專利名稱：具有嵌套的線性振蕩地震元件的雙軸抗震旋轉(zhuǎn)速率傳感器的制作方法
具有嵌套的線性振蕩地震元件的雙軸抗震旋轉(zhuǎn)速率傳感器本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前敘部分的微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器，以及其在機動車中的使用。文檔W02008015044提供了一種旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其由兩個經(jīng)由彈簧而彼此耦合的嵌套的地震元件組成。兩個元件具有相同的質(zhì)量。在驅(qū)動模式中，兩個質(zhì)量塊(mas s) 在χ方向逆相振蕩。讀取模式的特征是地震質(zhì)量塊在ζ方向遠離基板平面逆相振蕩，由此允許檢測到繞著χ軸的旋轉(zhuǎn)速率。由于質(zhì)量塊平衡且由于它們的重心位于彼此之上這個事實，沒有一種模式可直接被線性或旋轉(zhuǎn)干擾直接激發(fā)。盡管如此，也存在這樣的模式形式， 其中兩個質(zhì)量塊在平面上或是離開平面的相同相位中振蕩。這些同相模式可輕易地被線性振動直接激發(fā)，且這不利地影響旋轉(zhuǎn)速率傳感器的操作。彈簧概念僅導致了模式分離，而不是抑制同相模式。尤其地，地震元件是指地震質(zhì)量塊。文檔US2004/0154398中的傳感器以類似的方式設計，其中讀取方向位于y方向， 由此測量繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn)速率。同樣在這種情況下，旋轉(zhuǎn)速率傳感器由兩個嵌套的地震元件組成，所述地震元件經(jīng)由彈簧彼此耦合。兩個元件具有同樣的質(zhì)量。在驅(qū)動模式中，兩個質(zhì)量塊在χ方向逆相振蕩。讀取模式的特點在于地震質(zhì)量塊在y方向的逆相振蕩，由此允許檢測繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn)速率。由于質(zhì)量塊平衡和由于它們的重心位于彼此之上這個事實， 沒有一種模式可被線性或旋轉(zhuǎn)干擾直接激發(fā)。盡管如此，也存在這樣的模式形式，其中兩個質(zhì)量塊在χ和/或y方向同相振蕩。這些同相模式可輕易地被線性振動直接激發(fā)，且由此不利地影響旋轉(zhuǎn)速率傳感器的操作。彈簧概念僅導致了模式分離，而不是抑制同相模式。文檔W02004097432、W02008021534、DE102006052522、DE102005051048、US 6892575,EP1832841和W02008051677描述了傳感器，其同時測量繞著χ軸和y軸的旋轉(zhuǎn)運動，也就是說，它們不能測量與晶片平面成直角的旋轉(zhuǎn)運動。所提及的傳感器原理是單芯片解決方案；也就是說，用于測量正交旋轉(zhuǎn)速率的傳感器元件位于相同的單塊晶硅片上。而且，它們具有共同的特點，即，對于兩個敏感軸都激發(fā)單個主運動。這降低了控制系統(tǒng)復雜性；而且，芯片面積比兩個單獨傳感器的情況下的面積要小。當由繞著χ和/或y軸旋轉(zhuǎn)的運動激發(fā)了科里奧利力時，振蕩被激發(fā)，并具有在ζ方向的運動分量。如果目的是為了使用這些傳感器來測量繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn)速率，傳感器必須通過建造和連接技術(shù)來安裝，也就是說，它們必須通過與平面優(yōu)選方向-晶片平面成90°角而被安裝。這導致了額外成本。EP1918723B1的專利說明書提供了一種回轉(zhuǎn)儀，其可同時測量繞著χ和ζ軸的旋轉(zhuǎn)運動。這又是一種具有單個主模式的單芯片解決方案。但是，這種傳感器具有這樣的缺點， 即兩種讀取模式-也被稱為第二模式(檢測繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn))和第三模式(檢測繞著Χ軸的旋轉(zhuǎn))_可被旋轉(zhuǎn)運動直接激發(fā)，這會導致傳感器對于環(huán)境影響引起的干擾變得敏感。文檔W09817973A1提供了一種三軸回轉(zhuǎn)儀。在這種情況下，在驅(qū)動模式中，每個以 90°偏移的四個質(zhì)量塊在徑向上振蕩。這種布置可區(qū)別在所有三個空間方向上的科里奧利力。但是，單個質(zhì)量塊不是直接彼此連接的，結(jié)果是，與基板平面成直角的線性加速度，例如，導致了單個質(zhì)量塊從基板平面被偏移(deflect)。本發(fā)明的目的是提供一種微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其可檢測繞著至少兩個敏感軸的旋轉(zhuǎn)速率，且其同時被設計為相對地抗干擾。