偏航率传感器的制作方法

专利名称：偏航率传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的偏航率传感器。
背景技术：
线性振动的偏航率传感器(Drehratensensoren)是通常已知的。在这样的偏航率 传感器中，传感器结构的一些部分被有源地置于一个方向的振动(主振动)中，即沿着第一 轴(X轴)的振动，该第一轴平行于衬底表面定向。在出现绕标出的敏感轴的外部偏航率时， 科氏力作用在传感器结构的振动部分上。周期性地随着主振动的频率变化的科氏力导致传 感器结构的部分在第二轴的方向上振动(二次振动)，该第二轴垂直于X轴定向。该第二轴 可以平行于衬底表面或者垂直于衬底表面定向。在传感器结构上设置有检测器件，这些检 测器件通过电极电容式地检测该二次振动。越来越多的应用需要能够检测绕多个相互垂直的轴的偏航率的偏航率传感器。迄 今为止，为此将多个单轴式传感器横向地或竖向地相邻放置。使用多个单轴式偏航率传感 器在成本、空间需求、电流需求和这些轴的相对定向精度方面带来了缺点。此外，在现有技术中公开了双轴式偏航率传感器，其能够检测绕两个相互垂直的、 平行于衬底表面定向的轴的偏航率。

发明内容
本发明的目的是提供一种经改进的双轴式偏航率传感器，其能够检测绕两个相互 垂直的空间轴的偏航率。此外，本发明的目的是提供一种三轴式偏航率传感器，其能够检测 绕所有三个空间轴的偏航率。本发明所基于的目的通过一种具有权利要求1的特征的偏航率传感器实现。根据 本发明，该偏航率传感器具有多个可运动的部分结构，这些部分结构设置在衬底的表面上 方。这些部分结构通过一个共同的、尤其是一个中央弹簧元件耦合并且能够被激励至在一 个与衬底的表面平行的平面中作耦合的振动。这些部分结构中的每一个具有一个或多个科 氏元件，这些科氏元件设置用于验证由科氏力引起的偏移。有利地，偏航率传感器由于这些部分结构的机械耦合而配设有一个定义的、共同 的驱动模式，并且因此仅需要一个驱动调节回路。由此降低了电子分析处理电路的空间和 电流需求。在一种优选的实施方式中，该偏航率传感器的两个部分结构被激励至一个驱动模 式，该驱动模式引起这两个可运动的部分结构沿着一个共同的轴线逆平行地、反相地偏移。有利地，这类偏航率传感器的质心在主振动周期期间是位置固定的。该偏航率传 感器既不耦合输出线性冲击也不耦合输出转矩，由此降低与周围环境的能量交换。 在另一种优选的实施方式中，该偏航率传感器具有四个可运动的部分结构，这些 部分结构通过一个中央弹簧元件相互耦合并且允许被激励至在一个与衬底的表面平行的 平面中的耦合的振动模式。在此，第一和第二可运动的部分结构在第一轴的方向上执行逆平行的振动，而第三和第四可运动的部分结构在第二轴的方向上执行逆平行的振动，该第 二轴垂直于所述第一轴定向。有利地，由四个部分结构组成的偏航率传感器的耦合的振动模式同样通过一个共同的驱动调节回路激励，由此降低电子分析处理电路的空间和电流需求。此外，该由四个部分结构组成的偏航率传感器也具有以下优点质心在振动周期 的持续时间中位置固定。因此，该偏航率传感器既不耦合输出线性冲击也不耦合输出转矩。由四个部分结构组成的偏航率传感器的另一个优点是能够将用于检测绕所有三 个空间轴的偏航率的科氏元件集成。因为作用在科氏元件上的科氏力垂直于科氏元件的驱 动方向并且垂直于偏航率的旋转轴作用，所以绕平行于科氏元件的驱动方向的旋转轴的偏 航率不会引起任何科氏力。因为根据本发明的由四个可运动的部分结构组成的偏航率传感 器的主振动在多于仅一个空间方向上具有运动分量，所以能够实现对绕任何一个空间轴的 偏航率的检测。在该优选实施方式的一种扩展结构中，至少两个反相振动的部分结构具有相同的 用于检测绕相同轴的偏航率的科氏元件。有利地，载有相同的科氏元件的部分结构的反相 的主振动引起所述科氏元件的反相的二次振动。这能够实现检测信号的全差分式分析处 理。此外，逆平行的驱动及检测运动降低了偏航率传感器在出现的线性加速度方面的易受 干扰性。在另一种优选的实施方式中，偏航率传感器的科氏元件不仅在驱动运动方面耦 合，而且在检测模式中耦合。有利地，由此阻止了偏航率传感器的不同科氏元件的检测频率 的不期望的分解。有利地，由本发明提供的双轴式和三轴式偏航率传感器可以成本有利地且适于大 批量生产地通过表面微机械的标准工艺制造。


现在根据附图详细阐述本发明。在此，对于相同的部件使用一致的附图标记。图1示出一种用于检测绕y和ζ轴的偏航率的双轴式偏航率传感器；图2示出一种用于检测绕y和ζ轴的偏航率的双轴式偏航率传感器；图3示出一种已知的微机械的弯曲弹簧；图4示出一种构造为导体弹簧的弯曲弹簧；图5示出一种用于检测绕y和ζ轴的偏航率的双轴式偏航率传感器；图6示出一种用于检测绕χ和y轴的偏航率的双轴式偏航率传感器；图7示出一种由四个部分结构组成的偏航率传感器的驱动模式的示意图；图8示出一种由四个部分结构组成的偏航率传感器的驱动模式的示意图；图9示出一种用于检测绕χ和y轴的偏航率的双轴式偏航率传感器的示意图；图10示出一种用于检测绕所有三个空间轴的偏航率的三轴式偏航率传感器的示 意图；图11示出一种用于检测绕所有三个空间轴的偏航率的三轴式偏航率传感器的示 意图；图12示出一种对空间需求降低的三轴式偏航率传感器的示意图13示出一种三轴式偏航率传感器的示意图；图14示出一种三轴式偏航率传感器的示意图；图15示出一种三轴式偏航率传感器的示意图； 图16示出一种三轴式偏航率传感器的示意图；图17示出一种由六个部分结构组成的三轴式偏航率传感器的示意图。
