CN102428376B - 微机械传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于根据在传感器上所出现的加速力和/或科氏力测定传感器运动的微力学传感器，所述微力学传感器具有一个衬底（5）以及至少一个设置在衬底（5）上并且可以相对于衬底（5）移动的质量块（6）。质量块（6）与衬底（5）和/或两个相向移动的质量块可以借助至少一个弯曲弹簧装置（1）相互连接在一起用于进行相对旋转运动。为了提高弯曲弹簧装置在旋转运动时的线性弹簧特性，所述弯曲弹簧装置（1）具有多个优选两个基本相互平行走向的弹簧条（2），以及至少在一个优选在每个弹簧条（2）上具有至少一个曲折段（3）。

Description

微机械传感器
技术领域
本发明涉及一种用于根据在传感器上所出现的加速力和/或科氏力测定传感器运动的微力学传感器，所述微力学传感器具有一个衬底以及至少一个设置在衬底上并且可以相对于衬底移动的质量块，其中，所述质量块与衬底和/或两个相向移动的质量块可以借助至少一个弯曲弹簧装置相互连接在一起用于进行相对旋转运动。
微力学传感器可以用于测定沿着或围绕空间三个正交坐标方向的至少一个方向的加速度和/或转动速率。其工作原理在于：一个传感器质量块会相对于一个衬底移动，作为对传感器加速度或转动速率的反应。为此，传感器质量块要设置在衬底上，并且可以借助一个弯曲弹簧装置在衬底上移动，所述弯曲弹簧装置一般由一个或多个弯曲弹簧组成。这些弯曲弹簧的结构主要用于使传感器质量块可以在某些方向上移动。弯曲弹簧的刚度在各空间方向上是不同的，从而多多少少会允许不同的弯曲方向。通过改变弯曲弹簧横截面积以及通过弯曲弹簧的空间移动都可以影响这种不同的可动性。特别是在一种曲折形的弯曲弹簧结构中，可以在曲折段平面达到相对较高的弹性。在理想情况下，弯曲弹簧是线性的，在这种情况下，其弹性常数是唯一的。线性就意味着作用在指定偏转方向上的恒定作用力总是可以让弹簧发生相同的偏转，而与弹簧已经偏转的程度无关。在现有技术所述传感器的弯曲弹簧中却不是这样的。因此很难对所产生的作用力进行评价分析并且可能会导致评价分析有误。
背景技术
专利US6,705,164B2与WO01/20259A1已经公开过几种微力学传感器，在这些微力学传感器中，传感器质量块借助一个弯曲弹簧装置固定在其它的可移动质量块上或者借助一个固定装置固定到一个衬底上。弯曲弹簧装置由多个具有曲折段的弯曲弹簧组成。通过这些曲折段可以在两种质量块之间或质量块与衬底以及固定装置之间获得弹性运动。这些曲折段各自借助较短的柄端固定在可相对移动的传感器部件上。其中，弯曲弹簧装置的运动主要受曲折段影响，而不受柄端影响。在现有技术的这种弯曲弹簧装置中，其缺点在于，在相同的作用力下，弯曲弹簧装置的弯曲不会线性偏转。因为在相同的科氏力作用下，相应传感器质量块的偏转路径会随着偏转的增加而变小，所以这种结构特别不利，在采集相关加速度值或转动速率值时也会产生误差，而为了对其进行修正补偿，需要进行复杂的计算，而这同样也会降低加速度或转动速率读数的精确性与速度。
专利US6,954,301B2也公开过一种弯曲弹簧装置，所述弯曲弹簧装置可以沿着较短固定柄端的两侧曲折形移动。通过这种方式虽然可以提高弯曲弹簧装置的线性，但也很难实现一种可控的弯曲弹簧装置刚度。另外，弹簧由于S形运动而不对称，而这会导致很难控制的寄生效应。这种形式的弯曲弹簧装置一般非常柔软，因此在这种弯曲弹簧装置中很难实现一种指定的刚度。
发明内容
本发明的任务在于创造一种微力学传感器，在所述微力学传感器中存在一种弯曲弹簧装置，所述弯曲弹簧装置允许弯曲弹簧装置尽可能地线性偏转。
为解决本发明的任务，本发明提出一种用于根据在传感器上所出现的加速力和/或科氏力测定传感器运动的微力学传感器，所述微力学传感器具有一个衬底以及至少一个通过固定装置设置在衬底上并且以围绕固定装置的初始振动平行于衬底移动的质量块，其中，质量块与衬底和/或两个相向移动的质量块借助至少一个弯曲弹簧装置相互连接在一起，从而进行相对旋转运动，所述弯曲弹簧装置具有至少两个在固定装置和质量块之间基本相互平行的弹簧条，以及在基本垂直于至少两个弹簧条中的每一个的方向上附接的至少一个曲折段，因此在质量块与衬底的相对运动期间和/或两个质量块的运动期间，一个曲折段被挤压，而另一个曲折段被拉伸，由此提高弯曲弹簧装置在旋转运动时的线性弹簧特性，从而使其保持预设的最大弯曲路径。