根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過權(quán)利要求1所請求保護的微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器實現(xiàn)的。本發(fā)明以優(yōu)選方式基于提出一種微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器的思想，該微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器包括基面被排列為與笛卡爾坐標系統(tǒng)的χ-y平面平行的基板，旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有至少一個第一地震質(zhì)量塊和第二地震質(zhì)量塊，第一地震質(zhì)量塊和第二地震質(zhì)量塊被耦合到至少一個驅(qū)動裝置且被懸置，這樣它們被驅(qū)動從而在驅(qū)動模式中被逆相偏移；旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計，其可檢測繞著至少兩個基本上互相正交的敏感軸(z，y)的旋轉(zhuǎn)速率， 其中至少第二地震質(zhì)量塊是框的形式，其針對χ-y平面上的位置，尤其針對地震質(zhì)量塊的靜止位置，至少部分地圍繞著或扣住(clasp)第一地震質(zhì)量塊。第二地震質(zhì)量塊的框優(yōu)選地被設計為是關(guān)閉的，或者替代地是敞開的，也就是說， 其不會完全地扣住第一地震質(zhì)量塊。第一地震質(zhì)量塊因此優(yōu)選地，至少針對靜止位置，位于形式為框的第二地震質(zhì)量塊中。優(yōu)選地，至少第一和第二地震質(zhì)量塊中的每個都與兩個讀取裝置關(guān)聯(lián)。術(shù)語逆相優(yōu)選地也指在相反意義(opposite sense)上或線性地或在彎曲路徑上在相同的方向具有互逆的方向，尤其是每種情況下針對一對地震質(zhì)量塊的成對地震質(zhì)量塊，尤其優(yōu)選地是第一和第二地震質(zhì)量塊以及在每種情況下一對額外的地震質(zhì)量塊。相位和逆相每個都可被方便地單獨檢測，尤其是通過各個單獨的讀取裝置。至少一個驅(qū)動裝置和/或至少一個讀取裝置優(yōu)選地是電容梳狀結(jié)構(gòu)或板式結(jié)構(gòu)的形式，驅(qū)動裝置被靜電激發(fā)且讀取裝置靜電地檢測。優(yōu)選地，第一和第二地震質(zhì)量塊通過至少一個第一和一個第二耦合裝置彼此耦合，這樣當檢測到繞著第一敏感軸的第一旋轉(zhuǎn)速率時，它們以第一讀取模式逆相振蕩，且當檢測到繞著第二敏感軸的第二旋轉(zhuǎn)速率時，它們類似地以第二讀取模式逆相振蕩。特別地， 第一和第二耦合裝置被設計為不一樣。尤其優(yōu)選的是，旋轉(zhuǎn)速率傳感器包括多個第一和多個第二耦合裝置，也就是說，出于對稱的原因，每種情況下第一和第二類型的多個耦合裝置。尤其特別優(yōu)選的是，旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有四個第一耦合裝置，其例如耦合逆相驅(qū)動模式和第二讀取模式，以及兩個第二耦合裝置。有利地，第一和第二耦合裝置每個都包括至少一個基本上是剛性的耦合梁，其通過彈簧元件一方面連接到第一地震質(zhì)量塊以及另一方面連接到第二地震質(zhì)量塊，且其尤其地在至少一個扭轉(zhuǎn)彈簧元件上被懸置，該扭轉(zhuǎn)彈簧元件被這樣設計使得其允許耦合梁繞著一個或多個軸的旋轉(zhuǎn)偏移，并抑制耦合梁進一步的旋轉(zhuǎn)偏移和所有的平移偏移。至少一個耦合裝置-尤其是第一耦合裝置，尤其是每個第一耦合裝置-的至少一個耦合梁，優(yōu)選地與兩個或更多個讀取裝置關(guān)聯(lián)，所述讀取裝置被這樣設計和布置，使得其可檢測該耦合梁針對第一或第二讀取模式在同相和逆相的旋轉(zhuǎn)偏移，在這種情況下它們中的一個是同相的且另一個是逆相的。優(yōu)選地，這種耦合梁被設計為基本上是c形的，尤其具有在靜止狀態(tài)下基本上與 χ-y平面平行的底面，具有至少兩個邊段和一個連接段，連接段基本上中心地連接到扭轉(zhuǎn)彈簧元素，這樣兩個邊段可在逆相中被旋轉(zhuǎn)偏移，扭轉(zhuǎn)彈簧元素至少針對繞著y軸的寄生旋轉(zhuǎn)偏移不是完全剛性的，出于該原因與該耦合梁關(guān)聯(lián)的兩個讀取裝置被這樣布置使得其縱向邊的中心(其基本上沿著兩個邊段的縱向邊的方向)每個都針對與一個邊段的縱向邊的中心相對的x-y準線而被布置，使得由于這兩個邊段處于傾斜位置導致的兩個邊段繞著y 軸的可能的同相旋轉(zhuǎn)偏移基本上不會被兩個讀取裝置檢測到，這兩個讀取裝置特別地被安排為在靜止狀態(tài)下平行于兩個邊段，在每種情況下針對底面。