專利名稱：微機械的轉(zhuǎn)速傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序所述的一種微機械的轉(zhuǎn)速傳感器。
背景技術(shù)：
通常使用轉(zhuǎn)速傳感器的目的，是為了求得一個物體圍繞一個軸的 角速度或者轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)速傳感器是以硅基片為基礎(chǔ)按微機械制造的，則它例如對比于精密儀器技術(shù)的回轉(zhuǎn)儀的情況下具有如下優(yōu)點可以 按很小的尺寸以相當?shù)偷某杀炯右灾圃?。此外還有些優(yōu)點，就是測量 不可靠性相對的小，在其工作運行中能源消耗相對低。轉(zhuǎn)速傳感器的 一個重要用途就是在汽車技術(shù)方面，例如用于行駛動力調(diào)節(jié)系統(tǒng)如電 子穩(wěn)定性程序(ESP)。 一個防阻塞系統(tǒng)、 一個自動制動力分配系統(tǒng)、 驅(qū)動輪轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和一個偏移力矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們于是如此地配 合，使得通過各個車輪的有針對性的制動便可達到汽車的橫向和縱向 穩(wěn)定化。從而可以防止汽車圍繞它的垂直軸線旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速傳感器的另 一個用途在于結(jié)合用于乘客的氣嚢控制單元和保持系統(tǒng)而對汽車的所 謂的翻車探測。此外，轉(zhuǎn)速傳感器還可用于導(dǎo)航目的以及用于各類車 輛的位置和運動狀態(tài)的測定。其它用途例如用作圖像穩(wěn)定器以用于攝 像機，用于衛(wèi)星發(fā)射到繞地球軌道中時的動態(tài)調(diào)節(jié)，或者用于民航的 備用的位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)。按微機械制造的轉(zhuǎn)速傳感器一般都具有一種震波性的主體，該主 體可經(jīng)過一個激勵裝置而被置于振蕩之中。若該震波性的主體在一旋 轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中依徑向朝內(nèi)或朝外運動，便會改變它的軌道速度。從而它 受到一個由于科氏力所引起的切向加速。震波性的主體對旋轉(zhuǎn)的反應(yīng) 例如可以利用 一個讀出裝置加以探測。國際公開文獻WO 03/104823 Al公開了 一種多軸的整體的加速度
傳感器，配有多至四個震波性的主體，這些主體設(shè)計成槳葉形，并利 用扭簧而懸置在一框架中。利用該傳感器可以測量出相關(guān)主敏感軸的 方向中的加速度，然而不能測定轉(zhuǎn)速。從德國專利文件DE 196 41 284 Cl，獲知一種微二才幾械的轉(zhuǎn)速傳感 器，它配有 一個基片； 一個利用多個彈簧元件而懸置在此基片上的 基本元件，該基本元件包含一個震波性的主體； 一個激勵裝置； 一個 讀出裝置。其上所用的彈簧元件是作為線性彈簧加以設(shè)計的。這種按 微機械制造的轉(zhuǎn)速傳感器主要是從硅塊蝕刻出來的。于此，極微小的 制造精確度上的偏差也會導(dǎo)致產(chǎn)生相關(guān)結(jié)構(gòu)的齒形角。這些齒形角在 彈簧元件偏移的情況下便會促使基本元件產(chǎn)生垂直于其激勵的運動， 即沿轉(zhuǎn)速傳感器的測量方向的運動，即沿轉(zhuǎn)速傳感器的測量方向的運 動。這一情況導(dǎo)致對制造精確度提出很高的要求，同時也就導(dǎo)致例如 從硅塊蝕刻出來的結(jié)構(gòu)的高廢品率。此外還需要復(fù)雜的電子處理線路， 以補償由于齒形角所引起的測量不準確性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)是提供一種制造成本合算、廢品率低的且具有高測 量準確性的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器。