CN101529204B - 具有正交补偿结构的旋转速率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转速率传感器，其具有至少一个正交补偿结构(25)，该正交补偿结构包括至少一个第一电极(100)和一个第二电极(200)。在此，第二电极(200)具有第一电极面(210)和第二电极面(220)，所述第一电极面和第二电极面相互对置地设置。第一电极(100)设置在第一电极面(210)与第二电极面(220)之间的中间空间(300)中。第一电极面(210)或第二电极面(220)在其延伸上具有相对于第一电极(100)不同的间距。本发明的核心在于，第二电极(200)的第一电极面(210)与第二电极面(220)在其延伸上相互间具有基本上相同的间距。

Description

具有正交补偿结构的旋转速率传感器
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个正交补偿结构的旋转速率传感器，该正交补偿结构包括至少一个第一电极和一个第二电极。在此，第二电极具有第一电极面和第二电极面，所述第一电极面和第二电极面相互对置地设置。第一电极设置在第一电极面与第二电极面之间的中间空间中。第一电极面或者第二电极面在其延伸上到第一电极具有不同的间距。
背景技术
旋转速率传感器在运行中具有驱动振动，以便基于科里奥利力在出现旋转运动时探测偏转。在微机械的旋转速率传感器中，由于加工误差导致驱动运动对传感器结构的探测运动的过响应。因此设置了所谓的正交补偿结构，以便补偿这种过响应并由此提高传感器的效能、尤其是分辨率或者降低信号噪声。在德国专利申请DE-10237411 A1中描述了一些正交补偿结构，这些正交补偿结构由于其几何结构调解动态的力作用。通过正交补偿结构也可以改善其它的旋转速率传感器结构，例如所谓的在DE-10203515A1中描述的紧凑结构。
现有技术的缺点是如下事实，即正交补偿力将一个合成力矩围绕z轴施加到科里奥利框架上，因为由于微机械结构在衬底上的不同位置存在杠杆臂并由此产生围绕z轴、垂直于衬底表面的转矩。
发明内容
本发明涉及一种具有至少一个正交补偿结构的旋转速率传感器，该正交补偿结构包括至少一个第一电极和一个第二电极。在此，第二电极具有第一电极面和第二电极面，所述第一电极面和第二电极面相互对置地设置。第一电极设置在第一电极面与第二电极面之间的中间空间中。第一电极面或者第二电极面在其延伸上到第一电极具有不同的间距。本发明的核心在于，第二电极的第一电极面与第二电极面在其延伸上相互间具有基本上相同的间距。
本发明的正交补偿结构有利地适用于正交补偿(在一些力fa，b，c中合成)。此外，它还具有两个重要的其他优点。本发明的正交补偿结构在被补偿的微机械结构上不产生合成的转矩。本发明的正交补偿结构与现有技术相比在相同能效的情况下在衬底上需要更小的面积。在此，可以节省高达50％的面积。
有利的是，所述第一电极基本上构造成板状。本发明的一个有利构型提出，所述第二电极环形地或U形地包围第一电极。一个特别有利的构型提出，所述旋转速率传感器具有多个并排相邻设置的正交补偿结构。
其它的优点由从属权利要求中得出。
附图说明
图1示出现有技术中具有正交补偿结构的旋转速率传感器，
图2示出现有技术中的正交补偿结构的细节，
图3示出本发明的正交补偿结构的第一实施例，
图4A，B，C示出本发明的正交补偿结构的三个不同实施例。
具体实施方式
在附图中示出现有技术以及本发明的实施例，下面进行描述。
图1示出现有技术DE 10237411 A1中具有正交补偿结构(Quadraturkompensationsstrukturen)的旋转速率传感器。示出了旋转速率传感器的微机械结构的一半。主要示出具有驱动振动结构15的驱动框架10、设置在其中的具有正交补偿结构25的科里奥利框架20和设置在其中的具有探测电极35的探测框架30。驱动框架10通过弹簧借助于锚接机构这样地悬置在位于锚接机构下面的衬底1上，使得驱动质量可优选仅实施在第一方向上的或者按照第一轴(X轴)的平面内运动(平行于衬底平面)并且在垂直于第一轴的第二轴(Y轴)上的平面内运动被抑制。第一轴也称为驱动轴x；第二轴也称为探测轴y。探测框架30通过弹簧这样地悬置在衬底1的对面，使得该探测框架可优选实施仅在探测方向y上的平面内运动并且在驱动方向x上的运动被抑制。科里奥利框架20与驱动框架10和探测框架30利用弹簧这样连接，使得科里奥利元件相对于驱动质量可实施优选仅在探测方向上的平面内相对运动并且在驱动方向上的相对运动被抑制，以及使得科里奥利元件相对于探测元件可实施优选仅在x方向上的平面内相对运动并且在y方向上的相对运动被抑制，即是这样的，科里奥利元件不仅可实施驱动方向上的运动而且可实施探测方向上的运动。