在這種情況下，帶有ζ方向分量的彎曲偏移是寄生的或不想要的偏移，例如是由于外部的干擾引起的。有利地，每個耦合裝置包括兩個耦合梁。就體積和密度的組合來說，第一和第二地震質(zhì)量塊優(yōu)選地具有基本上一樣的質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)速率傳感器和第一和第二地震質(zhì)量塊優(yōu)選地被這樣設計和布置，使得針對處于驅(qū)動模式的地震質(zhì)量塊的偏移，整個旋轉(zhuǎn)速率傳感器的重心基本上處于靜止狀態(tài)。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計，使得第一敏感軸位于x-y平面上，也就是說，位于基板的底面上，特別地第一敏感軸被設計為平行于X軸或y軸，且第二敏感軸Z被設計為平行于ζ軸，也就是說，與基板的底面成直角。有利地，旋轉(zhuǎn)速率傳感器的第一和第二地震質(zhì)量塊被設計為通過至少第一和第二耦合裝置懸置和耦合，這樣它們被懸置，使得它們能夠在驅(qū)動模式中針對其各自的偏移、 在第一讀取模式中針對其各自的偏移以及在第二讀取模式中針對其各自的偏移而單獨地 (exclusively)移動，且第一和第二地震質(zhì)量塊針對所有其他偏移而剛性地懸置，也就是說，其他方向的所有偏移和第一和第二地震質(zhì)量塊的所有同相的偏移被抑制。優(yōu)選地，第一耦合裝置被這樣設計，其推動地震質(zhì)量塊針對驅(qū)動模式的逆相偏移并抑制針對驅(qū)動模式的同相偏移，且第一和和第二耦合裝置被這樣設計，使得它們推動地震質(zhì)量塊針對第一和第二讀取模式的逆相偏移，并抑制針對第一和第二讀取模式的同相偏移，尤其是抑制第一和第二地震質(zhì)量塊的所有同相偏移。優(yōu)選地，在至少兩個讀取模式的每個中的第一和第二地震質(zhì)量塊的偏移以重復 (duplicated)和差異(differential)的方式被檢測，在每種情況下兩個地震質(zhì)量塊中的一個的偏移由兩個讀取裝置針對逆相偏移在相反的意義上被檢測，即，對于同相的一個地震質(zhì)量塊和逆相的另一個地震質(zhì)量塊，即，第一和第二地震質(zhì)量塊和/或針對至少一個地震質(zhì)量塊而被偏移的裝置每個都與至少兩個讀取裝置關(guān)聯(lián)，每個讀取裝置被特別設計和布置，這樣這兩個讀取裝置中的一個檢測電容增加，而另一個讀取裝置檢測電容下降。有利地，兩個或更多個讀取裝置彼此連接或集成在共同的讀取裝置系統(tǒng)中。旋轉(zhuǎn)速率傳感器優(yōu)選地是在單個芯片上或是一體化地單塊地形成的，由此允許兩個敏感軸，相對于被分離在兩個感測繞著不同軸的旋轉(zhuǎn)速率的兩個芯片中時，被更精確得多地彼此對準，因為軸的對準是由微機械生產(chǎn)定義的，其比傳統(tǒng)的建造和連接技術(shù)要更精確幾個數(shù)量級，通過該技術(shù)兩個獨立的傳感器可針對彼此被對準。而且，處理可檢測繞著兩個敏感軸的旋轉(zhuǎn)運動的單芯片傳感器元件也比處理兩個單獨的傳感器元件更簡單。旋轉(zhuǎn)速率傳感器優(yōu)選地具有單個驅(qū)動裝置，其共同地驅(qū)動逆相的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的第一和第二地震質(zhì)量塊，出于該目的地震質(zhì)量塊被懸置，且尤其地通過第一耦合裝置以合適的方式彼此耦合。這導致了控制系統(tǒng)的復雜性要低于具有兩個單獨驅(qū)動單元的兩個單獨傳感器的復雜性，因為驅(qū)動振蕩和驅(qū)動模式(也被稱為主振蕩)必須在整個操作時間內(nèi)都被維持，這經(jīng)常使得鎖相環(huán)以及閉環(huán)幅度控制成為必要。單個驅(qū)動裝置允許ASIC面積和電流消耗(current draw)以及耗電量的大幅降低，且由此帶來更節(jié)約成本的信號處理。而且，通過共同使用單個驅(qū)動單元也可以節(jié)約空間，由此允許更多的傳感器位于硅晶片上，從而能更低成本地生產(chǎn)傳感器。至少一個驅(qū)動裝置，尤其是單個驅(qū)動裝置，剛性地連接到第一或第二地震質(zhì)量塊， 尤其優(yōu)選地是連接到第一地震質(zhì)量塊。優(yōu)選地，至少一個驅(qū)動裝置通過至少一個彈簧元件而耦合到第一或第二地震質(zhì)量塊，這樣在驅(qū)動單元和第一或第二地震質(zhì)量塊之間的驅(qū)動方向上提供了平移耦合，并在所有其他至少平移方向上提供了去耦。