具体实施例方式图1示出一种双轴式偏航率传感器100的视图。该偏航率传感器100包括两个可 运动的部分结构51，这些可运动的部分结构设置在一个在纸平面中延伸的衬底50上方。该 偏航率传感器100的棱边长为几百微米。这些可运动的部分结构51的制造源于一种材料，该材料在最下面具有厚的硅衬 底，氧化层位于该硅衬底上。一多晶硅层VP位于该氧化层上方，该多晶硅层VP构成一个带 状导体平面。在该多晶硅层VP上接着是一个另外的氧化层0X，在该另外的氧化层OX上沉 积一硅层EP，该偏航率传感器的可运动的部件由所述硅层EP制成。在该氧化层OX中在特 定位置处设置有一些空隙。在硅层EP的沉积期间，在这些空隙中形成硅层EP与带状导体 平面VP之间的连接。接着限定传感器元件并且在蚀刻过程中去掉氧化层0X。从而得到悬 伸式结构。这些可运动的部分结构51中的每一个具有一个驱动框架52。这些驱动框架52 可以具有穿孔，在图1中出于更清晰的考虑省去了这些穿孔的显示。每个驱动框架52通过 四个连接弯曲弹簧53与衬底50连接。这些连接弯曲弹簧53构造为曲折形折叠的梁弹簧 (Balkenfeder)并且如此地定向，使得这些可运动的部分结构51可沿着在纸平面中延伸的 χ方向运动，而在所有其它的空间方向上被固定。这些连接弯曲弹簧53也可以具有其它的 几何形状，通过所述其它的几何形状保证与方向有关的弹簧刚度。每个可运动的部分结构51的驱动框架52可以通过两个驱动梳形结构56在χ方 向上置于振动中。每个驱动梳形结构56由一个与衬底50连接的部分和一个与驱动框架52 连接的部分组成。驱动梳形结构56的这两个部分具有这样的梳形结构，它们的耙齿相互交 错，但是不相互接触。通过在驱动梳形结构56的这两个部分上施加同极性或反极性的电 压，可以在一个可运动的部分结构51上施加χ方向上的力并且将该可运动的部分结构51 置于振动之中。可运动的部分结构51的振动可以通过两个另外的、固定在驱动框架42上 的、电容式的驱动检测梳形结构57检测。该驱动检测梳形结构57的构造对应于驱动梳形 结构56的构造。这两个驱动检测梳形结构57以优选的方式设置在可运动的部分结构51 的相对两侧上，以便能够实现对驱动振动的差分式检测。每个驱动框架52在面向另一个驱动框架52的外棱边上具有一个连接件102。两 个连接件102与一个中央连接弹簧101连接。两个可运动的部分结构51由此通过该中央 连接弹簧101耦合。该中央连接弹簧101由两个曲折形地折叠的、由衬底材料制成的梁组 成。该中央连接弹簧101也可以具有其它的几何形状。两个可运动的部分结构51中的每一个具有两个科氏元件58。这些科氏元件58 具有大致矩形的形状。每个可运动的部分结构51的第一科氏元件58是栅格结构科氏元件 70。每个可运动的部分结构51的第二科氏元件58是等臂梁结构科氏元件80。这些科氏元件58这样地设置在可运动的部分结构51上，使得偏航率传感器100关于一个垂直于衬底 50的表面定向的、设置在可运动的部分结构51之间的平面是镜像对称的。该栅格结构科氏元件70具有一个框架71。在该框架71的两个在y方向上相对置的侧面上，该框架71各通过两个弯曲弹簧72与驱动框架52连接。这四个曲折形地折叠的 弯曲弹簧72由于其曲折部的定向主要可在y方向上延展，而该驱动框架52在χ方向上的 振动完全传递到栅格结构科氏元件70的框架71上。栅格结构科氏元件70的被框架71包 围的区域具有可运动的电极73。在栅格结构的空缺空间中设置有固定电极74，这些固定电 极与位于其下方的带状导体平面连接。电极73、74允许检测栅格结构科氏元件70在y方 向上的偏移。该等臂梁结构科氏元件80具有一个等臂梁元件81。该等臂梁元件81由两个在y 方向上相邻设置的、具有不同质量的元件组成，这些元件通过一个短臂连接。该短臂通过两 个平行于X轴定向的扭簧82在两侧与驱动框架52连接。除此之外不存在等臂梁元件81 与驱动框架52的连接。该扭簧82允许等臂梁元件81绕一个由扭簧82构成的轴旋转。除 了绕与χ轴平行的轴的旋转之外，该等臂梁结构科氏元件80以理想的方式不具有相对于驱 动框架52的任何其它的运动自由度。该可运动的部分结构51在χ方向上的振动被完全传 递到等臂梁结构科氏元件80上。在等臂梁元件81的两个部分的下方，在衬底50上各设有 一个检测电极83。该等臂梁元件81的旋转引起检测电极83与等臂梁元件81之间的电容 的变化，由此能够被差分地验证。驱动梳形结构56的驱动频率优选地如此选择，使得两个可运动的部分结构51都 被激励至在X方向上作逆平行的振动，其中这两个可运动的部分结构51的偏移是反相的。 因为这两个可运动的部分结构51相互对称地构造并且具有基本相同的质量，所以该偏航 率传感器100的质心在逆平行的主振动的周期期间是位置固定的。因此，该偏航率传感器 100既不耦合输出线性冲击也不耦合输出转矩，由此降低与周围环境的能量交换。