CN102428348B - 微机械传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有一个衬底（2）和至少一个设置在衬底（2）上且相对衬底（2）运动的质量块的微机械传感器（1），用于感测基于同时所出现的加速力或科氏力引起的传感器（1）运动。所述质量块和衬底和/或两个相互运动的质量块通过至少一个弯曲弹簧装置（6）相互连接。该弯曲弹簧装置（6）具有弹簧臂(9)以及设置在其上的扭曲（Maeander）（10），该扭曲具有在扭曲内侧的曲率中心（MP1；MP6；MP8；MP9；MP11）和曲率半径（r1；r6；r8；r9；r11）的曲率圆（K1；K6；K8；K9；K11）。为减少出现的应力，所述扭曲（10）除具有内曲率中心（MP1；MP6；MP8；MP9；MP11）的曲率半径（r1；r6；r8；r9；r11）外，还有至少另外一个在扭曲（10）外侧的曲率中心（MP2；MP3；MP4；MP5；MP7；MP10）的曲率半径（r2；r3；r4；r5；r7；r10）。所述的至少另外一个曲率半径（r2；r3；r4；r5；r7；r10）设置在扭曲（10）和弹簧臂（9）之间。

Description

微机械传感器
技术领域
本发明涉及一种具有一个衬底和至少一个设置在衬底上且相对衬底运动的质量块的微机械传感器，用于感测基于同时出现的加速力和/或科氏力引起的传感器运动，其中所述质量块和衬底和/或两个相互运动的质量块通过至少一个弯曲弹簧装置相互连接，所述弯曲弹簧装置具有一个弹簧臂以及设置在其上的扭曲（Maeander），该扭曲具有曲率中心在扭曲内侧的曲率圆。
背景技术
微机械传感器用于感测沿三个相互垂直正交的空间轴中的一个轴或围绕其中至少一个轴的加速度和/或旋转速度。其工作原理原则上在于，作为对传感器相应的加速度或旋转速度的反应，传感器质量块会相对于衬底运动。因此借助于弯曲弹簧装置，传感器质量块是可运动地设置在衬底上，所述弯曲弹簧装置通常由一个或几个弯曲弹簧构成。弯曲弹簧的结构主要决定了，传感器质量块在哪个方向是可运动的。为了或多或少地容许不同的弯曲方向，弯曲弹簧的弹簧刚性在各个空间方向上是不同的。该不同的可运动性是受弯曲弹簧的横截面变化也受弯曲弹簧的空间变化影响的。特别是在弯曲弹簧的扭曲式结构的情况下，能在扭曲面实现相对高的弹性。然而在由撞击传感器引起的冲击影响下，会产生可能导致弯曲弹簧损坏的极端弯曲应力。
从US6，401，536 B1已知一种加速器传感器，其中传感器质量块借助弯曲弹簧装置固定在衬底的锚上。所述弯曲弹簧装置由多个分别固定在锚端的单独弹簧构成。此外弯曲弹簧在其朝向传感器质量块的端分成两个叉，每个叉分别设置在传感器质量块上。该弯曲弹簧的每个叉弯成扭曲状，每个单独段走向各自彼此相互平行。扭曲的扭转为180度的半圆形。视所说明的实施方式不同，每个叉设有一个或多个扭曲。扭曲的每个扭转是这样的形式，即弯曲弹簧紧贴的各个曲率圆的曲率中心在各自扭曲的内侧。
从DE698 22 756 T2中已知一种微机械陀螺仪，其中同样也是传感器质量块借助弯曲弹簧装置固定在衬底的锚上。弯曲弹簧装置能容许传感器围绕锚弹性运动，与前述公开出版物的情况一样。弯曲弹簧装置由三个各自弯成扭曲状的单独弯曲弹簧组成。扭曲的各个段不是彼此相互平行设置的。各个弯曲弹簧的弯曲半径在相应段走向小于180度，以便弹簧臂相互伸展开。各个弯曲半径的中心也位于扭曲内侧。