上述任務(wù)依本發(fā)明是通過以下措施加以解決的在該微機械的轉(zhuǎn) 速傳感器上，配有 一個基片；至少一個借助至少一個彈簧元件而懸 置在該基片上的基本元件，所述基本元件具有至少一個震波性 (seismic)的主體； 一個激勵裝置；及一個讀出裝置，所述至少一個 彈簧元件是可以垂直于基本元件的運動方向移動的。因此，在本發(fā)明 提出的轉(zhuǎn)速傳感器中在基本元件的被激勵的運動情況下，基本上只有 彈簧元件的頂點升或降，也就是說，代替基本元件的垂直于激勵方向 的偏移，實現(xiàn)彈簧元件的運動。彈簧元件最好具有至少兩個彈簧區(qū)段。該彈簧元件是特別設(shè)計呈 U形(三個彈簧區(qū)段)、V形(兩個彈簧區(qū)段)或S形(多個彈簧區(qū)段)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實施形式， 一個基本元件被懸置在四個彈簧 元件上。依此，這些彈簧元件特別是鏡像對稱地安置在基本元件上。 在有多個基本元件的情況下，相鄰的基本元件的彈簧元件最好是 利用一個耦合彈簧可以耦聯(lián)起來。作為基本元件可使用剛性的基本元件，在其上的框架和震波性的 主體是剛性地連接起來的。但依本發(fā)明還有一個可能性，就是一個基本元件具有 一個框架； 一種震波性的主體；和震波性的主體在框架 上的至少一個懸置機構(gòu)。于此，震波性的主體例如都設(shè)計成槳葉。本發(fā)明提出的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器可以作為X軸傳感器、Z軸傳 感器或作為XZ軸傳感器加以設(shè)計，它可以探測圍繞X軸、Z軸或圍 繞兩個軸的旋轉(zhuǎn)運動。


在下面的說明中，將結(jié)合附圖、參照一些實施例，對本發(fā)明的特征和細節(jié)做詳細解釋。依此，在各個方案中所介紹的特征和關(guān)聯(lián)原則上可應(yīng)用于所有的實施例。附圖表示圖1 配有作為漿葉設(shè)計的震波性的主體的不同基本元件的三個實施例的示意正^L圖；圖2 —個剛性基本元件的示意正視圖；圖3 另一種形狀的基本元件的示意正視圖；圖4 具有梳形結(jié)構(gòu)的一種激勵裝置的一個實施例；圖5 針對基本平面中的運動的一種讀出裝置的示意正視圖；圖6 —種電容式工作的讀出裝置的示意正視圖；圖7 配有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的線性彈簧元件的一種微機械的轉(zhuǎn)速傳感器的示意正視圖；圖8 圖7所示基本元件的由齒形角所引起的偏移的示意正視圖；圖9 本發(fā)明提出的配有本發(fā)明的彈簧元件的一個實施例的示 意正視圖；圖10 圖9所示具有反作用力的右邊部分的示意正視圖； 圖11 在圖上部分中，沿著圖10中A-A線的一個截面；在圖下 部分中，沿著B-B線的一個截面； 圖12 本發(fā)明提出的配有耦聯(lián)的彈簧元件的另一個實施例的示 意正視圖。
具體實施方式
圖1中示出基本元件1的幾個不同結(jié)構(gòu)形式，都可用于本發(fā)明。 一個基本元件1優(yōu)選包含一個或多個震波性的主體3。這些震波性的 主體被懸掛在一個框架2中。這種懸置例如可經(jīng)過彎曲橫梁4或扭曲 橫梁5予以實現(xiàn)。彎曲橫梁4具有一種線性彈簧特性曲線，但本發(fā)明 提出的轉(zhuǎn)速傳感器的震波性的主體3也可以經(jīng)過扭曲橫梁5而被固定 在框架2上。如圖1所示， 一個或多個震波性的主體3例如可構(gòu)成為 配以對置的懸置機構(gòu)5的槳葉。懸置機構(gòu)4、 5只允許震波性的主體3的重心只沿著垂直于框架2 的平面的Z方向運動。框架2的平面是平行于基片的，也就是平行于 通過基片所展開的平面(X/Z平面)的。圖2中示出一個剛性的基本元件1，在其上的框架2和震波性的 主體3是作為單元剛性地相連的。如圖3所示，還可以將一個或多個震波性的主體3懸置在一個剛 性的框架2上。這種懸置機構(gòu)，例如經(jīng)過扭曲彈簧或彎曲彈簧，只允 許震波性的主體3的重心SP沿著一個垂直于框架平面的方向(Z方 向)運動，其中震波性的主體3的重心SP便處在框架平面外部?？?