驅(qū)動裝置通過至少一個進一步的彈簧元件被有利地另外懸置在基板上，例如在基板上的錨狀物上。這種懸置在這種情況下被設計為在χ-y平面上是剛性的，且在該情況下， 與驅(qū)動方向成直角，這樣χ-y平面上的驅(qū)動裝置在輸出驅(qū)動方向以外的方向的偏移被抑制。如果執(zhí)行偏移或振蕩的能力被限制或變得被限制，例如通過“單獨地”或“僅僅地”，所有其他運動都有利地是不可能的。例如，如果僅在y方向的線性偏移是可能的，所有的旋轉(zhuǎn)偏移形式是不可能的，且在χ或ζ方向不可能有偏移。平移偏移或振蕩優(yōu)選地指線性偏移或振蕩，反之亦然。特別地，地震元素指地震質(zhì)量塊，反之亦然。本發(fā)明也涉及一種用于制造微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器的方法。本發(fā)明也涉及在機動車中使用旋轉(zhuǎn)速率傳感器，尤其是用于檢測偏航率(yaw rate)，即，繞著機動車的垂直軸的旋轉(zhuǎn)，以及用于檢測側(cè)傾率(roll rate)或俯仰率(pitch rate)。此外，或者可替代地，這種布置優(yōu)選地也被用于同時測量車輛中的偏航旅和滾轉(zhuǎn)率、 偏航率和俯仰率，或者滾轉(zhuǎn)率和俯仰率。這種信息用來檢測和監(jiān)視ESP中的運動動態(tài)情況、 乘員保護和舒適控制系統(tǒng)。用于該領域的傳感器必須提供高度的旋轉(zhuǎn)速率測量精確性，以及盡可能低的信噪比。對于這些傳感器的進一步要求是對于外界干擾，諸如機械振動和沖擊，有較好的抗阻性。此處提出的傳感器優(yōu)選地被這樣設計，使得其可符合所有這些要求， 但尤其是振動魯棒性。進一步的優(yōu)選實施例將從以下參考附圖的示例性實施例的描述變得明顯，在這些附圖中，作為示例和示意圖

圖1示出了示例性實施例1的雙軸旋轉(zhuǎn)速率傳感器的透視圖，圖2示出了示例性實施例1的平面圖，圖3示出了具有替代檢測的示例性實施例1的平面圖，圖4示出了示例性實施例1、具有讀取裝置的主要模式和驅(qū)動模式，圖5示出了示例性實施例1，不具有讀取單元和讀取裝置的主要模式和驅(qū)動模式，圖6示出了示例性實施例1-第二模式或第一讀取模式，圖7示出了示例性實施例1-第三模式或第二讀取模式，
圖8示出了示例性實施例1-作為寄生的、不想要模式的同相第三模式，圖9示出了示例性實施例1-繞著y軸的耦合梁的兩個邊段的同相、寄生旋轉(zhuǎn)偏移-不敏感檢測電極和讀取裝置，其與第一耦合裝置的c形耦合梁關(guān)聯(lián)，
圖10示出了示例性實施例1，其具有驅(qū)動、驅(qū)動監(jiān)視和飾板結(jié)構(gòu)(trim structures),圖11示出了雙軸旋轉(zhuǎn)速率傳感器的平面圖-示例性實施例2，圖12示出了示例性實施例2、主要模式和驅(qū)動模式，圖13示出了示例性實施例2-第二模式或第一讀取模式，圖14示出了示例性實施例2-第三模式或第二讀取模式，圖15示出了雙軸旋轉(zhuǎn)速率傳感器的平面圖-示例性實施例3，圖16示出了示例性實施例3-主要模式或驅(qū)動模式，圖17示出了示例性實施例3-第二模式或第一讀取模式，以及圖18示出了示例性實施例3-第三模式或第二讀取模式。示例性實施例1 圖1和圖2示出了旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其可檢測繞著作為第二敏感軸的ζ軸的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)速率，以及繞著作為第一敏感軸的y軸的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)速率。傳感器包括兩個地震元件，或地震質(zhì)量塊1和地震質(zhì)量塊2，這兩個地震質(zhì)量塊被這樣布置，使得其重心的坐標重疊。作為示例，兩個質(zhì)量塊1和2的質(zhì)量是相同的，且盡可能地針對被主要慣性軸覆蓋的坐標系統(tǒng)平面對稱分布。但是，為了補償不可避免的不對稱，地震元素的質(zhì)量輕微失諧，由此達到更好的振動反應，也可能是有利的。作為示例，一種不可避免的不對稱是兩個理想地無限地剛性的質(zhì)量塊的實際上不同的剛度反應。兩個質(zhì)量塊經(jīng)由彈簧和梁元件或彈簧元件3、4、5、7和8、9、10、12彼此連接并連接到基板錨狀物6和13。彈簧和梁元件或彈簧元件3、4、5、7使得兩個地震質(zhì)量塊1和2能夠在χ方向自由移動，但是限制了在y和ζ方向移動的自由，這樣質(zhì)量塊1和2僅能沿著這些軸針對彼此逆相移動。彈簧和梁元件8、9、10、12允許兩個質(zhì)量塊1和2在y方向自由移動， 但是限制了在χ和ζ方向移動的自由，這樣質(zhì)量塊僅能沿著這些軸僅針對彼此逆相移動。