现有技术的缺点是，在传感器极端偏转的情况下，相对高的峰值应力会出现于弯曲弹簧装置处。这会导致弹簧损坏以及因此导致整个传感器损坏。特别是弹簧可能会断裂或有裂纹，使传感器的运动受阻或完全抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有可运动的传感器质量块的微机械传感器，其在运动性上一方面是可控的，另一方面在其弹簧处也能吸收高的弯曲负荷，不会出现损坏。
通过具有权利要求1的特征的微机械传感器实现了该目的。
根据本发明的微机械传感器具有一个衬底和至少一个设置在衬底上并与衬底相对运动的质量块，用于感测传感器的线性和/或旋转加速度。当加速力和/或科氏力对传感器起作用时，所述质量块一方面以驱动形式运动 - 在除去外部加速度的情况下静止 ，另一方面随感测运动而作出反应。该运动的传感器质量块通过至少一个弯曲弹簧装置固定在衬底上。另一可选择的方式是多个相互运动的质量块可通过至少一个弯曲弹簧装置相互彼此连接和相互相对运动。因此不是在每种情况下，传感器直接设置在衬底都是必要的。在本发明的微机械传感器的一些设计中，传感器质量块也能够例如固定在驱动质量块上，与驱动质量块一同运动作为初级运动，相对驱动质量块运动只是用于显示加速力和/或科氏力。传感器质量块和驱动质量块通过相应的弯曲弹簧装置相互连接。所述弯曲弹簧装置具有弹簧臂和设置在其上的扭曲。
所述扭曲具有一个中心在扭曲内侧的曲率半径。借助弯曲弹簧的扭曲结构实现了弯曲弹簧装置的特别弹性。根据本发明，该弯曲弹簧装置是这样设计的：所述扭曲除了具有内中心的曲率半径外还有至少另外一个中心在扭曲外侧的曲率半径。所述的至少另外一个曲率半径设置在扭曲和弹簧臂之间。因此减少了在弯曲弹簧装置上出现的应力。由此避免了在传感器质量块极端偏转情况下弯曲弹簧装置的损坏或断裂。此外有助于传感器质量块的均衡偏转，以便进一步减少微机械传感器的损坏风险以及提高在确定加速或旋转运动时的微机械传感器的准确度。
在本发明的一个有利的设计结构中弯曲弹簧装置具有多个弹簧臂。当扭曲设置在弹簧臂上，由于存在的弯曲，出现在弯曲弹簧装置上的应力是明显可减少的。因此弹簧臂断裂或损坏的风险减少。
如果扭曲是以这样的形式设计的，即扭曲以成圆形的方式过渡到其所连接的部件，则由弯曲产生的应力变得更均匀且会实现在极端弯曲情况下没有不可承受的应力峰值。该扭曲邻近的部件特别可能会是一个第一和一个第二弹簧臂、传感器质量块、衬底本身或用于固定在衬底上的锚。
像扭曲能够成圆形地过渡到所述的邻近部件一样，为避免应力峰值，当弹簧臂同样成圆形地过渡到所述邻近部件时，特别是过渡到传感器或用于固定在衬底上的锚时，这样是有好处的。通过此方式不仅扭曲区域的应力峰值而且其余的弯曲弹簧装置中的应力峰值均被降低了。
另一减少弯曲弹簧装置负荷的方式可通过本发明的一有利实施方式实现，成圆形的过渡区具有在走向中不一样的曲率半径。因此不仅扭曲而且弹簧臂，均特别注意到它们的应力方面，被连接到邻近的部件。弯曲的均匀性以及与其相关联的传感器测量准确度因而也得以改进。
特别有利的是，如果成圆形的过渡是椭圆状，传感器的损坏和测量准确度也会因此受到积极影响。
本发明的一个特别有利的设计中，设有扭曲和/或支化的弹簧臂过渡到传感器质量块、衬底和/或用于固定在衬底上的锚。过渡位置的应力峰值因此被进一步降低。
若扭曲和/或弹簧臂具有肚状凸起，则此作为一种弯曲特征，其应力峰值也在极端情况时降低了，比如机械冲击情况。由此极大地避免了传感器损坏。
