽可能刚硬的。第三弹性元件511、 611连接至固态 元件512、 612，从而改善引导特性。y弹性元件521、 621在y方 向上是柔软的，并且在x方向和z方向上是尽可能刚硬的。对其 它x旋转弹性元件531、 631进行设计，以使得其它x旋转弹性元 件531、 631在x方向和z方向上针对围绕(在图中， 一个配置在另 一个上方的两个单独弹性元件的)它们的对称轴12的扭转是柔 软的，并且对于所有其它负荷是刚硬的。理想地，其它x旋转弹 性元件531、 631具有接头的特性，这同时允许科里奥利元件与 检测单元之间的相对旋转以及在x方向上的距离变化。
对耦合弹性结构3进行设计，以使得耦合弹性结构3在x方向 上是柔软的，在z方向和y方向上是刚硬的。对包括基板上的锚具6和弯曲杆5的旋转弹性元件4进行设计，以使得旋转弹性元件4在z方向上针对围绕其对称轴10的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。
激励模式对应于第二激励单元510、 610以及科里奥利元件
520、 620在x轴方向上的线性反相振荡。激励模式的谐振频率基本由第二激励单元510、 610和科里奥利元件520、 620的质量以及第三弹性元件511、 611、其它x旋转弹性元件531、 631和耦合弹性结构3的弹性刚度或旋转弹性刚度而得到。
才企测;溪式与#r测单元530 、 630在z方向上围绕其对称轴10的(普通)旋转振荡相对应。在这种情况下，科里奥利元件520、620执行"旋转振荡类型"。由y弹性元件521、 621相对于第三激励单元510、 610在y方向上引导科里奥利元件520、 620,并且可以由其它xi走转弹性元件531、 631使科里奥利元件520、 620相对于相应的4全测单元530、 630旋转。检测冲莫式的谐振频率基本由科里奥利元件520、 620和检测单元530、 630的质量/惯性力矩以及^走转弹性元件4、其它x^走转弹性元件531、 631以及y弹性元件
521、 621的弹性刚度和特别是旋转弹性刚度而得到。第三单独结构500、 600具有对激励模式进行激励所利用的
第三力传递器514、 614。这些力传递器是激励模式用的分接头，或者必须另外设置分接头。在所示例子中，示出所谓的梳状驱动器作为第三力传递器514、 614。第三力传递器514、 614包括集成于第二激励单元510、 610中的第三移动激励电极515、 615以及锚定至基板的第三检测电极516、 616。桥,状驱动器可同时用作为力传递器和分接头。
第三单独结构500、 600具有对检测模式进行检测所利用的第三分接头534、 634。这些分接头也一皮设计为针对复位模式补偿科里奥利力的力传递器，或者必须另外设置力传递器。在所示例子中，示出平板电容器配置作为第三分接头534、 634，其中板间距在才企测移动期间改变。第三分接头534、 634包括集成于检测单元530、 630中的第三移动检测电极535、 635以及锚定至基板的第三检测电极536、 636。平板电容器配置可同时用作力传递器和分接头。
应当强调，由于检测单元没有执行激励移动，因此梳状驱动器还可用作检测模式用的分接头(并作为力传递器)。作为检测模式用的分接头的具有板间距变化的平板电容器配置具有所施加的电压改变^r测模式的谐振频率的特性。 一方面，可以有意使用该特性调整频率(至双共振)。另一方面，例如，可以利用分接头功能用的调制信号或利用(基于旋转速率的)复位电压来调制谐振频率。对于梳状驱动器没有出现该缺点。当使用梳状驱动器时，还可以集成具有板间距变化的平板电容器配置，从而使得可以执行上述频率调整。
应当注意，还可以为科里奥利元件520、 620设置其它力传递器、分接头和/或频率调谐用的设备524、 624。所示例子涉及具有板间距变化的平板电容器配置。配置包括集成于科里奥利元件520、 620中的移动电极以及锚定至基板的调谐电极526、626(均<又示出 一个电才及)。
在第三典型实施例中，检测单元530、 630 —起执行旋转振荡。在利用具有第三固定电极536、 636的第三分接头534、 634的所示例子中，这引起了基于位置的平板电容器配置的板间距变化，由此导致设计和线性化的额外的复杂性。例如，另一个解决方案是使用上述梳状驱动器作为分接头/力传递器，并利用设备524、 624来#1行频率调整。
如图4所示，第四典型实施例在很大程度上与第三典型实施例相对应，其中具有以下修改 固态元件512、 612是连续的，从而进一步改善了它们的特性。
耦合弹性结构3向外折叠。
将两个第三单独结构500、 600的中央配置的第三力传递器514、 614用的中央配置锚定电极均进行组合，以形成力传递器14,从而使得可以减少接线的数量。
如图5所示，第五典型实施例在很大程度上与第四典型实施例相对应，其中具有以下修改