架平面(X/Y平面)是平行于基片的。如圖4所示，對基本元件1的激勵是經(jīng)過一個梳形結(jié)構(gòu)6予以實 現(xiàn)的， 一個電壓tj貼靠在該梳形結(jié)構(gòu)上。激勵裝置6是這樣一種裝置， 它可以激勵基本元件1沿著第一軸線(Y軸)進行振蕩，這例如可以 電方式、熱方式、磁方式或壓電方式予以實J見。在圖5和6中示意地示出兩種不同的讀出裝置15。利用該讀出裝 置15，可以測量出震波性的主體或基本元件1的垂直于或平行于框架 平面的偏移，這可以按電容方式、壓電阻方式、/磁方式、壓電方式， 或者還可用光學(xué)方式予以實現(xiàn)。利用圖5所示的讀出裝置15，可以測 量出基片平面中的運動；利用圖6所示的讀出裝置15,可以測量出垂 直于基片平面的運動。圖7示出一種從現(xiàn)有技術(shù)獲知的關(guān)于基本元件1懸置在一基片9 中的常規(guī)概念。已知的這種懸置是經(jīng)過線性彈簧元件8予以實現(xiàn)的。 在圖7的左側(cè)，彈簧元件8處于其中性位置上；在圖的右側(cè)，示出彈 簧元件8'已偏移。 一般所謂懸置指的是彈簧元件的一種安置，這些彈 簧元件一方面是固定在基本元件1上，另一方面固定在基片9上或其 它元件上。這些彈簧元件允許基本元件1沿著平行于基片9的一個第 一軸線的方向(Y方向)運動。如果圖8所示的彈簧元件8、 8'的側(cè)面被傾斜，則不僅在基片平面 中沿第一軸線(Y方向)產(chǎn)生彈簧元件8'的運動，而且也產(chǎn)生離開該 軸線(Z方向)的運動。這一點按圖7中所示的常規(guī)概念導(dǎo)致如下結(jié) 果基本元件1或多或少平行地從基片平面中被推出。按圖6中所示 的測量原理，利用從基片平面出去的運動來探測慣性力，這種效應(yīng)意 味著一個信號的產(chǎn)生，更確切地說，意味著一種電容變化AC，也沒有 來自外部的相應(yīng)的力作用。這就導(dǎo)致高的測量不準確度，從而過大的 齒形角IO使得轉(zhuǎn)速傳感器成為不可用。在圖9和10中示出本發(fā)明提出的一種微機械的轉(zhuǎn)速傳感器。在圖 9的左側(cè)，彈簧元件11處在其中性位置中；在該圖的右側(cè)，示明彈簧 元件ll'已偏移。彈簧元件ll、 ll'被懸置在基片9上的點12上和經(jīng)過 點13而被懸置在基本元件1上。圖IO示出作用于基本元件1的反作 用力FR。本發(fā)明的一個主要優(yōu)點將結(jié)合圖11予以詳細說明。依此，圖11 的上半部表示沿圖10中的A-A線的一個截面圖；其下半部表示沿B-B 線的一個截面圖。首先是在圍繞第一軸線(Y軸)傾斜的情況下。彈 簧元件11、 ll'在基片平面中的運動是垂直于震波主體或基本元件1的 運動進行的。按這種結(jié)構(gòu)，基本上只有彈簧元件ll、 ll'的頂點升高或 下降。圖10示出， 一種優(yōu)選的彈簧配置是由四個相折疊的彈簧元件 11、 ll'組成的，這些彈簧元件彼此鏡像對稱地作用在基本元件1的相 關(guān)的角上。這樣，各彈簧元件11、 ll'的頂點就在每個邊上逆向地運動， 而此時基本元件1則沿一個方向運動。當基本元件1是足夠剛性的，在理想的對稱布置情況下，對基本元件1的重心所產(chǎn)生的反作用力FR 便抵消。這樣，依本發(fā)明，基本元件1和震波性的主體就不發(fā)生運動， 因為彈簧元件11、 ll'與圖7和8中所示現(xiàn)有技術(shù)狀況相反，是可以垂 直于基本元件1的運動方向(X， Y)運動的。依此，彈簧元件11、 ll'的幾何構(gòu)形是如此設(shè)計的，使得由于制造條件決定的形狀變動不會 妨害或者極小妨害傳感器性能。本發(fā)明提出的彈簧元件11、 ll'最好具有至少兩個彈簧區(qū)段。彈簧 元件ll、 ll'是特別設(shè)計呈U形(三個彈簧區(qū)段，見圖9和10所示)、 V形(兩個彈簧區(qū)段)或S形(多個彈簧區(qū)段)。在圍繞第二軸線或X軸傾斜時，彈簧元件11、 ll'的彈簧的橫截 面保持不變，所以不會產(chǎn)生離開基本平面的運動。