本发明的一个特别有利的实施方式中弯曲弹簧装置具有多个相互点对称或轴对称走向的扭曲。特别是在大的弯曲或预计高的应力情况时，这是有利的，因为整个应力能够分布在所述的多个扭曲上。
当扭曲的转回区域紧贴内曲率圆环围大于180度时，得到一特别弱的内曲率。通过由此可能形成的内曲率圆的大曲率半径，再一次以有利方式起作用，使峰值应力分布在更大的区域，并由此可保持较低的峰值应力。
若本发明的实施方式设有多个内曲率圆，当扭曲紧贴曲率圆环围总共大于180度，是特别有利的。这也与一个单独内曲率圆特别大的环绕一样起类似的作用。峰值应力保持较低。所述单独内曲率圆是与弹簧的直段或也与弯曲段相连的。
为获得曲率圆的大环绕，当外中心的曲率圆或在多个外曲率圆情况下外中心的曲率圆紧贴扭曲环围总共超过90度，这是有利的。由此获得扭曲的肚状凹进或凸起。
本发明的一个重要方面是，通过由扭曲状弹簧部分以及在一些实施方式中与一附加的弹簧臂构成的弯曲弹簧装置的弯曲设计，避免了高表面应力区域。特别是通过具有更大的且更没有坏处的曲率半径的肚状凸起或凹进，避免了弯曲时的高应力峰值。因此断裂强度显著提高，例如在可能引起传感器脱落的机械冲击情况时。
附图说明
本发明进一步的优点通过下面的实施例加以说明。
图1是陀螺仪的俯视图。
图2是取自 图1的截面图。
图3a是根据现有技术的弯曲弹簧结构的示意图。
图3b是根据本发明的弯曲弹簧结构的示意图。
图4–10是根据本发明的弯曲弹簧装置的实例。
附图标记清单
1.       传感器
2.       衬底
3.       锚
4.       弹簧
5.       传感器质量块
6.       弯曲弹簧装置 
7.       驱动质量块
8.       电极
9.       弹簧臂
10.    扭曲
11.    过渡
K        曲率圆
MP     中心
R        半径。
具体实施方式
图1表示根据本发明的传感器1的俯视图，此处为一个用于感测传感器1围绕轴旋转的旋转速度传感器。在传感器1的衬底2上设置锚3，通过4个弹簧4把传感器质量块5可旋转地固定在该锚上。传感器质量块5是通过弯曲弹簧装置6与驱动质量块7相连。4个弯曲弹簧装置6是均匀分布设置在传感器质量块5的周围。驱动质量块7与设置在其上的电极8一起绕从图平面伸出的摆动的z轴振动处于初级运动中。该初级运动几乎完全是由驱动质量块7进行的。它不会在传感器质量块5上继续。因此传感器质量块5不参与驱动质量块7的初级运动。出现围绕位于图平面的x轴或y轴的衬底2或（和）传感器1旋转时，就产生了试图使驱动质量块7绕x和（或）Y轴倾斜的科氏力。通过弹簧4和弯曲弹簧装置6的相应控制的刚性使驱动质量块7与传感器质量块5一同运动成为可能。因此弯曲弹簧装置6是这样设计的，其一方面容许在初级振动中驱动质量块7从传感器质量块5的振动解耦，即为，在圆周方向上是相对柔性设计的，在响应运动方面，即绕y或x轴的二级振动，却是相对刚性设计的，目的是偏转的驱动质量块7让传感器质量块5参与该运动。
基于圆周方向上所必需的弯曲弹簧装置6的弯曲性以及另一方面绕y或x轴振动方面的刚性，对弯曲弹簧装置6产生了不同的要求，一部分要求的结果是高弯曲应力。根据发明的传感器的实施方式具有弯曲弹簧装置6，其通过针对性的结构设计避免了在弯曲弹簧装置6上过高的弯曲应力。
图2表示放大的弯曲弹簧装置6。该弯曲弹簧装置6由一个弹簧臂9和两个设置在其上的扭曲10构成。扭曲10位于弹簧臂9的分离或分叉形式处。该扭曲10与弹簧臂9的长边基本成直角，朝弹簧臂9的两侧伸展。
