用于测量转速和/或加速度的惯性传感器的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的惯性传感器。

背景技术：

这种惯性传感器是普遍已知的。所述惯性传感器被用来测量关于平行于或垂直于衬底的主延伸平面的一个或多个轴线的加速度或转速。此类惯性传感器通常由多个可运动的、相互机械耦合的质量组成。耦合的类型是决定性的，因为通过所述耦合的类型来决定信号品质，并且干扰信号被或多或少得良好地抑制。

技术实现要素：

本发明的任务是，提出一种惯性传感器，该惯性传感器相比于由现有技术已知的惯性传感器简单地构建，尤其是平行于主延伸平面的干扰信号在很大程度上被抑制，并且该惯性传感器可以用于探测不仅平行于而且垂直于主延伸平面的转速和/或加速度。

根据主权利要求的根据本发明的惯性传感器相对于现有技术具有以下优点：惯性传感器可以灵活地用于尤其探测不仅平行于而且垂直于主延伸平面的转速和/或加速度、被简单地构建并且尤其相对于通过平行的干扰模式所引起的干扰信号不敏感。相比于现有技术，根据本发明的惯性传感器也有利地具有惯性小的质量，这同样有利地作用到可能的干扰信号上。此外，通过至少一个衬底附接部位使惯性传感器有利地针对应力不敏感，即惯性传感器相对于衬底围绕垂直于主延伸平面的轴线的弯曲不敏感。

优选地，惯性传感器构造微系统、尤其构造为微机电系统(mems)。特别优选地，惯性传感器是单轴线惯性传感器，即该惯性传感器设置用于探测围绕正好一个轴线的转速或用于探测沿着正好一个轴线的加速度。完全特别优选地，衬底由半导体材料、尤其由硅材料生产。主延伸方向设置得尤其平行于衬底的表面。优选地，耦合元件共同形成耦合结构。那么当接下来说到耦合结构时，以该耦合结构优选地表示耦合元件的全体和/或布置。

在本申请的意义下，偏转尤其应理解为相对转动。在此，两个彼此偏转的元件优选应围成真实的或虚拟的角度，其中，所述角度的大小在运动的、即偏转的过程中改变。

优选设置为，耦合元件经由正好一个、尤其在中央布置的衬底附接部位与衬底机械耦合。在此，所述耦合特别优选地经由弹簧结构来实现。

由此，根据本发明有利地可能的是，惯性传感器相对于衬底弯曲是特别不敏感的。

优选设置为，惯性传感器具有正好两个可运动的质量。

由此，根据本发明有利地可能的是，惯性传感器包括惯性小的质量，并且因此相对于干扰信号更不敏感。

本发明的有利构型和扩展方案可以由从属权利要求、以及参考附图的说明得出。

根据优选的扩展方案设置为，第一耦合元件、第二耦合元件和第三耦合元件如此布置，使得在质量从静止位置中偏移出时，第一主延伸方向保持平行于第三主延伸方向地布置。特别优选地，第一耦合元件附接到这两个质量中的一个质量上并且附接到第二耦合元件上，其中，第三耦合元件附接到这两个质量中的一个质量上并且附接到第二耦合元件或第一耦合元件上。完全特别优选地，第二耦合元件布置在第一耦合元件与第二耦合元件之间。

由此，根据本发明有利地可能的是，实现z形的铰接结构，由此有效地抑制干扰模式。

根据优选的扩展方案设置为，该惯性传感器包括第四耦合元件，其中，第四耦合元件具有第四主延伸方向，其中，第一耦合元件、第二耦合元件、第三耦合元件和第四耦合元件如此布置，使得在质量从静止位置中偏移出时进行第三主延伸方向相对于第四主延伸方向的偏转，其中，尤其是第一主延伸方向保持平行于第三主延伸方向地布置并且第二主延伸方向保持平行于第四主延伸方向地布置。特别优选地，耦合元件菱形地布置，其中，质量尤其附接到菱形的两个相对置的角部上。在此，本领域技术人员理解为，由此提出一种菱形的耦合结构。

由此，根据本发明有利地可能的是，通过耦合元件形成的耦合结构一方面可以实施围绕中轴线的扭转运动，并且平行模式、即干扰模式也尽可能地被抑制。

根据优选的扩展方案设置为，耦合元件具有不同的长度，其中，优选地，至少一个耦合元件具有另一个耦合元件的两倍大的长度，其中，这两个耦合元件尤其连接。特别优选地，耦合元件十字形地和/或剪刀铰接形地布置和/或耦合。