彈簧和梁元件3、4、5、7和8、9、10、12每個分別包含剛性耦合梁5或10，其經(jīng)由各個扭轉(zhuǎn)彈簧元件7或12連接到各個基板錨狀物6或13。各個扭轉(zhuǎn)彈簧元件7或12在其縱軸方向是剛性的，但是允許繞著其縱軸或繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn)。理想地，各個扭轉(zhuǎn)彈簧元件7和 12對于基板平面上和遠離基板平面的與其縱軸成直角的偏移來說是盡可能剛性的。各個彈簧元件7和12大致作用在各個耦合梁5或10的重心，耦合梁針對各個彈簧元件7和12的縱軸對稱地形成。這確保了各個耦合梁5和10可主要地執(zhí)行繞著ζ軸的旋轉(zhuǎn)，或繞著彈簧元件7或12的縱軸的旋轉(zhuǎn)，且耦合梁的外端的偏移幅度采取了較小值。耦合梁5的外端經(jīng)由彈簧元件3和4連接到地震質(zhì)量塊1和2。耦合梁10的外端經(jīng)由彈簧元件8和9連接到質(zhì)量塊1和2。各個彈簧元件3和4以及8和9被設計為針對各個彈簧元件7或12的縱軸盡可能地對稱。它們允許在平面上與各個彈簧元件7和12的縱軸成直角的移動。它們在各個彈簧元件7或12的縱軸的方向是剛性的，且在ζ方向上是盡可能地剛性的，其結(jié)果是耦合梁的外端的偏移對應于各個塊1和2的偏移。因此，彈簧和梁元件3、4、5、7僅允許兩個質(zhì)量塊1和2在y和ζ方向上的逆相線性移動，而彈簧和梁元件8、9、10、12僅允許兩個質(zhì)量塊1和2在χ和ζ方向上的逆相線性移動。結(jié)果，質(zhì)量塊1和2的以下自然模式是最可能的在χ方向主要模式的逆相線性移動，圖4，圖5 ；
在ζ方向第二模式的逆相線性移動，圖6 ；在y方向第三模式的逆相線性移動，圖7。功能原理，主要模式為了測量旋轉(zhuǎn)速度，傳感器必須首先在主要模式中被操作，如圖5。特征是地震質(zhì)量塊1和2在χ方向針對彼此逆相地線性振蕩；在這種情況下，彈簧和梁元件8、9、10、12以及地震質(zhì)量塊1和2之間的質(zhì)量對稱保證了兩個質(zhì)量塊的振幅具有相同的幅度。整個裝置的重心在主要模式中保持靜止。作為示例，主要模式可在電容梳狀結(jié)構(gòu)的幫助下被靜電激勵驅(qū)動。第二和第三模式如果傳感器繞著ζ軸旋轉(zhuǎn)，表觀力(apparent force)作用于移動的質(zhì)量塊上。在這種情況下，具有相同幅度但不同相位角的科里奧利力作用于地震質(zhì)量塊1和2上。相位關(guān)系是從在主要移動中的地震質(zhì)量塊1和2的速度的相位角得出的；科里奧利力由此激發(fā)了第二模式，見圖6。在針對慣性系統(tǒng)的質(zhì)點m的旋轉(zhuǎn)萬的基礎上，該慣性系統(tǒng)相對于移動坐標系統(tǒng)以 7的速度移動，科里奧利力是:Jcor = ImvxQ.。如果傳感器繞著y軸旋轉(zhuǎn)，表觀力作用于移動的質(zhì)量塊上。在這種情況下，科里奧利力作用于地震質(zhì)量塊1和2上，由此激發(fā)了第三模式，見圖7。在科里奧利力的情況下，第二和第三振蕩的偏移尤其地與產(chǎn)生它們的各個旋轉(zhuǎn)速度Qzancmy是成比例的。作為示例，可由電容元件檢測偏移，該電容元件將機械偏移轉(zhuǎn)化為電容信號。讀取結(jié)構(gòu)和讀取裝置，第二檢測元件16和17檢測質(zhì)量塊1和2在y方向的偏移。檢測單元是電容梳狀結(jié)構(gòu)的形式-其特征是重疊區(qū)域以及移動結(jié)構(gòu)和連接到基板的相反電極間的距離。當移動結(jié)構(gòu)在y 方向偏移時，板之間的距離以及因此電容都發(fā)生了變化。偏移元件16和17對于每個地震質(zhì)量塊1和2包含了相同數(shù)量的同樣的電容結(jié)構(gòu)，且它們被這樣安排，使得當質(zhì)量塊1和2 逆相偏移時，產(chǎn)生了與偏移成比例的電容信號。各個檢測元件16或17對于質(zhì)量塊1和2的逆相偏移是不敏感的。于是電容信號16和17之間的差異被用來度量科里奧利力的強度。 這種類型的減法過程消除了寄生信號，其出現(xiàn)在兩個檢測路徑中的相同相位，例如，由兩條路徑上的電氣干擾引起的信號。這種類型的讀取僅檢測了第二模式，且對于其他的自然模式來說是不敏感的，其中質(zhì)量塊1和2在y軸的方向中同相移動。梳狀結(jié)構(gòu)的不同布置和適應性信號評估也是可能的。第三檢測元件或讀取裝置18和19檢測質(zhì)量塊1和2在ζ方向的偏移，且被連接以使得元件18和19的電容變化之間的差被用作輸出信號。這種類型的讀取僅檢測了第三模式，且對于質(zhì)量塊1和2在ζ方向的同相移動是不敏感的?？商娲牡谌龣z測彈簧和梁裝置8、9、10、12可以具有與彈簧和梁結(jié)構(gòu)3、4、5、7類似的矩形耦合梁。 