在出现绕ζ轴的偏航率时，第一和第二可运动的部分结构51的栅格结构科氏元件 70产生y方向上的科氏力。该科氏力导致栅格结构科氏元件70在y方向上偏移，该偏移 可以借助可运动的电极73和与衬底50连接的电极74检测。由于这两个可运动的部分结 构51的振动反相，科氏力在相反的方向上作用在这两个栅格结构科氏元件70上。在可运 动的部分结构51的前半个振动周期期间，正的y方向上的科氏力例如作用在第一栅格结构 科氏元件70上，而负的y方向上的科氏力作用在第二栅格科氏元件70上。在下半个振动 周期期间，负的y方向上的科氏力作用在第一栅格结构科氏元件70上，而正的y方向上的 科氏力作用在第二栅格科氏元件70上。因此，能够对栅格结构科氏元件70的通过电极73、 74检测的偏转进行差分式分析处理。因此，抑制了由在某些情况下附加地作用在偏航率传 感器100上的线性加速度对偏航率检测的干扰。在出现绕Z轴的偏航率时，y方向上的科氏力同样作用在第一和第二可运动的部 分结构51上。但是，由于连接弯曲弹簧53在y方向上是刚性的，这两个可运动的部分结构 51在y方向上的偏移被足够强烈地抑制。y方向上的科氏力也作用在等臂梁结构科氏元件 80上。但是，由于扭簧82在y方向上是刚性的，该等臂梁结构科元件80在y方向上的偏移 同样是不可行的，或者说被非常强烈地抑制。此外，平行于衬底表面的偏移不导致与衬底连 接的电极83上的电容变化。
在出现绕y轴的偏航率时，ζ方向上的科氏力作用在第一和第二可运动的部分结 构51的等臂梁结构科氏元件80上。由于等臂梁结构科氏元件80的等臂梁元件81的质量 不对称地分布在扭簧82两侧，该在ζ方向上作用的科氏力引起等臂梁元件81绕扭簧82的 平行于χ轴定向的轴旋转。该等臂梁元件81的旋转可以通过检测电极83上的电容变化检 测。由于这两个可运动的部分结构51的逆平行的振动运动，科氏力在相反的方向上作用在 这两个等臂梁结构科氏元件上并且引起两个等臂梁结构科氏元件80在相反的旋转方向上 的旋转。因此，可以差分地分析处理检测电极83的电容变化，并且抑制由在可能情况下附 加地在偏航率传感器100上作用的线性加速度对偏航率检测的干扰。 在出现绕y轴的偏航率时，ζ方向上的科氏力同样作用在第一和第二可运动的部 分结构51的驱动框架52上。但是，由于连接弯曲弹簧53在ζ方向上是刚性的，所述驱动 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栅格结构科氏元件70 上。但是，由于弯曲弹簧72在ζ方向上是刚性的，该栅格结构科氏元件70在ζ方向上的偏 移同样是不可行的。图2示出一种双轴式偏航率传感器200的示意图。该偏航率传感器200与图1中 所示的偏航率传感器100的区别在于在两个可运动的部分结构51中的每一个中，等臂梁 结构科氏元件80被蹦床结构科氏元件90取代。这两个蹦床结构科氏元件90中的每一个具有一个大致矩形的振动质量91。所述 振动质量91通过四个弯曲弹簧92与驱动框架52连接，其它方面可自由运动。每个弯曲弹 簧92大致在振动质量91的一个侧棱边的中点作用，平行于振动质量91的该侧棱边在振动 质量91与驱动框架52之间的缝隙中延伸直至振动质量91的相邻侧棱边的大致中点并且 在那里与驱动框架52连接。有利地，弯曲弹簧92在χ和y方向上是刚性的，使得振动质量 91在χ和y方向上不能够相对于驱动框架52偏移。在ζ方向上弯曲弹簧92允许振动质量 91相对于驱动框架52均勻地、面平行地偏移。在振动质量91下方，在衬底50上设置有检 测电极94。振动质量91的偏移引起检测电极94上的电容变化并且能够由此被验证。在出现绕y轴的偏航率时，ζ方向上的科氏力作用在两个蹦床结构科氏元件90上 并且引起振动质量91在ζ方向上偏移。由于两个可运动的部分结构51的反相运动，科氏 力在相反的方向上作用在两个蹦床结构科氏元件90上并且引起两个振动质量91的相反的 偏移。因此，这两个振动质量91的偏移可以通过检测电极94差分式地实现。由此，偏航率 传感器200对于由ζ方向上的线性加速度引起的干扰是不敏感的。图3示出已知的弯折的弯曲弹簧92的示意图，该弯曲弹簧可以用于悬挂蹦床结构 科氏元件90的振动质量91。该弯曲弹簧92由一个单独的、长的、细的硅制梁组成。该梁在 中间区域中具有一个90°的弯折部。在该梁的两个端部上与该梁成90°角地设置端部件， 弯曲弹簧91可以通过所述端部件与其它的微机械构件、例如蹦床结构科氏元件90的振动 质量91和驱动框架52连接。图4示出导体弹簧93的示意图，该导体弹簧同样能够用于将振动质量91悬挂在 蹦床结构科氏元件90上。该导体弹簧93由两个平行的、长的、细的、硅制的梁组成，所述梁 在导体弹簧93的长度上多次通过硅制的横档95连接。两个横档95相互间的间距大于导 体弹簧93的两个平行梁的间距。导体弹簧93在中间区域中具有一个90°的弯折部。在导 体弹簧93的两个端部上成90°角地设置端部件，导体弹簧93可以通过这些端部件与其它的微机械构件、例如蹦床结构科氏元件90的振动质量91和驱动框架52连接。与图3中的 弯曲弹簧92相比，该导体弹簧93提供了显著更高的、χ和y方向上的刚度与ζ方向上的刚 度之比。