由此，根据本发明有利地可能的是，不出现横向于这两个质量的运动方向的不期望的干扰模式。特别优选地，设置有多个依次布置的并且相应连接的十字形的耦合结构，从而有利地也可以桥接待耦合的质量之间的更大的间距。

根据优选的扩展方案设置为，耦合元件在其中部和/或在其端部上与所述耦合元件中的另一个耦合元件连接。在此，特别优选地设置为，至少在连接点上设置有衬底附接部位。

由此，根据本发明有利地可能的是，能够实现以上描述的剪刀和/或十字形的耦合结构，该耦合结构相对于横向于质量的运动方向的平行的干扰模式是特别稳固的。通过中央的衬底附接部位有利地可能的是，耦合元件基本上通过少量的、布置在中央的衬底附接部位来支承，并且因此惯性传感器相对于衬底弯曲特别不敏感。

根据优选的扩展方案设置，耦合元件梁形地设置、尤其设置为弯曲梁、扭转梁和/或剪切-拉伸梁。

由此，根据本发明有利地可能的是，耦合元件刚性地构造，但是关于确定的轴线和/或变形方面的刚性不同。例如，耦合元件可以相对于扭转是刚性的，但是相对于沿着其主延伸方向的弯曲是柔性的。

根据优选的扩展方案设置为，耦合元件沿着其主延伸方向具有可变的横截面、尤其是可变的厚度。特别优选地，耦合元件在其中部具有比在至少一个端部上更大的厚度。

由此，根据本发明有利地可能的是，可以有针对性地调节耦合元件的弯曲行为。这样例如可以防止耦合元件完全弯曲(durchbiegen)，而对于根据本发明的偏转确保在附接部位、即端部上的足够小的抗弯刚性。因此，尤其可以有利地提供限定的变形部位，由此改善惯性传感器的非线性行为。

根据优选的扩展方案设置为，惯性传感器具有用于驱动质量来沿着第二方向运动的至少一个驱动器件，其中，第一方向与第二方向不同。

由此，根据本发明有利地可能的是，惯性传感器是转速传感器。在此，质量尤其被驱动来平行于第二方向运动，其中，第二方向例如平行于主延伸平面布置。如果现在出现围绕垂直于主延伸平面的轴线的转速，则质量通过科里奥利力沿着第一方向偏转，这又通过探测器件探测到。

根据优选的扩展方案设置为，第一方向和第二方向设置得平行于主延伸平面，或第一方向设置得平行于主延伸平面并且第二方向设置得垂直于主延伸平面，或者第一方向设置得垂直于主延伸平面并且第二方向设置得平行于主延伸平面。

由此，根据本发明有利地可能的是，提供一种多方面的惯性传感器，该惯性传感器在不同的配置方案下可以探测不仅在主延伸平面中而且垂直于该主延伸平面的转速。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中更详细地阐释。

其中：

图1以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图2以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图3以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图4以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图5以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图6以示意性视图示出根据本发明的实施方式的耦合元件，

图7a和7b以从下方看的示意性视图和以示意性侧视图示出根据本发明的实施方式的用于将耦合元件附接到衬底附接部位上的扭转弹簧。

图8以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图9以示意性视图示出根据本发明的实施方式的具有衬底附接部的耦合元件，

图10以示意性视图示出根据本发明的实施方式的具有衬底附接部的耦合元件，

图11以侧视图示出图10中的具有衬底附接部的耦合元件，

图12a和12b以示意性详细视图示出根据本发明的实施方式的两个耦合元件，

图13以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图14以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器的一部分，

图15以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图16以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器，

图17示出根据本发明的实施方式的耦合元件的弹簧刚性的示例性变化曲线，

图18示出根据本发明的实施方式的耦合元件的弹簧刚性的示例性变化曲线。

具体实施方式

在不同附图中，相同的部件总是设有相同的参考标记，并且因此通常也分别仅命名或提及一次。

在图1中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，惯性传感器1可以是转速传感器和/或加速度传感器。惯性传感器1包括这里未示出的具有主延伸平面的衬底，该主延伸平面平行于绘图平面地布置。两个质量2、2'经由弹簧5可运动地悬挂在该衬底上。在此，弹簧5例如能够实现质量2、2'的驱动运动，如通过转速传感器中的驱动器件施加给质量2、2'的驱动运动。弹簧相应地适当地构造，即尤其平行于质量2、2'的运动方向柔性地构造，并且相对于垂直于该运动方向的运动刚性地构造。在此，质量2、2'经由耦合结构机械耦合，其中，耦合结构通过多个(这里四个)耦合元件8、8'、8”、8”'来形成，所述耦合元件构造为剪切-拉伸-弯曲梁。