按圖12中所示的作 為二主體振蕩器的設(shè)計結(jié)構(gòu)，當然耦聯(lián)彈簧14的橫截面是傾斜的，但 傾斜的影響總的說來，由于本發(fā)明提出的彈簧概念，與現(xiàn)有技術(shù)狀況 相比，是大大減小了。本發(fā)明提出的作為二主體振蕩器的轉(zhuǎn)速傳感器的原理，將結(jié)合圖 12做詳細說明。經(jīng)過上下安置的彈簧元件ll'而耦聯(lián)起來的基本元件1 的運動是沿著第一軸線以彼此相位移動180。進行的。兩個振蕩器的一 個共同的諧振頻率經(jīng)過耦聯(lián)進行調(diào)整。作為轉(zhuǎn)速傳感器的二主體振蕩器的優(yōu)點在于線性加速使得兩個 震波性的主體或基本元件的運動在同一方向上實現(xiàn)。作用于該基本元 件的科氏力(coriolis力)取決于其運動方向，并因此迫使實現(xiàn)逆相的 偏移。這樣就可從外面通過信號減法來消除干擾性的線性加速，并根 據(jù)旋轉(zhuǎn)運動將信號相加和。此外，整個裝置的重心總保持在靜止中。這樣，激勵基本元件1 產(chǎn)生逆相振蕩的內(nèi)驅(qū)動力便相互抵消，從而基板保持靜止。在理想情 況下傳感器裝配的影響，例如硬粘合或軟粘合，都不會關(guān)聯(lián)到已啟動 的震波性的主體。下面將說明作為轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理。定義X方向和Y方向
處在基片平面中，z方向垂直地立于基片平面上。X軸傳感器基本元件沿著第一軸線(Y軸)被激勵而產(chǎn)生周期性振蕩。在傳 感器圍繞第二軸線(X軸，處在基片平面中，并垂直于第一軸)進行 旋轉(zhuǎn)運動時，便產(chǎn)生一個垂直于第一軸和第二軸(X軸)的科氏力。 這種科氏力既作用于框架，也作用于懸置在該框架中的震波性的主體。 框架的懸置機構(gòu)在基本元件2上是如此設(shè)計的使得在Z方向中的運 動是可能的。在基本元件1和3上，框架的懸置機構(gòu)主要是對Z方向 中的運動是剛性的，只有震波性的主體沿著該軸的方向偏移。基本元 件結(jié)構(gòu)沿Z方向的偏移可利用讀出裝置加以探測，如圖6中所示，而 且是對所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速的一個尺度。作為Z軸傳感器基本元件被激勵而發(fā)生沿著第一軸(Y軸)的周期性振蕩。在傳 感器圍繞第三軸(Z軸，垂直于基片平面并垂直于第一軸)進行旋轉(zhuǎn) 運動時，便產(chǎn)生一個垂直于第一軸和第三軸(Z軸)的科氏力。該科 氏力既作用于框架，也作用于懸置在框架中的震波性的主體。方案l:框架的懸置機構(gòu)是如此設(shè)計的，使得沿X方向的一種運 動是可能的，從而使震波性的主體沿著該軸線被偏移。這種偏移可以 加以測量，如在圖5中所示。方案2:按基本元件3，沿X方向的框架運動是可能的，但不是 必要的。經(jīng)過所轉(zhuǎn)移的重心(SP)，便可將沿X方向作用的科氏力分 成為一個既沿X方向又沿Z方向的力。這樣，震波性的主體〗更依Z 方向運動，并可使用一個如在X軸傳感器情況下的測量裝置，見圖6 中所示。在此重要的是，扭曲軸線(震波性的主體懸置在框架中)平 行于第一軸線和垂直于科氏力延伸。例的。作為XZ軸傳感器 方案l:由上述傳感器組合
方案2:基本元件3包含在一框架中的兩個震波性的主體，它們 接180。相互定向。在X方向中的一個轉(zhuǎn)速的情況下，產(chǎn)生一個依Z方向的科氏力， 該科氏力導(dǎo)致的結(jié)果是兩個震波性的主體依同一個Z方向(+Z或-Z) 偏移。將兩個信號相加便得出總信號，相減則得到O。在Z方向中的一個轉(zhuǎn)速的情況下，產(chǎn)生一個依X方向的科氏力， 該科氏力導(dǎo)致的結(jié)果是 一個震波性的主體依+Z-方向偏移； 一個震 波性的主體依-Z-方向偏移。各信號相加便得出0，相減則得出總信號。附圖標記清單1 基本元件2 框架3 震波性的主體4 震波性的主體或彎曲橫梁的懸置機構(gòu)5 震波性的主體或扭曲橫梁的懸置機構(gòu)6 激勵裝置或梳狀結(jié)構(gòu)7 對應(yīng)電極8 按現(xiàn)有技術(shù)狀況的彈簧元件8' 按現(xiàn)有技術(shù)狀況的彈簧元件，已偏移的9 基片10 齒形角11 彈簧元件11' 彈簧元件，已偏移的12 在基片上的彈簧元件的懸置點13 在基本元件上的彈簧元件的懸置點14 耦聯(lián)彈簧15 讀出裝置 A-A 截面B-B 截面△C 電容變化FR 反作用力SP 重心tj 電壓X 方向(基片平面)Y 方向(基片平面)