因此，导体弹簧93比弯曲弹簧92更好地适用于悬挂蹦床结构科氏元件的振动质 量91。导体弹簧93也可以用于任何其它的微机械构件，这些微机械构件需要具有各向异性 的弹簧刚性的弹簧元件。图5示出一种另外的用于检测y和ζ轴的偏航率的双轴式偏航率传感器500的示意图。该偏航率传感器500包括四个可运动的部分结构51。这四个可运动的部分结构51 通过连接件102与一个中央连接弹簧501连接。该连接弹簧501由一个曲折形地折叠的、 由衬底材料制成的梁组成。该连接弹簧501也可以构造成其它形式。第一和第二可运动的部分结构51被这样地设置，使得它们可以被激励在χ方向上 作耦合的振动。第三和第四可运动的部分结构51如此地设置，使得它们可以被激励在y方 向上作耦合的振动。第一和第二可运动的部分结构51的振动与第三和第四可运动的部分 结构51的振动通过该中央连接弹簧501相互耦合。该偏航率传感器500的四个可运动的 部分结构51可以激励至一个共同的驱动模式中，该驱动模式引起四个可运动的部分结构 51在χ和y方向上的叠加的偏移。在图7和8中示意性示出了两种可能的驱动模式。图7 中所示的驱动模式(呼吸模式(breath-mode)) 700引起所有四个可运动的部分结构51同 时向着中央连接弹簧501或者离开中央连接弹簧501运动。在图8中所示的驱动模式(逆 呼吸模式(anti-breath-mode)) 701中，在第一半个振动周期中，两个在χ方向上可运动的 部分结构51向着中央连接弹簧501运动，而两个在y方向上可运动的部分结构51从中央 连接弹簧501运动离开。在第二半个振动周期中，两个在χ方向上可运动的部分结构51从 中央连接弹簧501运动离开，而两个在y方向上可运动的部分结构51向着中央连接弹簧 501运动。该中央连接弹簧501引起偏航率传感器500的在图7和8中所示的两个驱动模 式700、701的频率分解。通过借助设置在偏航率传感器500的可运动的部分结构51上的 驱动梳形结构56在χ和y方向上的定义的相位正确的力耦合输入，可以符合目的地激励出 两个驱动模式700、701中的一个。与在图1和2中所示的偏航率传感器100、200不同，图5中所示的偏航率传感器 500的可运动的部分结构51中的每一个仅具有一个科氏元件58。在χ方向上可运动的第 一和第二部分结构51各具有一个蹦床结构科氏元件90。在y方向可运动的第三和第四部 分结构51各具有一个栅格结构科氏元件70。在出现绕y轴的偏航率时，ζ方向上的科氏力作用于在χ方向上可运动的第一和第 二部分结构51上并且引起蹦床结构科氏元件90的振动质量91在ζ轴的方向上偏移。第 一和第二可运动的部分结构51的逆平行的运动引起振动质量91的指向相反方向的偏移并 且允许借助蹦床结构科氏元件90的检测电极94进行差分式分析处理。在出现绕Z轴的偏航率时，χ方向上的科氏力作用于在y方向上可运动的第三和 第四部分结构51上并且引起栅格结构科氏元件70的框架71沿着χ轴偏移。由于第三和 第四可运动的部分结构51的逆平行的运动，两个栅格结构科氏元件70的框架71在相反方 向上偏移，这能够实现差分式分析处理。图6示出一种用于检测绕χ和y轴的偏航率的双轴式偏航率传感器的示意图。该 偏航率传感器600与在图5中所示的偏航率传感器500的区别在于在y方向上可运动的部分结构51也具有蹦床结构科氏元件90，而不具有栅格结构科氏元件70。在出现绕χ轴 的偏航率时，ζ方向上的科氏力作用于在y方向上可运动的部分结构51上，该科氏力引起 蹦床结构科氏元件90的振动质量91在ζ轴的方向上偏移。由于在y轴上可运动的部分结 构51的逆平行的运动，该科氏力引起两个振动质量91的相反的偏移，该偏移可以差分式地 分析处理。
图9示出一种用于检测绕χ和y轴的偏航率的双轴式偏航率传感器900的示意图。 如在图6中所示的偏航率传感器600 —样，该偏航率传感器900具有四个可运动的部分结 构51，这些可运动的部分结构各包括一个蹦床结构科氏元件90。但是，与图6相比，可运动 的部分结构51的驱动框架52被两部分式驱动框架902取代。在两部分式驱动框架902与 中央连接弹簧501之间不存在连接。替代地，该中央连接弹簧501通过连接件901与蹦床 结构科氏元件90的振动质量91连接。此外，蹦床结构科氏元件90的振动质量91通过附 加的连接元件903在每一个部分结构51的背离中央连接弹簧501的一侧与衬底50连接。 振动质量91的通过中央连接弹簧50的耦合导致科氏元件58不仅在驱动运动方面，而且 在检测模式方面耦合。弯曲弹簧904在该实施例中U形地构造，该弯曲弹簧使振动质量91 与驱动框架902连接。两个部分框架51的质量或两个科氏元件58的弯曲弹簧92或904的弹簧刚度的 由工艺技术引起的差别可能导致两个科氏元件58的检测频率的不期望的分解，由此在科 氏元件58的驱动运动与检测运动之间得到不同的相位关系。这使得对两个检测通道的、例 如在多路复用运行中通过一个共同的分析处理回路的简单分析处理更难，因为必须检测具 有不同相位的信号。电子的正交补偿也明显变难。通过四个可运动的部分结构51的科氏 元件58的检测模式的耦合能够避免该问题。图10示出一种用于检测绕x、y和ζ轴的偏航率的三轴式偏航率传感器1000的示 意图。