在此，第一耦合元件8具有第一主延伸方向，第二耦合元件8'具有第二主延伸方向，第三耦合元件8”具有第三主延伸方向并且第四耦合元件8”'具有第四主延伸方向。根据所示出的实施方式，这些耦合元件8、8'、8”、8”'菱形地布置。第一耦合元件8和第二耦合元件8'经由附接部4、例如适当的弹簧结构耦合到质量2上，并且第三耦合元件8”以及第四耦合元件8”'经由附接部4耦合到另一个质量2'上。在菱形的不与质量2、2'连接的两个角部、即第一耦合元件8和第四耦合元件8”'的连接部位或第二耦合元件8'和第三耦合元件8”的连接部位上，耦合元件8、8'、8”、8”'经由衬底附接部位3、3'机械耦合到衬底上。在这里该耦合经由布置在耦合元件8、8'、8”、8”'上的扭转弹簧6来进行，所述扭转弹簧能够实现耦合结构从主延伸平面出来的可扭转运动性、也就是说围绕平行于主延伸平面的轴线的转动。

扭转弹簧6又耦合到在这里实施为双u形弹簧的另外的弹簧7上，所述另外的弹簧又确保在衬底附接部位3、3'上到衬底上的直接附接。

质量2、2'的运动通过探测器件来感测，然而所述探测器件在这里和在下面出于概要性的原因未示出。示图将重点放在耦合元件8、8'、8”、8”'的新颖布置上。

在图1中还画出象征运动方向的箭头。由此，耦合元件8、8'、8”、8”'能够实现质量2、2'朝着彼此或远离彼此的反向运动。针对所示出的、质量2、2'平行于主延伸平面朝着彼此运动的情况，产生耦合元件或耦合结构垂直于质量2、2'的运动的和同样平行于主延伸平面的运动。由于耦合元件8、8'、8”、8”'的弹动附接，这种运动是可能的。

在此，耦合元件8、8'、8”、8”'如此运动，使得第一主延伸方向相对于第二主延伸方向和第四主延伸方向偏转，以及第二主延伸方向相对于第三主延伸方向偏转并且第三主延伸方向相对于第四主延伸方向偏转。也就是说在所提到的主延伸方向之间围成的角度改变。与此相对，第一主延伸方向和第三主延伸方向、以及第二主延伸方向和第三主延伸方向保持彼此平行。

在图2中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于在图1中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。由于扭转弹簧6，质量2、2'和耦合结构、即耦合元件8、8'、8”、8”'也可以实施围绕虚线示出的轴线的扭转运动，该轴线布置得平行于主延伸平面。在此，扭转运动这里如此进行，使得右方的质量2'从绘图平面中运动出来，而左方的质量2运动到绘图平面中。

在图3中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于图1和2中所示出实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。这里示例性示出，在施加横向加速度的情况下，通过耦合元件8、8'、8”、8”'的布置如何抑制平行的干扰模式。

在图4中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于图1至3中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。如果所施加的横向加速度非常大，那么这可以导致双u形弹簧7的倾翻，如所示出的那样，由此不再如此有效地抑制平行的干扰模式。

在图5中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于图1至4中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。为了改善对(平行的)干扰模式的抑制，根据这里所示出的实施方式的惯性传感器1包括针对耦合元件8、8'、8”、8”'的四个衬底附接部位3、3'、3”、3”'。这些衬底附接部位基本上对称地布置并且如之前所描述的那样构建、即衬底附接分别经由双u形弹簧7进行，该双u形弹簧又经由扭转弹簧6附接到耦合元件8、8'、8”、8”'上。由此，提高耦合结构的刚性并且避免弹簧7如在图4中那样的倾翻。

