CN101120232A - 振荡微机械角速度传感器 - Google Patents

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CN101120232A CNA2005800448799A CN200580044879A CN101120232A CN 101120232 A CN101120232 A CN 101120232A CN A2005800448799 A CNA2005800448799 A CN A2005800448799A CN 200580044879 A CN200580044879 A CN 200580044879A CN 101120232 A CN101120232 A CN 101120232A
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Abstract

本发明涉及在测量角速度中使用的测量装置，并且更具体地，涉及振荡微机械角速度传感器。在根据本发明的角速度传感器中，通过弹簧，或者通过弹簧及刚性辅助结构，使测震质量(1，2，36，37)附接到支撑区域，其给予质量(1，2，36，37)相对于垂直于由质量构成的晶片平面的旋转轴线，并相对于平行于晶片平面的至少一个旋转轴线的自由度。根据本发明的角速度传感器的结构，特别在紧凑型振荡微机械角速度传感器中，其能够进行可靠和有效的测量。

Description

振荡微机械角速度传感器
技术领域
本发明涉及在测量角速度中使用的测量装置，并且更具体地，涉及振荡微机械角速度传感器。本发明目的在于提供一种特别在紧凑型振荡微机械角速度传感器解决方案中能够进行可靠和有效测量的改进的传感器结构。
背景技术
基于振荡角速度传感器的测量已经证明有简单的原理，并且可提供测量角速度的可靠方法。最一般地应用在振荡角速度传感器的操作原理是所谓的音叉(tuning fork)原理。
在振荡角速度传感器中，某些已知的主运动产生并保持在传感器中。另一方面，通过传感器测量的所希望的运动，被检测作为在主运动中的偏差。在音叉原理中，主运动是两个振动线性谐振器的反相振荡。
在垂直于谐振器运动方向的方向上影响传感器的外部角速度，在相反方向上感应质量(masses)上的科里奥利力(coriolis force)。与角速度成正比的科里奥利力，可直接从质量检测到，或者使质量连接到相同的旋转轴，并且然后检测运动是在角速度轴线的方向上的角度振荡。
对振动和冲击的抗性是角速度的传感器要求的主要特征。特别在某些高要求应用中，类似地，例如，在汽车工业中的电子稳定性程序，这些要求是极其地严格。即使是强的冲击，类似地，例如，由石头引起的外部冲击，或者由小汽车音频播放器引起的振动，也不应该影响角速度传感器的输出。
在根据音叉原理的测量中，检测运动是角度振荡或差分线性振荡，并且这样，任何外部线性加速度将不会连到在理想结构中的检测谐振器。然而，不可避免地，由于在材料和支撑物中的振荡，相对于角速度传感器的检测轴线的角度加速度也将总是从冲击和振荡产生。这样，检测谐振器的运动将不可避免地被干扰，并且，特别当干扰频率接近传感器的操作频率时，这会引起在角速度传感器的输出信号中的偏差。
根据现有技术的角速度传感器也已发展，其中主运动和检测运动都是角度振荡。一项这样的用于角速度传感器的现有技术解决方案在例如美国专利号6349597中描述过。在该美国专利中描述的用于角速度传感器的解决方案中的主运动，是作为发生在晶片平面上围绕z轴线的角度振荡来实现的。角速度检测运动相应地测量作为晶片相对于z平面的倾斜。在目前的解决方案中，由角速度产生的力矩除了与振荡结构的质量成正比外，在角速度轴线的方向上与质量块长度的平方成正比。
然而，以上描述的现有技术解决方案，如基于音叉原理的结构，对于外部的的机械干扰，几乎展现出相同程度的敏感性。只有角度振荡的主运动，对于线性加速度是较少敏感的，但是无论如何，主运动比检测运动明显地对于外部应力是较少敏感的。
由于对振荡动的敏感性，目前通常已知的角速度的微机械传感器的测量原理，不是最好的可能存在的原理。这样，本发明的目的就是提供用于角速度振荡传感器的结构，与根据现有技术的解决方案相比较，其对于机械干扰的联接是略微较少敏感的。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种改进的角速度振荡传感器，特别在紧凑型振荡角速度传感器解决方案中，其能够进行可靠和有效的测量，并且与根据现有技术的解决方案相比较，其对于机械干扰的联接是相当地较少敏感的。
根据本发明，提供振荡微机械角速度传感器，其包括在支撑区域附接到传感器部件主体上的两个测震(seismic)质量，以及位于质量之间的连接弹簧。使得
-在角速度传感器中，必须产生的主运动是围绕支撑区域的两个测震质量的反相角振荡。
-通过至少一个弯曲弹簧，测震质量彼此相连，机械地同步于它们的主运动，并且
-通过弹簧，或者通过弹簧和刚性辅助结构，测震质量附接到支撑区域，相对于与它们构成的圆盘相垂直的旋转轴线，并在圆盘平面方向上相对于至少一个旋转轴线，给予质量自由度。