对将激励单元510、 610连接至科里奥利元件520、 620的y弹性元件521、 621进行修改。与第四典型实施例中科里奥利元件520、 620在一侧^皮夹住(图4)相对比，这导致科里奥利元件520、 620在两侧^皮夹住。在一侧纟皮夹住允许正交补偿，即通过将激励加速改变为检测模式来进行平衡。然而，利用激励加速来调制检测模式的频率。当在两侧被夹住时，极大减小了正交补偿，但正交期较短，并且利用激励加速在较小的程度上调制检测模式的频率。此外，x旋转弹性元件531、 631允许在减小的程度上进行正交补偿，并且调制检测模式的频率。在具有可忽略的低x刚度的理想x旋转弹性元件的情况下，该影响消失。
如图6所示，与第五典型实施例相比4交，第六典型实施例具有以下修改
经由其它y弹性元件532、 632在锚定点533、 633处将4全测单元530、 630附加地安装至基板。x旋转弹性元件7配置在旋转弹性元件4和才企测单元530、 630之间。由于^l夸才全测单元530、 630连接至科里奥利元件520、 620的x弹性元件531b、 631b不再需要具有任何"接头特性"，因此可以在两侧的基础上设计x弹性元件531b、 631b。对x弹性元件531b、 631b进朽-设计，以4吏得x弹性元件531b、 631b在x方向上是柔软的，而针对所有其它负荷是刚硬的。对其它y弹性元件532、 632进行设计，以-使得其它y弹性元件532、 632在y方向上均是柔软的，而针对所有其它负荷是刚硬的。
对x旋转弹性元件7进行设计，以使得x旋转弹性元件7在x方向上是柔软的且在y方向上针对围绕其对称轴ll的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。
激励模式的谐振频率基本由第二激励单元510、 610和科里奥利元件520、 620的质量以及由第三弹性元件511、 611、 x弹性元件531b、 631b、耦合弹性结构3以及x旋转弹性元件7的弹性刚度或旋转弹性刚度而得到。
检测模式与检测单元530、 630和科里奥利元件520、 620在z方向上围绕其对称轴10的(普通)型旋转振荡相对应。如在第三、第四和第五典型实施例的情况那样，在这种情况下的科里奥利元件520、 620沿y方向近似以线性反相振荡移动。在第六典型实施例中，检测单元530、 630也由其它y弹性元件532、 632沿y方向引导。可以利用x旋转弹性元件7使检测单元530、 630相对于旋转弹性元件4围绕轴11旋转。因此，才企测单元530、 630的移动还与沿y方向的线性反相振荡近似相对应。检测模式的谐振频率基本由科里奥利元件520、 620和检测单元530、 630的质量/惯性力矩、以及S走转弹性元件4、 x旋转弹性元件7、其它y弹性元件532、 632和将科里奥利元件520、 620连接至激励单元510、 610的y弹性元件5 21 、 6 21的弹性刚度和特别是旋转弹性刚度而得到。
因此，与第三、第四和第五典型实施例相比，第六典型实施例避免了检测单元530、 630 —起执行旋转振荡，并且在利用具有第三固定一全测电极536、 636的第三分接头534、 634的所示例子中，平板电容器配置的板间距变化是基于位置的。此外，
25由于利用x弹性元件531b和631b将x旋转弹性元件7从激励模式的移动分离，因此正交期变短，并且利用激励加速对检测模式的频率的调制被抑制。这也意味着不能进行如前述典型实施例所提出的正交补偿。如图4所示，通过利用在一侧夹住科里奥利元件520、 620的弹性元件521、 621来在 一侧夹住科里奥利元件520、 620,这些效果也可以包括在图6所示的实施例中，并且可以用于正交补偿。
权利要求
1.一种旋转速率传感器，其包括基板和能够在设计平面(x-y)上相对于所述基板移动的两个单独结构(100、200、300、400、500、600)，其中，所述两个单独结构(100、200、300、400、500、600)相耦合以形成耦合结构，以使得-所述耦合结构具有作为激励模式的、移动结构沿所述设计平面(x-y)上的第一方向(x)反相偏转的第一振荡模式，-所述耦合结构具有作为检测模式的第二振荡模式，其中，当激励所述第一振荡模式时并且在围绕所述旋转速率传感器的相对于所述设计平面(x-y)成直角的灵敏轴(z)旋转期间，由科里奥利加速来激励所述第二振荡模式，并且所述第二振荡模式具有检测谐振频率，其特征在于，所述耦合结构被设计成在理想化前提的条件下，所述耦合结构不具有能够由所述旋转速率传感器在与所述设计平面(x-y)上的第二方向(y)平行的方向上的线性加速激励的振荡模式，其中，所述第二方向(y)与所述第一方向(x)和所述灵敏轴(z)成直角。
2. 根据权利要求l所述的旋转速率传感器，其特征在于， 设置了将所述两个单独结构(IOO、 200、 300、 400、 500、600)彼此耦合的旋转弹性元件(4)。
3. 根据权利要求2所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述旋转弹性元件(4)包括所述基板上的锚具(6)和弯曲杆(5),并且围绕平行于所述灵敏轴(z)的对称轴(10)对称形成所述 旋转弹性元件(4)。
