CN101855515A - 具有两个传感轴的转速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转速传感器，包括：一个衬底(10)，一个支承件(20)，一个借助弹簧(30)可旋转运动地悬置在该支承件(20)上的、用于执行平面驱动振荡运动的振荡结构(40)，用于产生所述振荡结构(40)的所述平面驱动振荡运动的驱动装置。本发明的核心在于：该转速传感器具有用于检测在第一旋转轴上的旋转的第一分析处理装置及用于检测在第二旋转轴上的旋转的第二分析处理装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种转速传感器(Drehratensensor)，它具有一个衬底，一个支承件，一个借助弹簧悬置在该支承件上的可旋转运动地进行平面驱动振荡运动的振荡结构及用于产生该振荡结构的该平面驱动振荡运动的驱动装置。
背景技术
具有一个传感轴(sensitiven Achse)的转速传感器已被用于不同的应用。在机动车中例如用于防打滑程序ESP，导航及超车测量，在家用电子方面它应用于图像稳定，运动检测及导航领域。
由德国公开文献DE 195 23 895 A1公开了具有一个传感轴的微机械转速传感器，其中一个在中心通过弯曲弹簧悬置的转子质量被激励到旋转振荡及在出现转速(Drehrate)时由于科里奥利力将经受一个倾斜。该偏转将借助电极来检测，这些电极被设置在一个衬底上面的导电层中。
其数目不断增加的应用，例如数字摄像机中的图像稳定需要多轴的转速传感器，为此目的至今通常并列地设置多个单通道传感器或-视传感旋转轴的所需组合而定-干脆安装在竖放的电路板上。
使用两个分开的单通道转速传感器在其成本，位置占用量，电能消耗量及两个轴的相对定位精确度方面具有缺点。
发明内容
本发明涉及转速传感器，它包括一个衬底，一个支承件，一个借助弹簧能旋转运动地悬置在该支承件上以进行平面驱动振荡运动的振荡结构及用于产生该振荡结构的该平面驱动振荡运动的驱动装置。本发明的核心在于：该转速传感器具有用于检测在第一旋转轴上的旋转的第一分析处理装置及用于检测在第二旋转轴上的旋转的第二分析处理装置。
本发明有利地得到一个具有两个传感轴的旋转式转速传感器。由此可以在单个芯片上同时对两个测量轴进行分析。该传感器可在两个位于该芯片平面中的旋转轴x，y上感测。
此外还得到另一优点。该传感器芯仅不明显地大于具有可比较的技术规格要求的单通道传感器。而电流需要量明显地小于两个单通道传感器的电流需要量。一方面对于两个测量轴仅需要单个驱动回路，另一方面尤其在使用数字的分析处理电路的情况下通常可通过用于两个检测通道的时间多路器而使用较大的电路功能块。部件的精确的微机械制造与高度对称的传感器设计相结合保证了两个测量通道非常一致的性能及灵敏度。此外通过设计得到两个测量轴的相对定位以及不象在安装两个单通道的传感器时那样会受到安装及连接技术上误差的不良影响。
附图说明
图1表示根据现有技术的一个转速传感器的微机械功能部件，
图2表示根据图1的转速传感器的微机械功能部件的概要俯视图，
图3表示根据本发明的具有两个传感轴的转速传感器，
图4A及B表示一个根据本发明的转速传感器的悬置结构的两个实施形式，
图5表示根据本发明的具有自测试电极的转速传感器，
图6表示根据本发明的具有增大的驱动装置的转速传感器。
具体实施方式
在附图中示范地表示出本发明的实施形式及在下面进行描述。
图1表示根据现有技术的一个转速传感器的微机械的功能部件。该转速传感器用一个概要的截面图来表示。图中表示出一个衬底或载体10，一个带有悬置弹簧或振荡弹簧30及一个振荡质量40的毂20。毂20与载体10相连接。该毂通过振荡弹簧30也与振荡质量40连接。该转速传感器具有梳状结构CA1，CA2形式的驱动装置，它用于振荡V的驱动。可激励到振荡的振动质量、即振荡质量40的驱动这样来实现：一个驱动结构、例如CA1的两个梳为两个电极，它们被充电到不同的电位上。这些互补的梳由于静电的吸引力而相互吸引，及由此使振动质量40偏转。转速传感器还具有梳状结构CD1，CD2，它们适用于：检测驱动振荡的振幅及通常利用其信号来调节该振幅。最后该转速传感器具有电容器CS1，CS2形式的检测装置，它们用于测量由于作用的科里奥利力FC产生的振荡质量的偏转。
在转速传感器工作期间，振荡质量40在一个球形轨道V上绕毂20振荡。该转速传感器根据规定检测绕传感轴、即转动轴线Ω的转动。当传感器绕Ω这样转动时依据定律将出现科里奥利力FC，该力将导致偏转质量40在由箭头所示的垂直于振荡平面的方向上的偏转。科里奥利力FC的方向总是随着振荡质量40的旋转振荡V的方向而改变。