优选地，角速度传感器是相对于一个轴线测量角速度的角速度传感器，在该传感器中，通过至少两个附接点(spot)，两个测震质量附接到传感器部件的主体上。此外，优选地，弯曲弹簧基本上是比其宽更高(higher than it is wide)。
优选地，角速度传感器包括
-用于主运动的旋转弹簧，该弹簧相对于主运动具有挠性，并且
-用于检测运动的扭转弹簧，该弹簧相对于外部角速度传入的扭转力矩产生的扭转振荡具有挠性。
优选地，通过位于质量上方或下方的电极，电容性地检测由外部角速度产生的振荡。此外，优选地，电极生长到到密闭(hermeticallycolsing)传感器结构的晶片内表面。
优选地，角速度传感器包括，基本上在相同方向延伸的第二弯曲弹簧，其附接到与角速度传感器的质量连接的弹簧的中心。
优选地，通过附接点，并且另外通过安装在中心处的附接点，使质量附接到主体。备选地，通过附接点，另外通过安装在拐角或在边沿的附接点，使质量附接到主体。此外，备选地，通过附接点，使质量附接到主体，该附接点通过设计的刚性辅助结构在一侧附接到质量。此外，备选地，通过附接点，使质量附接到主体，该附接点通过弹簧在一侧附接到质量。此外，备选地，通过安装在端部中心处的附接点，并且附加地，通过附接点(该附接点通过弹簧在一侧连到质量)，使质量附接到主体。
优选地，角速度传感器包括张力减轻结构。优选地，角速度传感器包括梳形结构。优选地，角速度传感器包括放射状的梳形结构。
优选地，角速度传感器是相对于两个轴线测量角速度的角速度传感器，在该传感器中，两个测震质量在两个附接点处附接到传感器部件的主体。优选地，弯曲的弹簧基本上是比其宽更高。
优选地，角速度传感器包括：
-用于主运动的旋转弹簧，该弹簧相对于主运动具有挠性，
-在第一方向上用于检测运动的扭转弹簧，该弹簧相对于在第一方向上的检测运动具有挠性，并且
-在第二方向上用于检测运动的扭转弹簧，该弹簧相对于在第二方向上的检测运动具有挠性
优选地，通过位于质量上方或下方的电极方式，电容性地检测由外部角速度产生的振荡。此外，优选地，电极生长到密闭传感器结构的晶片内表面。
优选地，附接点以阳极方式接合到密闭传感器结构的晶片上。备选地，附接点通过熔化节点的方式接合到密闭传感器结构的晶片上。
附图说明
以下，结合示例性的参考附图，将详细描述本发明及其优选实施例，其中
图1显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的结构透视描述。
图2显示了在主运动中根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量。
图3显示了在检测运动中根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量。
图4显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的备选结构。
图5显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第二备选结构。
图6显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第三备选结构。
图7显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第四备选结构。
图8显示了在主运动中，根据本发明的第五备选振荡角速度传感器的可移动质量。
图9显示了在检测运动中，根据本发明的第五备选振荡角速度传感器的可移动质量。
图10显示了根据本发明的具有双轴线的振荡角速度传感器的可移动质量的结构透视描述
图11显示了在相对于Y轴线的角速度产生的检测运动中，根据本发明的具有双轴线的振荡角速度传感器的可移动质量。
图12显示了在相对于X轴线的角速度产生的检测运动中，根据本发明的具有双轴线的振荡角速度传感器的可移动质量。
具体实施方式
在根据本发明的角速度传感器中，必须产生的主运动是至少两个可移动的测震质量在相反方向围绕支撑区域(其将质量附接到传感器部件的主体)的角度振荡。对于每一质量有至少一个支撑区域，并且通过弹簧的方式或通过弹簧和刚性辅助结构的方式，使它们连接到周围的质量，给予质量相对于垂直于晶片平面的旋转轴线，并相对于在如晶片平面相同方向上的至少一个旋转轴线的自由度。通过至少一个弯曲弹簧的方式，使质量彼此连接，其机械地同步于它们的主运动。本技术领域已知的结构能够用来产生该运动。
图1显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的结构透视描述。根据本发明的角速度传感器包括在两个附接点3，4附接到传感器部件主体的两个测震质量1，2。在质量1，2中心处的附接点3，4能够通过例如阳极方式或通过熔化节点的方式接合到部件的主体。
根据本发明的振荡角速度传感器进一步包括用于主运动的旋转弹簧5，6，用于检测运动的扭转弹簧7-10，以及将测震质量1，2彼此连接的弯曲弹簧11。