權(quán)利要求
1. 微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，具有一基片(9)；至少一個利用至少一個彈簧元件(11，11′)懸置在基片(9)上的基本元件(1)，所述基本元件包含至少一個震波性的主體(3)；一激勵裝置(6)；和一讀出裝置(15)，其特征在于所述彈簧元件(11，11′)能夠垂直于基本元件(1)的運動方向(X，Y)運動。
2. 按權(quán)利要求1所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征在于彈簧 元件(ll， ll')具有至少兩個彈簧區(qū)段。
3. 按權(quán)利要求2所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征在于彈簧 元件(11， 11')是設(shè)計成U形、V形或S形的。
4. 按以上權(quán)利要求中任一項所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征 在于 一個基本元件(1)被懸置在四個彈簧元件(11、 11')上。
5. 按權(quán)利要求4所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征在于彈簧 元件(11， ir)鏡像對稱地安置在基本元件(1)上。
6. 按權(quán)利要求4或5所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征在于 相鄰的基本元件(1)的彈簧元件(11， 11')能夠利用一個耦聯(lián)彈簧(14)耦聯(lián)。
7. 按權(quán)利要求1所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征在于 一個 基本元件(l)具有 一個框架(2); —個震波性的主體(3);和至少 一個在框架(2)上的震波性的主體的懸置機構(gòu)(4， 5)。
8. 按以上權(quán)利要求中任一項所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特征 在于轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計為X軸傳感器，它能傳感圍繞X軸線的旋轉(zhuǎn)運 動。
9. 按權(quán)利要求1至7中任一項所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其特 征在于轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計為Z軸傳感器，它能傳感圍繞Z軸線的旋轉(zhuǎn) 運動。
10. 按權(quán)利要求1至7中任一項所述的微機械的轉(zhuǎn)速傳感器，其 特征在于轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計為XZ軸傳感器，它能傳感既圍繞X.軸線 又圍繞Z軸線的各旋轉(zhuǎn)運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機械的轉(zhuǎn)速傳感器、它配有一個基片(9)；至少一個借助至少一個彈簧元件(11，11′)懸置在基片(9)上的基本元件(1)，該基本元件包含至少一個震波性的主體(3)；一個激勵裝置(6)；和一個讀出裝置(15)。根據(jù)本發(fā)明，彈簧元件(11，11′)是可以垂直于基本元件(1)的運動方向(X，Y)移動的。
文檔編號G01C19/56GK101400969SQ200780008668
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者B·哈特曼, S·京特納 申請人:康蒂特米克微電子有限公司