4. 根据权利要求2或3所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述旋转弹性元件(4)被设计成针对围绕对称轴(10)的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的旋转速率传感器，其 特征在于，所述检测才莫式是所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)或所述两个单独结构C100、 200、 300、 400、 500、 600)的至少 一 部分围绕所述灵敏轴(z)的旋转振荡。
6. 根据权利要求5所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述单独结构(IOO、 200)包括振荡体(110、 210),其中，所述振荡体(IIO、 210)经由旋转弹性元件(4)、经由耦合弹性结构 (3)并经由x弹性元件或x旋转弹性元件(7)相耦合，所述耦合弹性结构(3)在所述第一方向(x)上是柔软的，在所 述灵敏轴(z)的方向上是刚硬的，在所述第二方向(y)上是尽可能 刚硬的，并且所述x弹性元件或所述x旋转弹性元件(7)配置在所 述旋转弹性元件(4)和所述振荡体(110、 210)之间，并且被设计 成在所述第一方向(x)上是柔软的，或者另外，所述x旋转弹性 元件针对围绕所述x旋转弹性元件的配置成平行于所述灵敏轴 (z)的对称轴(ll)的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚 硬的。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的旋转速率传感器，其 特征在于，所述4全测才莫式是所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)或所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600) 的至少一部分沿所述第二方向(y)的反相线性振荡，其中，所述 第二方向(y)相对于所述第 一 方向(x)和所述灵敏轴(z)成直角。
8. 根据权利要求7所述的旋转速率传感器，其特征在于， 具有平行于所述灵敏轴(z)的对称轴(ll)的x旋转弹性元件(7)均设置在所述单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)与 旋转弹性元件(4)之间，其中，所述x旋转弹性元件(7)被设计成在所述第 一 方向(x)上以及针对围绕所述x旋转弹性元件(7)的所述对称轴(ro的扭转是柔软的，并且针对所有其它负荷是刚硬 的。
9. 根据权利要求8所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述单独结构(300、 400)具有激励单元(310、 410)和采样块(330、 430)，其中，所述激励单元(310、 410)仅能够沿所述第一 方向(x)移动，所述激励单元(310、 410)经由耦合弹性结构(3)相 耦合，并且所述采样块(330、 430)经由y弹性元件(331、 431)耦 合至所述激励单元(310、 410)，所述y弹性元件(331、 431)在所述第一方向(x)以及平行于所 述灵敏轴(z)的方向上是刚硬的，并且在所述第二方向(y)上是柔 软的，以及所述采样块(330、 430)经由所述x旋转弹性元件(7)连接至所 述旋转弹性元件(4)。
10. 根据权利要求8所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述单独结构(500、 600)包括激励单元(510、 610)、科里奥利元件(520、 620)和斗全测单元(530、 630),其中，所述激励单元 (510、 610)经由耦合弹性结构(3)相耦合，所述片全测单元(530、 630)经由所述旋转弹性元件(4)和所述x旋转弹性元件(7)相耦 合，所述科里奥利元件(520、 620)经由y弹性元件(521、 621)连 接至所述激励单元(510、 610),所述^r测单元(530、 630)经由x 弹性元件(531b、 631b)连接至所述科里奥利元件(520、 620),以 及所述单独结构(500、 600)具有将所述纟全测单元(530、 630) 锚定至所述基板所利用的其它y弹性元件(532、 632),其中，所 述其它y弹性元件(532、 632)被设计成在所述第二方向(y)上是柔 软的，并且针对所有其它负荷是刚硬的。