如在图5和6中所示的偏航率传感器500、600 —样，该三轴式偏航率传感器1000由 四个可运动的部分结构51组成，这些可运动的部分结构通过连接件102耦接到一个中央连 接弹簧501上。与偏航率传感器500、600不同，偏航率传感器1000的每个可运动的部分结 构51具有两个科氏元件58。每个可运动的部分结构51包括一个等臂梁结构科氏元件80 以及一个栅格结构科氏元件70。在出现绕y轴的偏航率时，ζ轴的方向上的科氏力作用于在χ方向上可运动的部 分结构51上并且引起在χ方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80的等臂 梁元件81绕平行于χ轴定向的扭簧82旋转。这两个在χ方向上可运动的部分结构51的 逆平行的运动允许对等臂梁元件81的由科氏力引起的倾斜进行差分式分析处理，由此允 许检测绕y轴的偏航率。在出现绕χ轴的偏航率时，ζ方向上的科氏力作用于在y方向上可运动的部分结 构51上并且引起在y方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80的等臂梁元 件81绕平行于y轴定向的扭簧82旋转。由于两个在y方向上可运动的部分结构51的逆 平行的运动，对等臂梁元件81的旋转的差分式分析处理是可行的。在出现绕ζ轴的偏航率时，y方向上的科氏力作用于在χ方向上可运动的部分结构 51上并且引起在χ方向上可运动的部分结构51的栅格结构科氏元件70的框架71在y轴 的方向上偏移。由于两个在χ方向上可运动的部分结构51的逆平行的运动，对框架71的由科氏力引起的偏移的差分式分析处理是可行的。此外，在出现绕Z轴的偏航率时，χ轴的方向上的科氏力作用于在y方向上可运动 的部分结构51上并且引起在y方向上可运动的部分结构51的栅格结构科氏元件70的框 架71在χ轴的方向上偏移。由于两个在y方向上可运动的部分结构51的逆平行的运动， 也可以对该偏移进行差分式检测。因此，为了测定绕ζ轴的偏航率，总共提供了四个科氏元 件58。图11示出另一种用于测定绕所有三个空间轴的偏航率的三轴式偏航率传感器 1100的示意图。与在图10中所示的偏航率传感器1000不同，用于测定绕χ和y轴的偏航 率的四个等臂梁结构科氏元件80被蹦床结构科氏元件90取代。这些蹦床结构科氏元件同 样适合用于差分式地检测绕χ和y轴的偏航率。图10、11中的三轴式偏航率传感器1000、1100并不一定要具有许多用于测定绕ζ 轴的偏航率的科氏元件58。图12示出了一种三轴式偏航率传感器1200的示意图，其构造 与图10中的偏航率传感器1000的构造类似。然而，在y方向上可运动的部分结构51缺少 栅格结构科氏元件70。在y方向上可运动的部分结构51因此仅分别包括一个等臂梁结构 科氏元件80。在χ方向上可运动的部分结构51的栅格结构科 氏元件70仅用于检测绕ζ轴 的偏航率。此外，在y方向上可运动的部分结构51的驱动框架52与中央连接弹簧501之间 的连接件102相对于在χ方向上可运动的部分结构51的驱动框架52与中央连接弹簧501 之间的连接件102强烈地缩短，使得在y方向上可运动的部分结构51设置在衬底50表面 的位于在χ方向上可运动的部分结构之间的区域中。由此减少了偏航率传感器1200的空 间需求。偏航率传感器1200的在y方向上可运动的部分结构51仅各具有一个科氏元件 58，而偏航率传感器1200的在χ方向上可运动的部分结构51各包括两个科氏元件58。因 此，在y方向上可运动的部分结构51的质量小于在χ方向上可运动的部分结构51的质量。 在一种优选的实施方式中，质量差别通过中央连接弹簧501在χ和y方向上的不同弹簧刚 度来补偿。在该实施方式中，该中央连接弹簧501在y方向上具有的弹簧刚度小于在χ方 向上的弹簧刚度。所述弹簧刚度这样地选择，使得在y方向上可运动的部分结构51执行具 有与在χ方向上可运动的部分结构51相当的偏移幅值的振动。该中央连接弹簧501的刚 度可以通过各个弹簧元件的不同长度和厚度来调节。图13示出另一种用于检测绕所有三个空间方向的偏航率的三轴式偏航率传感器 1300的示意图。该偏航率传感器1300包括四个可运动的部分结构51。在χ方向上可运动 的部分结构51各具有两个用于检测绕y和ζ轴的偏航率的科氏元件58。两个在y方向上 可运动的部分结构51各具有一个用于差分式地检测绕χ轴的偏航率的科氏元件58。在χ方向上可运动的部分结构51各具有一个两部分式的栅格结构科氏元件1301 和一个等臂梁结构科氏元件80。两部分式的栅格结构科氏元件1301具有一个U形并且包 围该等臂梁结构科氏元件80，但是不与其接触。通过两部分式的栅格结构科氏元件1301 的该形状，在χ方向上可运动的部分结构51具有关于平行于χ轴的镜像平面的对称性。这 两个在χ方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80用于差分式地检测绕y轴 的偏航率。这两个在χ方向上可运动的部分结构51的两个两部分式的栅格结构科氏元件 1301用于差分式地检测绕ζ轴的偏航率。