弹簧臂9在它的第一末端与成圆形的过渡11设置在传感器质量块5处。弹簧臂9的另一末端也同样是与成圆形的过渡11设置在驱动质量块7处。为避免不利的质量块聚积以及改善连接点处的强度。在过渡11的区域分别设有形成弹簧臂9的分叉的槽12，过渡可比如是圆状的或椭圆状的。
扭曲10是成圆形设计的，且具有一面有内中心和另一面有外中心的曲率半径。在弹簧臂9处开始，扭曲10由一第一成圆形的部分区域组成，该区域具有在扭曲10外侧的曲率中心。该第一曲率形成扭曲10的一肚状凹进。紧接着该第一段是一具有中心在扭曲10内侧的曲率半径的曲率。第二曲率走向绕扭曲的转折点。本发明实施例中，该第二曲率段紧贴其曲率圆环围大于180度，为平衡第一个向内凸出的肚状曲率。作为第三段接着又一个向内凸出的曲率。此处存在的曲率圆的中心也位于扭曲10的外侧。扭曲10最后再向弹簧臂9弯曲。该曲率也逐步与弹簧臂相连，且连有一成圆形过渡。这两个扭曲10是互相为镜像的。然而视弯曲弹簧装置6要求不同，这两个扭曲也可是不对称的，这表示，可能只有一个扭曲10存在，或这两个扭曲是不同设计的。通过此设计原理，可避免在扭曲外侧的末端，在其转回区域，形成高曲率区域，即小的曲率半径。在高曲率区域，弯曲弹簧装置6负荷情况下，大多可能会出现高的应力峰值，在不利情况下该值可能会超过材料的断裂极限值。
图3a，3b说明了根据发明的弯曲弹簧装置6的设计原理。图3a表示一扭曲10，不具有本发明意义改进几何形状的外观。扭曲的转折紧贴具有半径r和中心MP的曲率圆K。由于弹簧臂之间的距离小，所以曲率半径小，相应的曲率高。如果位于图平面内的力负荷作用于此结构，形成同样也处于图平面内的一变形状态。与此同时出现的峰值应力总是位于最小曲率半径的区域里，在所述情况下，即在曲率圆K区域内。
在图3b中峰值应力区被化解，因此曲率变小，相对的是曲率半径r变大。结果是扭曲的转回区域紧贴曲率圆K1环围大于180度。此外为获得在内侧准平行的扭曲臂之间的小距离 – 在结构上可取的，弹簧必须以这样的方式往回弯曲，它紧贴曲率圆K2和K3，曲率圆K2和K3的中心 –与内曲率圆K1相反– 位于扭曲外侧。在此也需注意，保持曲率半径r2和r3尽可能大，以尽可能避免高曲率区域以及由此产生的高峰值应力。
通过扭曲10的弯曲结构在弯曲弹簧装置6和（或）扭曲10偏转情况下保持如此低的峰值应力，以使传感器在正常工作时以及在极端工作条件下，比如冲击的情况，避免了弯曲弹簧装置6或曲率10的损坏。弯曲应力比在按图3a现有技术的没有这种变化的曲率半径的弯曲弹簧装置上的应力要明显地低。
图4-10中介绍了根据本发明的扭曲的不同实施方式。这些实施例不是固定的，按本发明原理设计的多种其它弯曲弹簧装置均是可能的。
图4表示根据本发明具有扭曲10的弯曲弹簧装置6，扭曲10在其第一段具有两个在外区域的弯曲半径。从弯曲弹簧装置6的直线走向引出具有曲率圆K4的扭曲10。扭曲10基本上垂直于从第一部件处出发的第一直线走向进行伸展。随后设有另外一小曲率圆K5，具有曲率圆K5的弯曲弹簧走向又几乎沿反方向。在扭曲10的转折点区域第三曲率圆K6设在扭曲10的内侧，弯曲弹簧紧贴该曲率圆。在一短直线段之后弯曲弹簧再次以相同弯曲半径K6，K5和K4在最后的直线段弯回，到第二个弹性放置的部件结束。两个设置在弯曲弹簧装置6左侧和右侧的部件，例如可能是传感器质量块5和驱动质量块7或也可能是锚3和传感器质量块5或驱动质量块7，与弯曲弹簧装置6一起相互弹性连接。通过曲率圆相应的-尽可能大的-半径， 弯曲弹簧装置6或弯曲弹簧紧贴该曲率圆，实现了该独立段非常柔和及光滑的过渡，因此能够保持峰值应力低。