但是，在示出的情形中，耦合梁是C形狀的，從而存在空間用于額外出現(xiàn)的表面上的讀取電極或讀取裝置。讀取裝置20和21檢測耦合梁10在ζ方向上的偏移，這是在第三模式期間當耦合梁10繞著χ軸旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的。它們被連接，從而元件20和21的電容變化之間的差被用作輸出信號。這一類型的讀取僅檢測第三模式，并對質(zhì)量塊1和2在ζ方向上的同相移動不敏感。讀取電極的相鄰位置減少了對電極本身的外部干擾影響，因為任何干擾影響對兩個電極的作用都是相同程度的，并被差分原理(differential principle)消除。此外， 通過耦合梁對電極幾何布局的剛性耦合引起電容信號的最佳耦合。與C形耦合梁10組合的檢測電極20和21的另一優(yōu)勢是該讀取結(jié)構(gòu)對圖8的同相第三模式不敏感。正如所提及的，同相第三模式被所選擇的彈簧裝置向高頻率轉(zhuǎn)移。如果彈簧元件8和9在ζ方向上被同相偏移，轉(zhuǎn)矩繞著y軸作用在耦合梁10上，由此耦合梁繞著y軸旋轉(zhuǎn)。給定彈簧和梁裝置8、9、10、12以及電極20和21的合適的尺寸，耦合梁在該情形下大致繞著與y軸觀平行的軸旋轉(zhuǎn)，從而該旋轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生任何電容信號。參照圖9， 旋轉(zhuǎn)軸的χ坐標在該情形下由電極20和21的區(qū)域的形心(centroid)定義，且ζ坐標由移動結(jié)構(gòu)的重心定義。作為示例，c形的耦合梁10具有兩個邊段40、41以及連接段42。與該耦合梁關(guān)聯(lián)的兩個讀取裝置20、21被安排，使得其縱向邊的中心43 (基本上在兩個邊端 40、42的縱向邊的方向上)每個關(guān)于χ-y準線被安排(該χ-y準線與邊段中的一個的縱向邊的中心43相對)，從而由這兩個邊段位于傾斜位置而引起的、兩個邊段繞著y軸的可能的同相旋轉(zhuǎn)偏斜基本上不會被兩個讀取裝置檢測到，這兩個讀設備特別地被布置為在靜止狀態(tài)下與兩個邊段平行(在每種情形下是相對于基本表面)。另外的致動器和檢測器還需要另外的電機械結(jié)構(gòu)用于傳感器的操作。在該情形下，需要驅(qū)動裝置或驅(qū)動設備14用于操作。這可以直接作用于質(zhì)量塊1、質(zhì)量塊2或兩個質(zhì)量塊上。驅(qū)動監(jiān)視結(jié)構(gòu) 15通常被用于監(jiān)視主要振蕩并可以以和驅(qū)動裝置14相同的方式作用于質(zhì)量塊1、質(zhì)量塊2 或兩個質(zhì)量塊上。至少可以布置兩個驅(qū)動監(jiān)視結(jié)構(gòu)，從而單獨的電容之間的差是主要移動期間的偏移的度量，由此χ軸方向上的地震質(zhì)量塊的同相移動保持不被檢測到。另外的裝置可以被附加到傳感器，以便抑制寄生信號(“正交”(quadrature))和 /或影響頻率和/或以便基于轉(zhuǎn)動速率來重置振蕩(“力反饋”)。作為示例，圖10示出了， 例如用于第二振蕩器23和第三振蕩器22的結(jié)構(gòu)。示例性實施例2+3，設計圖11示出了根據(jù)示例性實施例1描述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其驅(qū)動單元被去耦?？蚣芡ㄟ^彈簧元件M連接到內(nèi)部地震質(zhì)量塊1，驅(qū)動和驅(qū)動監(jiān)控結(jié)構(gòu)的移動部分被剛性地附加到該框架。在該情形下，彈簧元件M在驅(qū)動方向X軸上具有高彈簧剛度，但在y和Z軸方向上盡可能柔軟。此外，驅(qū)動單元經(jīng)彈簧元件沈被附加到基板錨狀物27，該彈簧元件沈允許在驅(qū)動方向的移動，但在y和ζ軸方向上是盡可能剛性的。這使得去耦的驅(qū)動單元能夠以與內(nèi)部地震質(zhì)量塊1相同的幅度來完成主要移動，如圖12中所示。但是，參考圖13和圖14，驅(qū)動框架在第二和第三模式下保持靜止。圖15示出了根據(jù)示例性實施例1描述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其驅(qū)動單元被去耦?？蚣芡ㄟ^彈簧元件M連接到外部地震質(zhì)量塊2，驅(qū)動和驅(qū)動監(jiān)視結(jié)構(gòu)的移動部分被剛性地附加到該框架。在該情形下，彈簧元件M在驅(qū)動方向χ軸上具有高彈簧剛度，但在y和ζ軸方向上盡可能柔軟。此外，驅(qū)動和驅(qū)動監(jiān)視單元經(jīng)彈簧元件沈和基板錨狀物27被附加，該彈簧元件沈允許在驅(qū)動方向的移動，但在y和ζ軸方向上是盡可能剛性的。這使得去耦的驅(qū)動單元可以以與外部地震質(zhì)量塊2相同的幅度來完成主要移動，如圖16所示。但是，參考圖17和圖18，驅(qū)動框架在第二和第三模式下保持靜止。該類型的解耦具有特殊的優(yōu)勢， 即由驅(qū)動(監(jiān)視)結(jié)構(gòu)中的不對稱產(chǎn)生的干擾力不會被直接傳送到讀模式。