在设计旋转速率传感器时，通过设计(通过选择合适的对称性)在衬底平面内部对于初级振动和次级振动预给出特殊的笛卡尔坐标系K＝(x，y)。应以理想的方式这样地设计质量分布和弹簧分布，使得对于初级振动和次级振动而言质量张量和弹簧刚度张量的主轴系精确地与K一致。
此外，在构造探测机构时要注意的是，通过传感器在初级振动中(没有外部的转速)、即在x方向上的驱动振动中的运行在用于科里奥利效应的探测机构上不产生信号。为此，应这样地设计探测机构，使得其特殊的坐标系KD同样与力学坐标系K一致，即，适用：KD＝(x，y)。
如果坐标系K和KD例如由于加工波动不完全一致，则可能导致所谓的正交信号。
正的正交信号与负的正交信号之间关于科里奥利测量效应的区别是：在所示的旋转速率传感器左部结构以沿正x方向的初级振动和绕z轴的正的外部转速运动时，科里奥利加速度在正的y方向上起作用。正的正交信号在同一方向上起作用，负的正交信号在相反的方向上起作用。
在该现有技术的旋转速率传感器中，通过安置在科里奥利框架20上的、正交补偿结构25形式的电极结构通过有针对性地施加外部直流电压将时间上变化的(动态的)静电力(必要时通过时间上恒定的(静态的)力叠加地)施加到传感器结构上。通过合适地安置这种正交补偿结构25实现的是，在该传感器结构的初级振动期间将时间上变化的力施加在传感器结构内部的合适部分上。这些力这样取向，使得它们激励次级振动并由此可以在用于科里奥利效应的探测机构上被探测。通过电压的强度可以这样调节所述信号的大小，使得它们可以补偿在传感器元件中由于传感器结构的缺陷而存在的正交信号。
在图1的两个放大局部图中示出一些动态的正交补偿结构25。这些补偿结构以两个底部结构的形式设置，其中，第一底部结构补偿正的正交信号，第二底部结构补偿负的正交信号。选择这样两个底部结构的原因是通过施加静电力、尤其是引力可以使坐标系K不仅在正的方向上而且在负的方向上旋转。图1更详细地描述了正交补偿的功能。根据科里奥利框架在x方向上的偏转得到不同强度的静电力(fa，b，c，在芯片上的位置a＝{1，2}，正的和负的正交补偿b＝{p，n}和在x方向上的偏转c＝{x-，x0，x+})。通过这些静电力可以克服正交误差，如果将确定的电压施加在正的正交补偿电极(在一些力fa，p，c中合成)或者施加在负的正交补偿电极(在一些力fa， n，c中合成)上的话。现有技术的缺点是如下事实，正交补偿力围绕z轴将合成的转矩施加到科里奥利框架上，因为f1，b，c与f2，b，c相比具有不同的方向和量值并且由于所述结构在芯片上的不同位置而存在杠杆臂并且从而产生围绕z轴的转矩。
图2详细示出现有技术中的正交补偿结构。正交补偿结构25包括第一电极100和第二电极200。第二电极200具有第一电极面210和第二电极面220，这些电极面相互对置地设置。第一电极100设置在第一电极面与第二电极面210、220之间的中间空间300中。第一电极100被构造为具有矩形基面和相同厚度的板。该第一电极锚接在位于其下面的衬底(未示出)上并且垂直于衬底表面向上延伸。第二电极200由科里奥利框架的一部分构成，该科里奥利框架设置在衬底上。第二电极200包围第一电极100。第二电极200的第一电极面210在这里所示的示例中在第一电极的延伸230上到对置的第一电极100具有相同的间距。该间距是垂直于第一电极100的电极面观察的，这些电极面设置在第二电极200的电极面210或220的对面。第二电极200的第二电极面220具有台阶并因此在所述延伸230上到对置的第一电极100具有不同的间距。该间距由于第二电极面220中的台阶而具有两个不同的值。由于第二电极面220中的这个台阶，第二电极200的第一电极面和第二电极面210、220在所述延伸230上相互间也具有不同的间距。这个间距同样具有两个不同的值。这里所述的结构彼此成排地重复以便设置更多电极面并由此可施加更高的力。为此，第二电极200设有多个闭合的中间空间300，这些中间空间分别具有第一电极面和第二电极面210、220。在中间空间300中分别设置一个另外的第一电极100。