图4a表示相对于图4实施方式的优化的弯曲弹簧装置6。曲率圆K4和K5融合在一起成为一个单独的曲率圆K4，5。由于曲率圆K4，5的半径相对于曲率圆K4和K5半径的更大，因此形成曲率圆K4，5更小的曲率（曲率=1/半径）。弯曲弹簧的应力因此更小，随之损坏风险降低。
图5表示根据发明的扭曲10，其具有两个设置在外侧的曲率圆和一个设置在内侧的曲率圆。在第二个部件处的弯回以两个也设置在外侧的曲率圆方式对称完成的。到各个弹性放置的部件的过渡11是与弯曲弹簧的一种分叉形式一起形成的。到需相连部件的弯曲弹簧装置6的过渡11也是以特别合适的方式实现的。所述两个位于外侧的曲率半径是这样的，其在曲率圆处具有总弧度超过90度的曲率线，以便弯曲弹簧超过90度偏转。与图4的实施方式相对的是此处只设有一个单独的内曲率圆。弯曲弹簧的弯曲弧度超过180度。
图5a再次表示相对于图5的改进的实施方式。各自的两个外曲率圆集合在一起成为紧贴曲率圆的弯曲弹簧的一个具有小曲率的大曲率圆。根据发明的弯曲弹簧的强曲率比弱曲率更差，相对于图4和4a的实施方式，该实施方式也有优点，因为内曲率圆是尽可能大的形成的且转折不是分布在两个或更多个小的曲率圆处。
图6是一个外曲率圆K7和三个内曲率圆K8（两次）和K9。弯曲弹簧装置6的弯曲弹簧紧贴曲率圆K7，K8和K9，由此形成了一特别好的过渡。内曲率圆K8和K9环围总度数大于180度，每个外曲率圆K7环围大于90度。每个曲率圆的连接可通过直的或弯的弹簧段实现。
图7的弯曲弹簧装置6是相对于图6的实施方式优化的弯曲弹簧装置6。其也紧贴两个外曲率圆K10和一个大内曲率圆K11。外曲率圆K10设置在内曲率圆K11的突出内，由此形成一弯曲弹簧的肚状凸起。由此获得弯曲弹簧装置6的特别大的弹性和应力少的结构。曲率圆K10比曲率圆K11小，在一另外的实施方式中，也可能情况是相反的。理想情况下，所有参与的曲率圆大体同样大，因此通常试图最大化曲率圆半径。
图8表示具有一双重扭曲10的弯曲弹簧装置6。这两扭曲10是彼此对称设计的，大概分别对应图7中的扭曲10。通过该对称结构使本质上同样的朝弯曲弹簧装置6两个方向的弯曲特征得到保证。
图9中图8的弯曲弹簧装置6是依次双重设置的。总共4个扭曲10形成一个特别有弹性的弯曲弹簧装置6，其峰值应力保持特别低且获得了稳定的长效的弯曲弹簧装置6。
图10表示源于图9的弯曲弹簧装置6的变化形式。在相互连接的部件区域以及在扭曲对10之间的弹簧臂9是分成两份的。一个这样的弯曲弹簧装置，其弹性和负荷能力再次提高了。
所说明的实施例只是用于微机械传感器的弯曲弹簧装置的很少几个根据发明的可能结构。构成所述弯曲弹簧装置和扭曲的曲率圆的各种形式和大小以及曲率圆的数量不同均是可能的。术语“圆”也是常规理解。也可能是一个自由走向的曲率。本质的是，曲率中心在弯曲弹簧的所描述的各个侧。在此也可能采用过渡到彼此的圆弧方式。重要的是，设置在扭曲内侧以及在扭曲外侧处的曲率圆，其在特别有利的实施方式中会形成扭曲的肚状凸起—与此相关的弱曲率区域以及因此变小的峰值应力。因此实现了弯曲弹簧的矢量方向均匀和逐步过渡的变化，特别是在弯曲弹簧装置极端负荷情况下峰值应力保持较低，从而很大程度上避免了弯曲弹簧损坏。

Claims (10)