權(quán)利要求
1.一種微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器，包括基板，其底面被校準為與笛卡爾坐標系統(tǒng)(χ，y， ζ)的X-y平面平行，旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有至少一個第一地震質(zhì)量塊(1)和第二地震質(zhì)量塊 O)，所述地震質(zhì)量塊被耦合到至少一個第一驅(qū)動裝置(14)且被懸置，這樣第一和第二地震質(zhì)量塊( 被驅(qū)動，使得它們在一種驅(qū)動模式中被逆相偏移，旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計使得其可檢測繞著基本上互相正交的敏感軸(z，y)的旋轉(zhuǎn)速率，其特征在于至少第二地震質(zhì)量塊( 是框的形式，其針對x-y平面上的位置至少部分地包圍第一地震質(zhì)量塊(1)。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于第一和第二地震質(zhì)量塊通過至少一個第一和第二耦合裝置而彼此耦合，這樣當檢測繞著第一敏感軸(y)的第一旋轉(zhuǎn)速率時，它們在第一讀取模式中逆相振蕩，且在于當檢測繞著第二敏感軸(ζ)的第二旋轉(zhuǎn)速率時，它們類似地在第二讀取模式中逆相振蕩。
3.如權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于第一和第二地震質(zhì)量塊具有基本上相同的質(zhì)量，且在于旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計且第一和第二地震質(zhì)量塊被這樣設計和布置，使得整個旋轉(zhuǎn)速率傳感器的重心在驅(qū)動模式中針對地震質(zhì)量塊的偏移基本上保持靜止。
4.如權(quán)利要求2或3所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有單個驅(qū)動裝置，其逆相驅(qū)動旋轉(zhuǎn)速率傳感器的第一和第二地震質(zhì)量塊，出于該目的地震質(zhì)量塊被懸置，且通過第一耦合裝置以合適的方式彼此耦合。
5.如權(quán)利要求1到4中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計，使得第一敏感軸(y)位于χ-y平面上，也就是說，位于基板的底面上，尤其在于第一敏感軸被設計為平行于χ軸或平行于y軸，且在于第二敏感軸(ζ)被設計為平行于ζ軸，也就是說與基板的底面成直角。
6.如權(quán)利要求2到5中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于旋轉(zhuǎn)速率傳感器的第一和第二地震質(zhì)量塊被設計、懸置并被至少第一和第二耦合裝置耦合，這樣它們被懸置使得它們可在驅(qū)動模式中針對其各自的偏移、在第一讀取模式中針對其各自的偏移和在第二讀取模式中針對其各自的偏移而單獨移動，且在于第一和第二地震質(zhì)量塊針對所有其他偏移被剛性地懸置，也就是說，第一和第二地震質(zhì)量塊在其他方向的所有偏移和所有同相偏移被抑制。
7.如權(quán)利要求1到6中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于以重復和差異的方式檢測在至少兩個讀取模式的每個中第一和第二地震質(zhì)量塊的偏移，在每種情況下針對逆相偏移由兩個讀取裝置在相反的意義上檢測兩個地震質(zhì)量塊中的一個的偏移，也就是說，針對同相的一個地震質(zhì)量塊，且針對逆相的另一個地震質(zhì)量塊，也就是說，第一和第二地震質(zhì)量塊和/或也與至少一個地震質(zhì)量塊一起偏移的裝置每個都與至少兩個讀取裝置關(guān)聯(lián)，該至少兩個讀取裝置每個被特別設計和布置，這樣這兩個讀取裝置中的一個檢測電容增長，而另一個檢測電容下降。
8.如權(quán)利要求2到7中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于第一和第二耦合裝置每個包括至少一個基本上是剛性的耦合梁，其通過彈簧元件一方面被耦合到第一地震質(zhì)量塊且另一方面被耦合到第二地震質(zhì)量塊，且被特別地懸置在至少一個扭轉(zhuǎn)彈簧元件上，該扭轉(zhuǎn)彈簧被這樣設計使得其允許耦合梁繞著一個或兩個軸的旋轉(zhuǎn)偏移，并抑制耦合梁的其他旋轉(zhuǎn)偏移和所有平移偏移。