图3示出本发明正交补偿结构的第一实施例。通过这里所示的、按照本发明的正交补偿结构能够以相同或者甚至更好的效果替换现有技术中的正交补偿结构。本发明的新的正交补偿结构与现有技术相比附加地具有关于z轴的转矩自由的优点和更小的面积需求。在此，图3以与图2相同的比例示出相同效果下的新结构。因此可以看出可节省几乎50％的面积。同时可以看出，新的结构在无x方向(即在x0位置或静止位置)上的偏转的情况下没有合成力施加在科里奥利框架上并且在x+或x-方向上偏转时的合成力分别具有相同大小的量值和相同的方向。由此不产生围绕z轴的转矩。
与在图2中所述的现有技术不同的是，本发明的正交补偿结构如下构成。第一电极面210与第二电极200的第二电极面220一样具有台阶。因此，两个电极面210、220中的每个电极面在其延伸230上到对置的第一电极100具有不同的间距。由于第一电极面和第二电极面210、220中的台阶，该间距分别具有两个不同的值。由于在第一电极面210和对置地在第二电极面220中相同尺寸地设置的这个台阶，第二电极200的第一电极面和第二电极面210、220在所述延伸230上相互间具有基本上相同的间距。相对于第一电极100的间距同样具有两个不同的值。这里所述的结构彼此成排地重复以便设置更多电极面并因此可施加更高的力。为此，第二电极200设有多个闭合的中间空间300，这些中间空间分别具有第一电极面和第二电极面210、220。在中间空间300中分别设置一个另外的第一电极100。但是与现有技术不同的是，第一电极面和第二电极面210、220的壁厚均匀薄地设置。因此正交补偿结构25能够更窄地挨靠设置、即更紧密地装入。由此得到上述的面积节省。
图4A、4B、4C示出本发明的正交补偿结构的三个另外的实施例。在此未示出如图3那样示出的、分别配属的镜像对应体。所有实施例的共同点是如下特征，即第二电极200的第一电极面和第二电极面210、220在延伸230上相互间具有基本上相同的间距。这些电极面基本上相互平行地延伸。在按照图4A的实施例中，第一电极面和第二电极面210、220分别具有恰好彼此对置的台阶并且此外不仅相互平行地延伸，而且也平行于第一电极100延伸。第一电极面和第二电极面210、220到第一电极100的间距在这些电极面的延伸230上分别非持续地、在台阶上跃变地变化。在按照图4B的实施例中，第一电极面和第二电极面210、220没有台阶。这些电极面相互平行地延伸，但是分别不平行于第一电极100。第一电极面和第二电极面210、220到第一电极100的间距在这些电极面的延伸230上分别持续且均匀地变化。按照图4C的实施例是按照图4A和4B的实施例的混合形式。第一电极面和第二电极面210、220到第一电极100的间距在这些电极面的延伸230上分别持续地但是不均匀地变化。
在此，特别是按照图4C的变型方案通过电极100、200的相应造型(必要时也通过与衬底固定的第一电极100的造型)允许根据所述结构在x方向上的偏转预给出正交补偿力的变化曲线。

Claims (4)

1.一种旋转速率传感器，其具有至少一个正交补偿结构(25)，该正交补偿结构包括至少一个第一电极(100)和至少一个第二电极(200)，
其中，第二电极具有第一电极面(210)和第二电极面(220)，所述第一电极面和第二电极面相互对置地设置，
其中，第一电极(100)设置在第一电极面(210)与第二电极面(220)之间的中间空间(300)中，
其中，至少第一电极面(210)和/或第二电极面(220)在其延伸上到第一电极(100)具有不同的间距，
其特征在于，第二电极(200)的第一电极面(210)与第二电极面(220)在其延伸上相互间具有基本上相同的间距。
2.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第一电极(100)基本上构造成板状。
3.如权利要求1或2所述的旋转速率传感器，其特征在于，所述第二电极(200)环形地包围第一电极(100)。
4.如权利要求1所述的旋转速率传感器，其特征在于，该旋转速率传感器具有多个相邻设置的正交补偿结构(25)。
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