在图6中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的耦合元件8。如已经在之前所描述的实施方式中那样，耦合元件8实施为剪切-拉伸-弯曲梁。然而为了避免耦合元件8的弯曲，耦合元件8如此设置，使得该耦合元件关于主延伸方向在中部具有较大的厚度、即较宽的横截面。由此，避免在具有剪切负载时的弯曲。通过同时使耦合元件8的端部(在所述端部上耦合元件8与另外的耦合元件8'、8”'连接)相对于中部构造得薄，避免耦合结构变得刚性过大。这是重要的，以用来受控地影响惯性传感器1的非线性行为。由此，由耦合元件8、8'、8”、8”'组成的菱形的耦合结构(如所示出的那样)在总体上具有比已知的u形弹簧更强烈的非线性行为。

因此，耦合元件8、8'、8”、8”'的横截面可以根据在具体的应用情况下所期望的使用模式频率或不期望的干扰模式频率来适配。也可行的是，耦合元件8、8'、8”、8”'相对柔性地设置，并且关于期望的使用模式频率而言必要的刚性通过惯性传感器1的其余弹簧6、7来提供。

在图7a和7b中以从下方看的示意性视图和以示意性侧视图示出根据本发明的实施方式的用于将耦合元件8、8'、8”、8”'附接到衬底附接部位3、3'上的扭转弹簧6。在此，图7a示出从下方看的示意性视图。如关于图6所实施的那样，有决定性意义的是，使惯性传感器1的不同元件的刚性相适配地调节。在此，扭转弹簧6的扭转刚性可以类似于之前阐释的耦合元件8、8'、8”、8”'的弯曲刚性地通过其横截面的选择来控制。

扭转弹簧6在这里构造为扭转梁。通过扭转梁的尺寸的适当选择来影响扭转刚性。通常，惯性传感器1以层过程制造。在此，单层过程可以仅产生一个确定的恒定的横截面。然而在多层过程的情况下可能的是，如所示出的并且尤其在图7b中可容易看出的那样，在扭转梁的中间设置有凹部，由此使扭转刚性减小。

图8中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于图1至4中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。然而这里仅设置有三个耦合元件8、8'、8”，其中，第一耦合元件8在一端部上直接或经由转向结构11与质量2连接，并且在另一端部上与第二耦合元件8'连接。该第二耦合元件在它的中部具有衬底附接部位3，并且在与设置用于与第一耦合元件8连接的端部相对置的端部上与第三耦合元件8”连接。第三耦合元件8”又在另一端部上直接或间接地与另外的质量2'连接。

由此耦合结构基本上z形地构造。在此，在耦合元件8、8'、8”之间的连接以铰接的形式构造。这在制造惯性传感器1时尤其需要多层过程。在此，在质量2、2'从静止位置中偏移出来时，第一耦合元件8的第一主延伸方向相对于第二耦合元件8'的第二主延伸方向偏转。同样地，第二主延伸方向相对于第三耦合元件8”的第三主延伸方向偏转。在此，第一主延伸方向和第三主延伸方向重新保持彼此平行地布置。

通过设置仅一个居中布置的衬底附接部位，根据所示出的实施方式的惯性传感器1相对于衬底弯曲特别不敏感。

图9中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的具有衬底附接部3的耦合元件8'。在此，所示出的实施方式基本上相应于图8中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。在这里示出第二耦合元件8'，然而其中，不同于图8中所示出的实施方式地设置有两个衬底附接部位3、3'。通过使所述衬底附接部位关于整体结构对称地并且居中地设置，惯性传感器1有利地始终尽可能相对于衬底弯曲不敏感，但为此耦合结构更稳定地附接。

图10中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的具有衬底附接部3的耦合元件8'。在此，所示出的实施方式基本上相应于图8中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。这里设置有仅一个衬底附接部位3，然而其中，由于作为(多)层过程的制造过程而需要中间层9，该中间层作为实现到衬底上的附接的螺旋形弹簧与第二耦合元件8'之间的附接部起作用。

图11中以侧视图示出图10中的具有衬底附接部3的耦合元件8'。这里尤其可以容易看出中间层9以及衬底附接部位3和第二耦合元件8'的层结构。

在图12a和12b中以示意性详细视图示出根据本发明的实施方式的两个耦合元件8、8'。在此，所示出的实施方式基本上相应于图8中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。在此，详细示出图8中所示出的在第一耦合元件8与第二耦合元件8'之间的连接。在此，在图12a中为了概要性间隔开地示出第一耦合元件8和第二耦合元件8'。可清楚看出镰刀形弯曲的铰接区段10、10'。基于作为基础的层过程，这些铰接区段10、10'如在图12b中所示出的那样通过中间层9固定连接，该中间层与此相应地作为连接层起作用。由此，实现限定的铰链式的铰接运动。