1.一种微机械传感器具有一个衬底(2)和至少一个设置在衬底(2)上且相对衬底(2)运动的质量块，用于感测基于同时所出现的加速力或科氏力引起的传感器(1)运动，其中所述质量块(5)和衬底(2)和/或两个相互相对运动的质量块(5，7)通过至少一个弯曲弹簧装置(6)相互连接，以及所述弯曲弹簧装置(6)具有弹簧臂(9)以及设置在其上的扭曲(10)，该扭曲具有在扭曲内侧的曲率中心(MP1；MP6；MP8；MP9；MP11)和曲率半径(r1；r6；r8；r9；r11)的内曲率圆(K1；K6；K8；K9；K11)，其特征在于，为减少出现的应力，扭曲(10)除具有内曲率中心(MP1；MP6；MP8；MP9；MP11)的曲率半径(r1；r6；r8；r9；r11)外，还具有至少另外一个在扭曲(10)外侧的曲率中心(MP2；MP3；MP4；MP5；MP7；MP10)的曲率半径(r2；r3；r4；r5；r7；r10)，所述至少另外一个在扭曲(10)外侧的曲率中心(MP2；MP3；MP4；MP5；MP7；MP10)的曲率半径(r2；r3；r4；r5；r7；r10)设置在所述扭曲(10)和所述弹簧臂(9)之间，所述扭曲(10)紧贴具有在扭曲内侧的曲率中心(MP1；MP11)的内曲率圆(K1；K11)环围大于180度，在多个内曲率圆(K6；K8；K9)条件下所述扭曲(10)紧贴内曲率圆(K6；K8；K9)环围总共大于180度。
2.如权利要求1的传感器，其特征在于，所述扭曲(10)成圆形的过渡到所述弹簧臂(9)和/或所述质量块(5，7)和/或所述衬底(2)和/或用于固定在所述衬底(2)上的锚(3)。
3.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述弹簧臂(9)成圆形的过渡到所述质量块(5，7)和/或用于固定在所述衬底(2)上的锚(3)。
4.如权利要求3的传感器，其特征在于，所述成圆形的过渡(11)具有一个在走向中不一样形式的曲率半径。
5.如权利要求3的传感器，其特征在于，所述成圆形的过渡(11)是椭圆状的。
6.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述扭曲(10)和/或所述弹簧臂(9)以支化的方式过渡到所述质量块(5，7)，所述衬底(2)和/或用于固定在所述衬底上的锚(3)。
7.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述扭曲(10)和/或弹簧臂(9)具有肚状凸起。
8.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述扭曲(10)和/或弹簧臂(9)具有椭圆状弯曲。
9.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述弯曲弹簧装置(6)具有多个相互点或轴对称走向的扭曲(10)。
10.如权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述扭曲(10)紧贴具有在扭曲(10)外侧的曲率中心(MP7；MP10)的曲率圆(K7；K10)环围大于90度或，在多个外曲率圆(K4；K5)条件下紧贴具有在扭曲(10)外侧的曲率中心(MP4；MP5)的所述外曲率圆(K4；K5)环围总共大于90度。
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