图2显示了在主运动中，根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量。启动根据本发明的角速度传感器进入主运动，使得产生的主运动是两个测震质量1，2围绕将质量1，2附接到传感器部件主体的附接点3，4的反相角度振荡。
中心定位的连接谐振器的长弹簧11，将质量1，2的运动同步于相对彼此的反相(运动)。此外，基本上比宽度更高的连接弹簧11，在Y轴线方向上阻止附接点3，4周围框架的扭转模式，并且这样，框架基本上仅在Z轴线方向有自由度。
通过在X轴线方向延伸的两个扭转弹簧7-10的方式，使根据本发明的振荡角速度传感器的两个质量1，2，都附接到附接点3，4周围的框架上。这样，测震质量1，2具有两个自由度，相对于Z轴线的一个自由度，和相对于X轴线的另一自由度，使得该部件的操作能够作为角速度传感器。
图3显示了在检测运动中，根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量。在根据本发明的振荡角速度传感器中，相对于Y轴线的外部角速度连接质量1，2的在Z轴线方向上的反向主运动进入围绕X轴线的反相直接扭转力矩。该扭转力矩在X轴线方向上围绕质量的1，2质量的检测轴线，产生如主运动的相同频率的反相扭转振荡。在根据本发明的角速度传感器中，用于检测运动的扭转弹簧7-10相对于扭转振荡具有挠性。
在根据本发明的振荡角速度传感器中，由外部角速度产生的振荡幅度是直接与角速度成正比，并且它能够通过例如定位在质量1，2上方或下方电极以电容方式检测到，该电极例如可以生长到密闭传感器结构晶片的内表面上。
图4显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的备选结构。在根据本发明的备选振荡角速度传感器中，通过附加的弯曲弹簧，连接弹簧的任何扭动在其中心处被减少。由于外部干扰产生的质量的普通模式运动，基本上没有主模式或检测模式的刚性，在连接弹簧的扭转刚性方面的这种增加，使得该结构更为刚硬。
在根据本发明的备选振荡角速度传感器中，通过附接点3，4，并且附加地，通过定位在中心处的附接点12，13，使质量1，2附接到主体。通过例如阳极方式或通过熔化节点方式，附接点12，13可以接合到部件的主体。
图5显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第二备选结构。在根据本发明的第二备选振荡角速度传感器中，通过从连接弹簧中心延伸到拐角的附加的弯曲弹簧，减少了连接弹簧的任何扭动。由于外部干扰产生的质量的普通模式运动，基本上没有主模式或检测模式的刚性，在连接弹簧的扭转刚性方面的这种增加，使得该结构更为刚硬。
在根据本发明的第二备选振荡角速度传感器中，通过附接点3，4，并且附加地，通过定位在拐角处的附接点14-17，使质量1，2附接到主体。在边沿区域，附接点14-17可以直接地整合到主体内，或者例如通过阳极方式或通过熔化节点方式，它们可以接合到部件的主体。
图6显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第三备选结构。在根据本发明的第三备选振荡角速度传感器中，通过附接点18，19，使质量1，2附接到主体，附接点18，19通过弹簧的方式，在一侧附接到质量1，2。通过例如阳极方式或通过熔化节点方式，附接点18，19可以接合到部件的主体。
由于弹簧尺寸设计，根据本发明的振荡角速度传感器的可移动电极的第三备选结构略微更加复杂，并且由于相同的弹簧参与到主模式和检测模式，它也增加了模式之间的耦接。另一方面，以上描述的第三备选结构具有更有效的空间利用和更大简化的优势。
图7显示了根据本发明的振荡角速度传感器的可移动质量的第四备选结构。在根据本发明的第四备选振荡角速度传感器中，通过附接点20，21，并且附加地，通过定位在端部的中心处的附接点24，25，使质量1，2附接到主体。附接点20，21通过弹簧22，23，在一侧附接到质量1，2。通过例如阳极(方式或通过熔化节点方式，附接点20，21，24，25可以接合到部件的主体。在根据本发明的第四备选振荡角速度传感器中，有用来减少弹簧中的非线性特征的进一步的张力减轻结构26，27，以及用于主运动的保持或检测、静电产生的梳结构28，29。
图8显示了在主运动中，根据本发明的第五备选振荡角速度传感器的可移动质量。在根据本发明的第五备选振荡角速度传感器中，通过附接点30，31，使质量1，2附接到主体，该附接点30，31通过刚性辅助结构32，33在一侧附接到质量1，2。通过例如阳极方式或通过熔化节点方式，附接点30，31可以接合到部件的主体。在根据本发明的第五备选振荡角速度传感器中，有附加地放射状的梳结构34，35，以及将测震质量1，2彼此连接的弯曲弹簧11。
图9显示了在检测运动中，根据本发明的第五备选振荡角速度传感器的可移动质量。
除了以上描述的结构，有为质量创造两个自由度(要求该自由度用于测量根据本发明的角速度)的许多其它方法。