图2表示根据图1的转速传感器的微机械功能部件的概要俯视图。图中表示出驱动梳CA11，CA12，CA21，CA22及检测梳CD11，CD12，CD21，CD22。驱动梳CA11，CA12用于在方向+V上驱动振荡质量40。驱动梳CA21，CA22用于在方向-V上驱动振荡质量40。检测梳CD11，CD12，CD21，CD22用于测量两个方向+V及-V上驱动偏转的振幅。这些电容器类型的梳结构CD11，CD12，CD21，CD22的电容量依赖于梳相互插入的深度及由此依赖于电容器板相互覆盖的面积。电极CT1及CT2为测试电极。通过在测试电极CT1及CT2上施加一个电压可实现振荡质量40在科里奥利力FC的方向上的偏转。因此可模拟科里奥利力FC的作用及测试振荡质量40的可偏转性。由此可检验传感器的功能性。
图3表示根据本发明的具有两个传感轴的转速传感器。根据本发明的转速传感器由上述现有技术中的转速传感器发展而来。根据本发明的双通道(因为设有两个传感轴)转速传感器可用同样的表面微机械工艺来制造。现有技术中的单通道转速传感器在具有弹簧30或x及y轴的悬置结构的弹簧刚度及惯性力矩方面具有大的不对称性，而双通道结构的设计或这两个轴的设计是高度对称的。转子40通过弹簧30与衬底10连接，这些弹簧对中地向内延伸及在中心附近悬置在一个毂20上。该结构通过驱动梳在转动中绕垂直轴(z轴)偏移。驱动检测梳测量该系统的偏转及将该信号输入一个调节回路，通过该调节回路可使传感器在其驱动频率上稳定地工作。当出现绕x轴的旋转速率时基于科里奥利力FC将形成转子绕y轴的旋转；当相反地出现绕y轴的旋转速率时，将产生转子绕x轴的旋转。在四个“转子臂”、即弹簧30的下面在衬底10的埋设的导体条中具有结构化电极面，这些电极面通过所产生的电容量变化来检测转子的倾斜。由第一检测装置或第二检测装置的各个对立电极的差值信号Cx，p-Cx，n或Cy，p-Cy，n可推导出绕x轴或绕y轴的旋转速率。在一个理想的对称结构中，绕x轴的旋转速率不会导致y通道中的信号，反之亦然，即绕y轴的旋转速率不会导致x通道中的信号。
图4A及B表示一个根据本发明的转速传感器的悬置结构的两个实施形式。驱动运动及检测运动中固有频率的精确位置主要对传感器的灵敏度及电能消耗具有实质影响。因此弹簧的几何结构必需相应地设计，以便实现力图达到的频率。对此使用简单的弯曲弹簧，如图2中概要表示的弯曲弹簧通常不能满足。而弹簧30具有更复杂的几何结构。它例如可为曲折状构型的弹簧，如图4A及B所示。并且弹簧30的数目也可变化，但出于对称的原因可有利地考虑四的倍数。另一方面多于八个弹簧也无意义，因为它们需要太多的位置及所产生的弹簧刚度对于大多数应用来说太高。
图5表示根据本发明的具有自测试电极的转速传感器。如该图中所示，检测电极Cx，i及Cy，i(i＝p，n)的部分区域在衬底10上被空出来及被用于可单独电接触的测试电极Tx，i及Ty，i(i＝p，n)。通过这些测试电极可馈入电力及通过常规的检测电极Cx，i及Cy，i(i＝p，n)可测量所产生的、传感器元件40的与由旋转速率引起的倾斜相类似的倾斜。因此可实现传感器的简单自测试。
图6表示根据本发明的具有增大的驱动装置的转速传感器。为了相对现有技术的实施形式增大驱动振幅或降低所需的驱动电压(及由此降低电能消耗)通过附加的驱动梳来增高驱动电容量是值得期望的。这里所述的微机械的转速传感器在表面微机械方面可成本上有利地制造。在此情况下一个具有多个传感器的衬底在加工后可被分成矩形的块，每块上载有一个传感器。现在根据本发明提出，驱动电极梳基本上沿矩形衬底10的对角线延展。因为电极的延伸指向芯片的对角线，故不用增大矩形芯片的面积即可实现驱动电极梳的延长超过原来的转子半径及由此实现大数目的驱动电极梳或驱动检测电极梳。因为对于产生驱动转矩，正是外部梳特别地有效，梳数目的少量增高已是非常有利的。
Claims (7)
1.转速传感器，包括：
一个衬底(10)，
一个支承件(20)，
一个借助弹簧(30)可旋转运动地悬置在该支承件(20)上的、用于执行平面驱动振荡运动的振荡结构(40)，
用于产生所述振荡结构(40)的所述平面驱动振荡运动的驱动装置，
其特征在于：该转速传感器具有用于检测在第一旋转轴上的旋转的第一分析处理装置及用于检测在第二旋转轴上的旋转的第二分析处理装置。
2.根据权利要求1的转速传感器，其特征在于：所述振荡结构(40)悬置在具有一个主延伸平面(x，y)的衬底之上及绕垂直轴z执行驱动振荡运动。
3.根据权利要求1或2的转速传感器，其特征在于：所述两个旋转轴位于衬底平面中。
4.根据权利要求3的转速传感器，其特征在于：所述第一旋转轴是x轴，所述第二旋转轴是y轴。
5.根据以上权利要求之一的转速传感器，其特征在于：所述振荡结构(40)具有从所述支承件(20)到其外边缘的第一最大延伸距离，所述驱动装置具有从所述支承件(20)到其外边缘的第二最大延伸距离，其中该第二最大延伸距离大于该第一最大延伸距离。
6.根据以上权利要求之一的转速传感器，其特征在于：设置四个或四的整数倍个弹簧(30)。
7.根据以上权利要求之一的转速传感器，其特征在于：所述弹簧(30)多次地折叠，尤其是曲折形状地构成。
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