两个在y方向上可运动的部分结构51各具有一个等臂梁结构科氏元件80。在y 方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80相对于在图12中所示的偏航率传 感器1200的在y方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80转过90°。因此， 在y方向上可运动的部分结构51不但具有关于平行于y轴的镜像平面的内部对称性，而且 相互之间具有对称性。蹦床结构科氏元件90的工作方式并不因为转过90°的布置而改变。在y方向上可运动的部分结构51的驱动框架52在平行于y轴的侧棱边上各具有 一个悬臂1302。用于驱动在y方向上可运动的部分结构51的驱动梳形结构56以及用于 检测在y 方向上可运动的部分结构51的驱动运动的电容式的驱动检测梳形结构57设置于 在y方向上可运动的部分结构51的驱动框架52的悬臂1302上。在y方向上可运动的部 分结构51的驱动框架52的与χ轴平行的整个侧棱边通过四个连接弯曲弹簧53抓住。驱 动梳形结构56、电容式的驱动检测梳形结构57以及连接弯曲弹簧53的布置能够实现在y 方向上可运动的部分结构51的更小的空间尺寸，由此减少三轴式偏航率传感器1300的面 积需求。图14示出另一种用于检测绕所有三个空间方向的偏航率的三轴式偏航率传感器 1400。该偏航率传感器1400相应于在图12中所示的偏航率传感器1200，其中，在所有四个 可运动的部分结构51中，等臂梁结构科氏元件80被蹦床结构科氏元件90取代。在y方向 上可运动的部分结构51的蹦床结构科氏元件90允许差分式地检测绕χ轴的偏航率。在χ 方向上可运动的部分结构51的蹦床结构科氏元件90允许差分式地检测绕y轴的偏航率。 转速率传感器1400具有比偏航率传感器1200更高的对称性。图15示出用于检测绕所有x、y和ζ轴的偏航率的三轴式偏航率传感器1500的另 一种实施方式。该转速率传感器1500包括四个可运动的部分结构51。在这些可运动的部 分结构51之间存在一个中央连接弹簧1501，该中央连接弹簧1501构造成由衬底材料制成 的、圆形的薄环。该中央连接弹簧1501通过四个垂直地分别以90°的间距设置的连接件 1505与四个可运动的部分结构51的驱动框架1502连接。该中央连接弹簧1501也可以具 有椭圆形的形状，以便在χ和1方向上实现不同的弹簧刚度。每个可运动的部分结构51通过四个连接弯曲弹簧1503与衬底50连接。每个可 运动的部分结构51的连接弯曲弹簧1503如此地定向，使得可运动的部分结构51在与衬底 表面平行的第一轴的方向上是可运动的，而在与第一轴垂直的两个轴的方向上固定的。第 一和第二可运动的部分结构51可以被激励在χ轴的方向上作逆平行的振动。第三和第四 可运动的部分结构51可以被激励在y轴的方向上做逆平行的振动。为了激励出该振动，每 个可运动的部分结构51在驱动框架1502的背离中央连接弹簧1501的一侧上具有驱动梳 形结构1504，所述驱动梳形结构接收驱动框架1502的整个侧面。在另一种实施方式中，驱 动梳形结构1504接收驱动框架1502的侧面的仅仅一部分并且通过驱动检测梳形结构57 补充。偏航率传感器1500的四个通过中央连接弹簧1501相互连接的可运动的部分结构 51可以被激励在χ和y方向上作耦接的振动，该振动引起四个可运动的部分结构51在χ和 y方向上的叠加的偏移。例如，可以被激励出在图7和8中示意性示出的驱动模式700、701。四个可运动的部分结构51的驱动框架1502具有一个六角形的基本形状。每个驱 动框架1502包括一个矩形部分，在该矩形部分的面向中央连接弹簧1501的纵向侧上设置等腰梯形的底边。每个可运动的部分结构51的驱动框架1502的矩形部分具有一个用于检 测绕ζ轴的偏航率的栅格结构科氏元件70。每个可运动的部分结构51的该驱动框架1502 的梯形部分具有一个蹦床结构科氏元件1510。每个蹦床结构科氏元件1510包括一个梯形 的振动质量1511，该梯形的振动质量分别通过四个弯曲弹簧1512与驱动框架1502连接。 这些弯曲弹簧1512如此地设置，使得振动质量1511在χ和y方向上跟随驱动框架1502运 动，而振动质量1511可以在ζ方向上相对于驱动框架1502偏移。在出现绕y轴的偏航率 时，ζ轴的方向上的科氏力作用于在χ方向上可运动的部分结构51上并且引起所述在χ方 向上可运动的部分结构51的蹦床结构科氏元件1510的振动质量1511沿着ζ轴偏移。由 于在χ方向上可运动的部分结构51的逆平行的运动，两个在χ方向上可运动的部分结构51 的振动质量1511在相反方向上偏移并且允许差分式地检测绕y轴的偏航率。在y方向上 可运动的部分结构51的两个蹦床结构科氏元件1510允许差分式地测定绕χ轴的偏航率。图16示出另一种用于测定绕χ、y和ζ轴的偏航率的三轴式偏航率传感器1600。 该偏航率传感器1600包括四个可运动的部分结构51，其分别具有一个科氏元件58。在此， 在χ方向上可运动的部分结构51中的一个具有一个等臂梁结构科氏元件80，另一个在χ方 向上可运动的部分结构51具有一个栅格结构科氏元件70。在y方向上可运动的部分结构 51中的一个具有一个栅格结构科氏元件70，另一个在y方向上可运动的部分结构51具有 一个等臂梁结构科氏元件80。