图10显示了根据本发明的具有双轴线的振荡角速度传感器的可移动质量的结构透视描述。根据本发明相对于两个轴线测量角速度的角速度传感器，包括通过两个附接点38，39附接到传感器部件主体的两个测震质量36，37。根据本发明具有双轴线的振荡角速度传感器进一步包括用于主运动的旋转弹簧40，41，在第一方向用于检测运动的扭转弹簧42-45，在第二方向用于检测运动的扭转弹簧46-49，以及将测震质量36，37彼此连接的弯曲弹簧50。
中心定位的连接谐振器36，37的长弹簧50将质量的运动同步到相互反相的运动。另外，基本上比宽更高的连接弹簧50阻止在附接点38，39周围框架的Y轴线方向上的扭转模式，由此框架基本上在Z轴线方向上有自由度。
与前面描述的具有一个轴线的结构比较，根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器的结构包括附加的刚性辅助结构，通过在Y轴线方向延伸的扭转弹簧对46-49的方式，其被弹簧悬吊到质量36，37。根据本发明具有双轴线角速度传感器的结构给测震质量36，37垂直于主运动的第二自由度，通过应用相同的主运动，使传感器能够操作成为具有双轴线的角速度传感器。
图11显示了在由相对于Y轴线的角速度产生的检测运动中，根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器的可移动质量。在根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器中，将被测量的相对于Y轴线的外部角速度，把相对于Z轴线的质量36，37的反相主运动耦接到相对于X轴线的反相扭转力矩中。该扭转力矩产生质量36，37的围绕平行于X轴线的检测轴线的反相扭转振荡。在根据本发明具有双轴线角速度传感器中，用于检测运动的扭转弹簧42-45相对于扭转振荡具有挠性。
图12显示了在由相对于X轴线的角速度产生的检测运动中，根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器的可移动质量。在根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器中，待测量的项目(item)角速度相对于X轴线把在质量36，37的Z轴线方向上的反相主运动耦接到相对于Y轴线的反相扭转力矩中。该扭转力矩产生围绕平行于Y轴线质量36，37的检测轴线的如主运动相同频率的质量的反相扭转振荡。在根据本发明具有双轴线角速度传感器中，用于检测运动的扭转弹簧46-49相对于扭转振荡具有挠性。
在根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器中，由外部角速度产生的振荡直接与角速度成正比，并且它能够通过例如位于质量36，37上方或下方的电极以电容方式检测到，该电极例如可以生长到密闭传感器结构的晶片内表面上。
除了示例性结构，在本发明范围内，能够提出具有双轴线的角速度传感器的多种变化。
与根据现有技术的传感器结构比较，根据本发明的振荡角速度传感器的最重要的优点是在角速度信号中对来源于传感器周围的振动和冲击的本质性改进的抗性。在根据本发明的角速度传感器中，角速度相对于普通检测轴线在质量中产生反相运动，其通过用于质量的差分检测电路被检测到。
在根据本发明具有双轴线振荡角速度传感器中，由外部角度加速度和质量的任何质量非对称产生的线性加速度，对质量产生同相(equal phase)力矩。由同相运动产生的信号将在差分检测中被消除，并且因此，外部机械干扰仅在完全过载的情况下能够影响输出。
由于认真考虑运动的方向，根据本发明的振荡角速度传感器也能够产生极其高的信号电平。通过例如定位在质量上方或下方的巨大电极，能够有效地利用由测震质量的长度带来的巨大的惯性力矩。
根据本发明的振荡角速度传感器结构的优点也是弹簧中多种模式变形的特殊性，特别地在有框架类型的结构中，该弹簧基本决定了运动模式的频率和方向。

Claims (22)

1.一种振荡微机械角速度传感器，其特征在于：它包括在支撑区域附接到传感器部件主体的两个测震质量(1)，(2)，(36)，(37)，以及在质量(1)，(2)，(36)，(37)之间的连接弹簧，使得
--角速度传感器主运动是围绕支撑区域的两个测震质量(1)，(2)，(36)，(37)的反相角度振荡，所述运动是必须被产生的，
--通过至少一个弯曲弹簧(11)，(50)，使所述测震质量(1)，(2)，(36)，(37)彼此连接，其机械地同步于它们的主运动，并且
--通过弹簧或者通过弹簧和刚性辅助结构，将测震质量(1)，(2)，(36)，(37)连接到支撑区域，相对于与由质量形成的晶片平面相垂直的旋转轴线，并相对于在所述晶片平面方向上的至少一个旋转轴线，其给予所述质量(1)，(2)，(36)，(37)自由度。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器是相对于一个轴线测量角速度的角速度传感器，所述传感器具有在至少两个附接点(3)，(4)处附接到传感器部件主体的两个测震质量(1)，(2)。
3.根据权利要求2所述的角速度传感器，其特征在于：弯曲弹簧(11)基本上比其宽更高。
4.根据权利要求2或3所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括：