11. 根据权利要求1至4中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，所述检测模式是包括以下的混合形式所述两个单独结构 (100、 200、 300、 400、 500、 600)或所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)的至少 一部分沿相对于所述第 一 方 向(x)和所述灵敏轴(z)成直角的所述第二方向(y)的反相线性振 荡；以及所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600) 或所述两个单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)的至少 一部分围绕所述灵敏轴(z)的旋转振荡。
12. 根据权利要求ll所述的旋转速率传感器，其特征在于， 所述单独结构(500、 600)包括激励单元(510、 610)、科里奥利元件(520、 620)和才企测单元(530、 630)，其中，所述科里奥利 元件(520、 620)经由y弹性元件(521 、 621)连4妻至所述激励单元 (510、 610)，所述激励单元(510、 610)利用耦合弹性结构(3)相 耦合，并且所述纟企测单元(530、 630)经由^走转弹性元件(4)相耦 合，以及具有平行于所述灵敏轴(z)的对称轴(ll)的x旋转弹性元件 (531、 631)均设置在所述科里奥利元件(520、 620)和所述检测单 元(530、 630)之间，其中，所述x旋转弹性元件(531、 631)^皮i殳 计成在所述第一方向(x)上以及针对围绕所述x旋转弹性元件 (531、 631)的所述对称轴(11)的扭转是柔软的，并且针对所有其 它负荷是刚石更的。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，所述单独结构(IOO、 200、 300、 400、 500、 600)具有用于 所述激励模式的激励的力传递器(114、 214、 314、 414、 514、 614)。
14. 根据权利要求1至13中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，所述单独结构(100、 200、 300、 400、 500、 600)具有用于 所述激励模式的分接头。
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，所述单独结构(IOO、 200、 300、 400、 500、 600)具有用于 所述^企测才莫式的4全测的分接头(134、 234、 334、 434、 534、 634)。
16. 根据权利要求15所述的旋转速率传感器，其特征在于， 用于所述检测模式的检测的分接头(134、 234、 334、 434、534、 634)是平板电容器配置。
17. 根据权利要求15所述的旋转速率传感器，其特征在于， 用于所述检测模式的检测的分接头(534 、 634)是梳状驱动器。
18. 根据权利要求1至17中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，所述单独结构(IOO、 200、 300、 400、 500、 600)具有用于复位所述检测模式的力传递器。
19. 根据权利要求1至18中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，设置了调谐电极(524、 624),从而对所述单独结构(IOO、 200、 300、 400、 500、 600)的i皆4展频率进4亍调i皆。
20. 根据权利要求1至19中任一项所述的旋转速率传感器， 其特征在于，设置了其它力传递器和分接头(524、 624),以向科里奥利 元件施加力并测量所述科里奥利元件的偏转。
全文摘要
为了避免当出现线性加速时在旋转速率传感器的情况下基于移动的单独结构(100、200、300、400、500、600)出现的测量误差，提出了如下旋转速率传感器，该旋转速率传感器包括基板和在设计平面(x-y)上相对于该基板移动的两个结构(100、200、300、400、500、600)，其中，这两个移动结构(100、200、300、400、500、600)相耦合以形成耦合结构，以使得该耦合结构具有作为激励模式的、移动结构沿设计平面(x-y)上的第一方向(x)反相偏转的第一振荡模式；该耦合结构具有作为检测模式的第二振荡模式，其中，当激励第一振荡模式时并且在围绕旋转速率传感器的相对于设计平面(x-y)成直角的灵敏轴(z)旋转时，由科里奥利加速来激励第二振荡模式，并且该耦合结构被设计成在理想化前提的条件下，该耦合结构不具有能够由旋转速率传感器在平行于第二轴的方向上的线性加速激励的任何振荡模式。
文档编号G01C19/56GK101688775SQ200880022724
公开日2010年3月31日 申请日期2008年3月28日 优先权日2007年6月29日
发明者冈特·斯帕林格, 彼得·莱因菲尔德, 朱利安·巴托洛迈奇克, 沃尔弗拉姆·盖格 申请人:诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司