如果所述三轴式偏航率传感器1600的四个可运动的部分结构51被激励至一个共 同的驱动模式，则这两个栅格结构科氏元件70允许差分式地检测绕ζ轴的偏航率。第一个 在χ方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80允许检测绕y轴的偏航率。第 二个在y方向上可运动的部分结构51的等臂梁结构科氏元件80允许检测绕χ轴的偏航率。因为该三轴式偏航率传感器1600的四个可运动的部分结构51中的每一个仅具有 一个科氏元件58，所以该偏航率传感器1600的面积需求小于在图10中所示的偏航率传感 器1000的面积需求。但是，逆平行地振动的部分结构51相互间没有对称性。两个逆平行 地振动的部分结构51的科氏元件58的不同质量可以通过适当地选择这两个逆平行地振动 的部分结构51的驱动框架52的质量来均衡。图17示出三轴式偏航率传感器1700的示意图，其由六个可运动的部分结构51组 成。该偏航率传感器1700的四个可运动的部分结构51构成一个双轴式偏航率传感器，其 构造与在图6中所示的偏航率传感器600的构造相对应。出于清楚的考虑，仅仅示出了一 些连接弯曲弹簧53并且省去了驱动梳形结构56以及电容式的驱动检测梳形结构57的显 示。两个另外的可运动的部分结构51相对于前面四个可运动的部分结构51旋转45°地设 置在所述中央连接弹簧501的两侧并且同样通过连接件102与中央连接弹簧501连接。这 六个可运动的部分结构51可被激励至一个共同的振动模式。前面四个可运动的部分结构51各具有一个蹦床结 构科氏元件90。在χ方向上可 运动的部分结构51允许差分式地检测绕y轴的偏航率。在y方向上可运动的部分结构51 允许差分式地检测绕χ轴的偏航率。两个另外的在x_y平面中成对角地可运动的部分结构 51各具有一个栅格结构科氏元件70并且允许差分式地检测绕ζ轴的偏航率。
权利要求
偏航率传感器，具有衬底(50)和多个可运动的部分结构(51)，所述可运动的部分结构设置在所述衬底(50)的表面上方，其特征在于，所述可运动的部分结构(51)与一个共同的、尤其是中央弹簧元件(101，501，1501)耦合，设有器件(56，1504)，用于激励所述可运动的部分结构(51)在与所述衬底(50)的表面平行的平面中作耦合的振动，所述可运动的部分结构(51)具有科氏元件(58)，设有用于验证所述科氏元件(58)的由科氏力引起的偏移的器件(73，74，83，94)，设有用于验证绕第一轴的偏航率的第一科氏元件(58)，设有用于验证绕第二轴的偏航率的第二科氏元件(58)，所述第二轴与所述第一轴不平行地，尤其是垂直地定向。
2.根据权利要求1的偏航率传感器，其特征在于，每个科氏元件(58)通过另外的弹簧 元件(72，82，92，93，1512)与这些部分结构(51)中的一个的驱动框架(52)连接，所述科氏元件(58)与所述中央弹簧元件(101，501，1501)连接。
3.根据权利要求1的偏航率传感器(900)，其特征在于，每个科氏元件(58)通过另外 的弹簧元件(904)与这些部分结构(51)中的一个的驱动框架(902)连接，每个部分结构(51)的所述驱动框架(902)与所述中央弹簧元件(101，501，1501)连接。
4.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，至少两个可运动的部分结构 (51)的共同的质心在振动周期期间保持位置固定。
5.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，至少一个科氏元件(70， 1301)通过弯曲弹簧元件(72)与一个部分结构(51)连接，所述弯曲弹簧元件(72)在所述部分结构(51)的振动方向上具有高的刚度， 所述弯曲弹簧元件(72)在第二方向上具有小的刚度，所述第二方向垂直于所述部分 结构(51)的振动方向并且平行于所述衬底(50)的表面定向，设有用于验证所述科氏元件(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.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，至少一个科氏元件(80)构造 为等臂梁，所述科氏元件(80)通过扭簧元件(82)与一个部分结构(51)连接，所述扭簧元件(82)构成所述等臂梁的一个与所述衬底(50)的表面平行的旋转轴，所述等臂梁的两侧具有不同的质量，所述科氏元件(80)可通过垂直于所述衬底(50)的表面作用的科氏力绕所述旋转轴旋转，设有用于验证所述科氏元件(80)的旋转的器件(83)。
7.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，至少一个科氏元件(90， 1510)通过弯曲弹簧元件(92，1512)与一个部分结构(51)连接，所述弯曲弹簧元件(92，1512)在与所述衬底(50)的表面平行的方向上具有高的刚度， 所述弯曲弹簧元件(92，1512)在第二方向上具有小的刚度，所述第二方向垂直于所述衬底(50)的表面定向，设有用于验证所述科氏元件(90，1510)的由科氏力引起的、在第二方向上的偏移的器 件(94)。