--用于主运动的旋转弹簧(5)，(6)，该弹簧相对于主运动具有挠性，并且
--用于检测运动的扭转弹簧(7)-(10)，该弹簧相对于由外部角速度生成的扭转力矩所产生的扭转振荡具有挠性。
5.根据权利要求2，3或4所述的角速度传感器，其特征在于：通过位于质量(1)，(2)上方或下方的电极，由外部角速度产生的振荡以电容方式检测。
6.根据权利要求5所述的角速度传感器，其特征在于：电极生长到密闭传感器结构的晶片内表面上。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括第二弯曲弹簧，其基本上与连接角速度传感器的质量的弹簧(11)在相同方向上延伸，并且附接到所述弹簧(11)的中心。
8.根据前面权利要求2-7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过附接点(3)，(4)，并且附加地通过在中心处安装的附接点(12)，(13)，将所述质量(1)，(2)附接到所述主体。
9.根据前面权利要求2-7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过附接点(3)，(4)，并且附加地通过在拐角或在边沿处安装的附接点(14)-(17)，将所述质量(1)，(2)附接到主体。
10.根据前面权利要求2-7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过附接点(18)，(19)，使所述质量(1)，(2)附接到主体，该附接点(18)，(19)通过设计的刚性辅助结构，在一侧附接到所述质量(1)，(2)。
11.根据前面权利要求2-7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过附接点(18)，(19)使所述质量(1)，(2)附接到主体，该附接点(18)，(19)通过弹簧在一侧附接到所述质量(1)，(2)。
12.根据前面权利要求2-7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过安装在端部中心处的附接点(24)，(25)，并且附加地，通过附接点(20)，(21)，使所述质量(1)，(2)附接到主体，所述附接点(20)，(21)通过弹簧(22)，(23)在一侧附接到质量(1)，(2)。
13.根据前面权利要求2-12中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括张力减轻结构(26)，(27)。
14.根据前面权利要求2-13中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括梳形结构(28)，(29)。
15.根据前面权利要求2-14中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括放射状梳形结构(34)，(35)。
16.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器是测量相对于两个轴线的角速度的角速度传感器，所述传感器包括通过两个附接点(38)，(39)附接到传感器部件主体的两个质量(36)，(37)。
17.根据权利要求16所述的角速度传感器，其特征在于：所述弯曲弹簧(50)是基本上比其宽更高。
18.根据权利要求16或17所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器包括：
--用于主运动的旋转弹簧(40)，(41)，所述弹簧相对于主运动具有挠性，
--用于在第一方向上的检测运动的扭转弹簧(42)-(45)，该弹簧相对于在第一方向上的检测运动具有挠性，并且
--用于在第二方向上的检测运动的扭转弹簧(46)-(49)，该弹簧相对于在第二方向上的检测运动具有挠性。
19.根据前面权利要求16-18中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：通过位于所述质量(36)，(37)上方或下方的电极，以电容方式检测由外部角速度导致的振荡。
20.根据权利要求19所述的角速度传感器，其特征在于：所述电极生长到密闭传感器结构的晶片内表面上。
21.根据前面权利要求2-20中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述附接点(3)，(4)，(14)-(19)，(20)，(21)，(24)，(25)，(30)，(31)以阳极方式接合到密闭传感器结构的晶片上。
22.根据前面权利要求2-20中任一项所述的角速度传感器，其特征在于：所述附接点(3)，(4)，(14)-(19)，(20)，(21)，(24)，(25)，(30)，(31)以熔化节点的方式接合到密闭传感器结构的晶片上。
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