9.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于第一耦合裝置被這樣設計，使得其推動地震質(zhì)量塊針對驅(qū)動模式的逆相偏移并抑制針對驅(qū)動模式的同相偏移，且在于第一和第二耦合裝置被這樣設計，使得其推動地震質(zhì)量塊針對第一和第二讀取模式的逆相偏移并抑制針對第一和第二讀取模式的同相偏移，尤其地抑制第一和第二地震質(zhì)量塊的所有同相偏移。
10.如權(quán)利要求8或9所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于至少一個耦合裝置的至少一個耦合梁與兩個或更多個讀取裝置關(guān)聯(lián)，所述讀取裝置被這樣設計和布置使得它們可檢測該耦合梁針對第一和第二讀取模式的同相和逆相旋轉(zhuǎn)偏移，在這種情況下其中一個是同相的而另一個是逆相的。
11.如權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于該耦合梁被設計為基本上是 c形的，尤其是具有在靜止狀態(tài)下基本上與χ-y平面平行的底面，具有至少兩個邊段和一個連接段，連接段基本上中心地連接到扭轉(zhuǎn)彈簧元件，這樣兩個邊段可被逆相旋轉(zhuǎn)偏移，該扭轉(zhuǎn)彈簧元件至少針對繞著y軸的寄生旋轉(zhuǎn)偏移不是完全剛性的，出于該原因，與該耦合梁關(guān)聯(lián)的兩個讀取裝置被這樣布置，使得基本上位于兩個邊段的縱側(cè)方向的其縱側(cè)的中心， 每個針對與一個邊段的縱側(cè)的中心相對的x_y準線被布置，使得兩個邊段繞著y軸的、由這兩個邊段位于傾斜位置產(chǎn)生的可能的同相旋轉(zhuǎn)偏移基本上不會被兩個讀取裝置檢測到，這兩個讀取裝置在每種情況下針對底面，尤其地被布置為在靜止狀態(tài)下平行于兩個邊段。
12.如權(quán)利要求1到10中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于至少一個驅(qū)動裝置剛性地連接到第一或第二地震質(zhì)量塊。
13.如權(quán)利要求1到11中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于至少一個驅(qū)動裝置通過至少一個彈簧元件耦合到第一或第二地震質(zhì)量塊，這樣在驅(qū)動單元和第一或第二地震質(zhì)量塊之間的驅(qū)動方向中提供了平移耦合，且在所有其他的至少平移方向中提供了去華禹。
14.如權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于在這種情況下驅(qū)動裝置通過至少一個進一步的彈簧元件額外地懸置在基板上，該懸置被設計為在χ-y平面上是剛性的且在該情況下與驅(qū)動方向成直角，這樣抑制了 x_y平面上的驅(qū)動裝置在除了輸出驅(qū)動方向以外的方向上的偏移。
15.如權(quán)利要求1到14中的至少一個所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器在機動車中的使用，特別是用于檢測偏航率，也就是說，繞著車輛的垂直軸的旋轉(zhuǎn)，且用于檢測車輛的側(cè)傾率或俯仰率。
全文摘要
一種微機械旋轉(zhuǎn)速率傳感器，包括基板，其底面被校準為與笛卡爾坐標系統(tǒng)(x，y，z)的x-y平面平行，旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有至少一個第一地震質(zhì)量塊(1)和第二地震質(zhì)量塊(2)，所述地震質(zhì)量塊被耦合到至少一個第一驅(qū)動裝置(14)且被懸置，這樣第一和第二地震質(zhì)量塊(2)被驅(qū)動，從而它們在一種驅(qū)動模式中被逆相偏移，旋轉(zhuǎn)速率傳感器被這樣設計使得其可檢測到繞著基本上互相正交的敏感軸(z，y)的旋轉(zhuǎn)速率，其中至少第二地震質(zhì)量塊(2)是框的形式，其針對x-y平面上的位置至少部分地包圍第一地震質(zhì)量塊(1)。
文檔編號G01C19/574GK102575934SQ201080039683
公開日2012年7月11日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者B·施密德, J·洛曼, R·希瓦拉曼, S·甘特奈爾 申請人:大陸-特韋斯貿(mào)易合伙股份公司及兩合公司