8.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，至少一个可运动的部分结构 (51)具有多于一个科氏元件(58)。
9.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，设有用于激励两个可运动的 部分结构(51)至一个振动模式的器件(56，1504)，所述振动模式基本上引起这两个可运动 的部分结构(51)沿着一个共同的轴的反相的偏移。
10.根据权利要求9的偏航率传感器，其特征在于，可被激励至一个共同的、具有反相 偏移的振动模式的所述两个可运动的部分结构(51)各具有一个科氏元件(58)，这两个科氏元件(58)由于科氏力可在相反的方向上偏移。
11.根据权利要求1至8之一的偏航率传感器，其特征在于，设有四个可运动的部分结 构(51)，设有用于激励所述四个可运动的部分结构(51)至耦合的振动模式(700，701)的器件 (56，1504)，所述耦合的振动模式引起第一和第二可运动的部分结构(51)的沿着第一轴的基本上 反相的偏移，并且所述耦合的振动模式引起第三和第四可运动的部分结构(51)的沿着第二轴的基 本上反相的偏移。
12.根据权利要求11的偏航率传感器，其特征在于，设有用于激励出一个振动模式(700)的器件(56，1504)，在该振动模式中所述第一和第二可运动的部分结构(51)的偏移 与所述第三和第四可运动的部分结构(51)的偏移同相地进行。
13.根据权利要求11的偏航率传感器，其特征在于，设有用于激励出一个振动模式(701)的器件(56，1504)，在该振动模式中所述第一和第二可运动的部分结构(51)的偏移 与所述第三和第四可运动的部分结构(51)的偏移反相地进行。
14.根据权利要求11至13之一的偏航率传感器，其特征在于，所述科氏元件(58)设置 用于测定绕三个相互垂直的轴的偏航率。
15.根据权利要求11至14之一的偏航率传感器，其特征在于，所述第一和第二可运动 的部分结构(51)具有基本上相同的第一质量，所述第三和第四可运动的部分结构(51)具有基本上相同的第二质量， 所述中央弹簧元件(501，1501)在所述第一轴的方向上具有第一弹簧刚度， 所述中央弹簧元件(501，1501)在所述第二轴的方向上具有第二弹簧刚度， 所述第一质量、所述第二质量、所述第一弹簧刚度和所述第二弹簧刚度被如此地选择， 使得所述四个可运动的部分结构(51)可被激励至一个振动模式，在该振动模式中所有四 个可运动的部分结构(51)具有基本相同的偏移幅值。
16.根据权利要求11至15之一的偏航率传感器，其特征在于，所述第三和第四可运动 的部分结构(51)如此地设置在所述衬底(50)的表面上，使得所述第三和第四可运动的部 分结构(51)的面积的一部分覆盖所述衬底(50)的表面的一个区域，该区域位于所述第一 和第二可运动的部分结构(51)之间。
17.根据以上权利要求之一的偏航率传感器，其特征在于，所述中央弹簧元件(501)由 多个耙齿和连接元件组成，每个耙齿包括一个逆时针的90°的第一弯折部、一个具有第一长度的第一直线区段、 一个顺时针的90°的第二弯折部、一个具有第二长度的第二直线区段、一个顺时针的90° 的第三弯折部和一个具有第一长度的第三区段，每个连接元件包括一个逆时针的90°的第四弯折部和一个具有第三长度的第四区段， 在每个耙齿上要么连接一个连接元件，要么连接一个另外的耙齿， 在每个连接元件上连接一个耙齿， 所述弹簧元件(501)构成一个封闭的环。
18.根据权利要求1至16之一的偏航率传感器，其特征在于，所述中央弹簧元件 (1501)构造成一个环，其中，所述可运动的部分结构(51)通过设置在所述环上的连接件 (1505)与所述中央弹簧元件(1501)耦合。
19.微机械的导体弹簧(93)，用于悬挂微机械结构元件、尤其是用于悬挂科氏元件 (58)，其特征在于，所述微机械的导体弹簧(93)具有两个基本上平行的梁，这两个梁在其长度上通过多个连接横档(95)连接，所述多个连接横档(95)相互间的间距至少与所述梁相互间的间距一样大。
全文摘要
本发明涉及一种偏航率传感器，具有衬底和多个可运动的部分结构，所述可运动的部分结构设置在所述衬底的表面上方，其中，所述可运动的部分结构与一个共同的、尤其是中央弹簧元件耦合，设有用于激励所述可运动的部分结构在与所述衬底的表面平行的平面中作耦合的振动的器件，所述可运动的部分结构具有科氏元件，设有用于验证所述科氏元件的由科氏力引起的偏移的器件，设有用于检测绕第一轴的偏航率的第一科氏元件，设有用于检测绕第二轴的偏航率的第二科氏元件，所述第二轴与所述第一轴垂直地定向。
文档编号G01C19/56GK101868692SQ200880116117
公开日2010年10月20日 申请日期2008年10月2日 优先权日2007年11月15日
发明者A·弗兰克, B·库尔曼, D·C·迈泽尔, J·克拉森, J·豪尔, K·克尔, O·科恩, R·诺伊, T·欧姆斯, U-M·戈梅 申请人:罗伯特·博世有限公司