图13中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在这里，六个耦合元件8、8'、8”、8”'、8””、8””'十字状地布置，从而实现伸缩铰接。由此，该实施方式基本上相应于图1中的具有菱形的耦合结构的实施方式。然而这里在第三耦合元件8”与第四耦合元件8”'的交叉点中在中央设置有衬底附接部位3。在此，第三耦合元件8”和第四耦合元件8”'构造得如第一耦合元件8、第二耦合元件8'、第五耦合元件8””和第六耦合元件8””'的两倍长。耦合结构和由此的惯性传感器1基本上对称地构造。通过所示出的实施方式尤其有效地抑制不期望的垂直于质量2、2'的运动方向的力。

在图14中以示意性视图示出根据实施方式本发明的惯性传感器1的一部分。在此，所示出的实施方式基本上相应于图13中所示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。这里通过添加另外的耦合元件8””、8””'来延长耦合结构。通过十字形的耦合结构或者说十字形布置的耦合元件8、8'、8”、8”'、8””、8””'的这种彼此排列可以有利地桥接待耦合的质量2、2'之间的更大的间距。在这里仅示出一个衬底附接部位3，然而在更大的结构中显然也可以设置多个衬底附接部位3、3'。

在图15中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在这里惯性传感器1包括四个质量2、2'、2”、2”'。为了可以保持根据本发明的耦合结构或根据本发明的耦合元件8、8'、8”、8”'的布置，质量间接地经由尽可能刚性的转向结构11和u形弹簧12与耦合元件8、8'、8”、8”'耦合。因为惯性传感器1的结构基本上是对称的，所以为了简单起见下面仅阐释该结构的左侧。

所述结构的左半部基本上相应于图1中所示出的实施方式，区别在于，质量2、2'、2”、2”'的耦合间接地经由转向结构11来实现。在其他方面，耦合元件8、8'、8”、8”'的布置基本上相应于图1中所示出的布置，然而相比于图1中的布置，在本示图中转动90°。耦合元件8、8'、8”、8”'再次经由两个衬底附接部位3、3'附接到衬底上。在此，到衬底附接部位3、3'上的附接如之前所描述的那样经由扭转弹簧6和双u形弹簧7来实现。

为了附加的稳定和为了抑制平行的干扰模式，对于两个上方质量2、2'和两个下方质量2”、2”'分别朝着垂直于主延伸平面的相反方向运动的情况，中间的衬底附接部位3'还经由另外的耦合元件8””、8””'与转向结构11连接。

在图16中以示意性视图示出根据本发明的实施方式的惯性传感器1。在此，所示出的实施方式基本上相应于图16中示出的实施方式，因此原则上参考与此有关的实施方案。在这里示出通过根据所示出的实施方式的惯性传感器1能够实现的运动类型。在这里尤其示出作为转速传感器的运行，该运行具有通过未示出驱动器件所施加的平行于主延伸平面的运动和引起的通过同样未示出的探测器件的垂直于主延伸平面的探测运动。在此，所示出的实施方式是特别有利的，因为附加地抑制平行的干扰模式，在该干扰模式下，左边的上方质量2和左边的下方质量2”朝着不同于其余两个质量2'、2”'的方向运动。

在图17中示出根据本发明的实施方式的耦合元件8、8'、8”、8”'的弹簧刚性的示例性变化曲线。在此，尤其示出如图15和16中所示出的两个菱形的耦合结构的弹簧刚性。每个曲线表示耦合元件8、8'、8”、8”'的菱形布置的弹簧刚性。立即可以看出的是，弹簧刚性具有非线性的变化曲线。曲线的下方区域相应于剪切负载，并且上方区域相应于拉伸负载。在拉伸负载的情况下，此类菱形的耦合结构变得更刚性，而所述耦合结构在压缩、即剪切负载的情况下变得更柔性。在此，单位是任意选择的。

在图18中示出根据本发明的实施方式的耦合元件8、8'、8”、8”'的弹簧刚性的示例性变化曲线。在此，所示出的曲线相应于图17中的曲线的叠加。正好对比于图17中的曲线示出关于非线性的补偿效应。单位又是任意选择的。相比于图17中的各个曲线示出，耦合结构的总弹簧刚性的斜率大约比各个菱形的耦合结构的弹簧刚性的斜率小4倍。