一种根据本发明所述的微力学传感器具有一个衬底与至少一个设置在衬底上并且可以相对于衬底移动的质量块，所述微力学传感器可以用于测定传感器的线性和/或旋转加速度。这种质量块一方面可以以一个没有外部加速度的固定驱动形式移动，另一方面，当加速力和/或科氏力作用到传感器上时，这种质量块可以通过采集运动对此做出反应。这种可移动的传感器质量块借助至少一个弯曲弹簧装置固定在衬底上。也可以借助一个弯曲弹簧装置将多个相互移动的质量块相互连接在一起，并且这些质量块也可以相互相对运动。因此，在这种情况下不需要将传感器质量块直接设置在衬底上。在根据本发明所述微力学传感器的几种设计方案中，传感器质量块既可以固定在一个驱动质量块上，也可以与用作初始运动的驱动质量块一起运动，而为了读取加速力和/或科氏力，仅仅只用于相对于驱动质量块移动。传感器质量块与驱动质量块可以用相应的弯曲弹簧装置连接在一起，弯曲弹簧装置至少具有一个曲折段。
根据发明所述，为了提高弯曲弹簧装置的线性特性以及在旋转运动时的线性弹簧特性，弯曲弹簧装置具有多个优选两个基本相互平行走向的弹簧条，所述弹簧条带有至少两个基本相互平行走向的弹簧条以及至少在一个优选在每个弹簧条上具有至少一个曲折段。
根据本发明所述配置有多弹簧条的弯曲弹簧装置可以允许有目的性和针对性的弯曲弹簧装置刚度，所述多弹簧条具有至少两个基本相互平行走向的弹簧条。在至少一个优选在每个弹簧条上额外配置的曲折段非常有利于弯曲弹簧装置弯曲特性的线性。因此，根据本发明所述的这种弯曲弹簧装置至少在曲折段所处的平面中偏转时可以线性均匀地弯曲。虽然在下文优选描述的双弹簧条特别有利，但根据发明所述，不仅可以使用双弹簧条，而且还可以使用具有至少两个弹簧条的多弹簧条。另外，也可以配置有多曲折段。通过组合多个可以参与弯曲弹簧装置弯曲的弹簧条以及与其配置在一起的曲折段可以获得一种弹簧特征曲线，即，可以在弯曲弹簧装置的整个偏转区域维持弯曲弹簧装置的线性。
如果至少两个弹簧条优选所有弹簧条基本相互平行走向，那么将特别有利。通过这种方式可以实现一种特别均匀的指定弯曲弹簧装置刚度，所述弯曲弹簧装置可以在一个较大的弯曲范围内基本线性偏转。但在本发明的另外一种结构中，也设置各个或所有弹簧条不平行走向，而是相互呈锥形走向。弹簧条的这种弯曲结构也比较有利，因为弹簧条不必再平行。可以根据应用情况以及所需的弯曲弹簧装置刚度选择本发明的各种有利结构。
如果曲折段圆滑过渡至弹簧条，那么通过弯曲产生的应力会更均匀，并且即使是在极端弯曲情况下也不会出现不允许的峰值。
与曲折段圆滑过渡至弹簧条从而避免应力峰值相同的是，如果弹簧条同样也圆滑过渡至相邻的部件，优选圆滑过渡至传感器质量块或者是衬底或者是衬底上的一个固定装置，那么也将比较有利。这样的话，不仅可以减少曲折段区域的应力峰值，还可以降低其它弯曲弹簧装置区域的应力峰值。当然，不用将曲折段弄圆就可实现这种圆滑过渡。
在本发明的一种有利结构中描述了降低处于负荷下的弯曲弹簧装置中的应力并使应力均匀分布的另外一种措施，即，圆滑过渡在走向中具有一种不一样的也就是说不是固定的曲率半径。通过这种方式，不管是曲折段还是弹簧条都可以特别有利地将应力传递给相邻的部件，因此可以提高作用力或作用力矩与所产生偏转之间的相互关系的均匀性以及与之相关的传感器测量的精确性。
如果圆滑过渡是椭圆的，那么将特别有利。这样的话就可以特别地降低弹簧中的峰值应力并且不会损坏传感器，即使是由于外部作用的冲击事件引起的峰值应力被引入传感器。
在本发明的一种特别有利的结构中，曲折段和/或弹簧条分支过渡至传感器质量块、衬底和/或衬底上的固定装置中。这样就可以额外降低过渡位置的应力峰值。这样也有利于弯曲弹簧装置的线性偏转。
如果曲折段和/或弹簧条具有一个椭圆形弯曲或一个腹形凹陷或凸起，那么这样也有利于弯曲特性，这种弯曲特性可以在极端情况下，例如：机械冲击情况下，降低应力峰值。通过这种方式可以大大避免损伤传感器。弯曲弹簧装置的线性弯曲特性可以提高传感器信号数据的评价分析。
比较有利的是，曲折段与弹簧条偏心，特别是曲折段至弯曲弹簧装置活动部件的距离要比至弯曲弹簧装置固定装置的距离要小一些。这样就可以使曲折段一侧的弹簧条长度与另外一侧的弹簧条长度不一样。根据使用情况与所期望刚度，可以选择各弹簧条段的长度。但事实证明，在一个静止部件与一个移动部件中，或者在将一个移动量较少的部件与一个移动量较大的部件连接在一起时，曲折段应该靠近移动量较大的部件。曲折段与移动量较大的部件之间存在的一段弹簧条应该短于其至移动量较少或静止部件的距离。
优选曲折段各边之间的间隔小于两个弹簧条之间的间隔。在这种形式的设计方案中可以实现特别高的弯曲弹簧装置线性特性。在这种情况下，必须确保避免各弹簧条在弯曲弹簧装置的较强弯曲时相互接触。因为这种接触会损坏或严重妨碍弯曲弹簧装置的线性要求。
如果两个弹簧条之间的间隔是弹簧条宽度的多倍，那么可以有利地形成一种弯曲弹簧装置，所述弯曲弹簧装置的各弹簧条具有非常好的弹性，但是却具有相对较高的总刚度。除此以外，这种较大的间隔还可以避免各弹簧条相互接触。
比较有利的是，两个弹簧条的长度大于曲折段各边的长度。这样的话，仅仅通过弹簧条就可以实现弯曲弹簧装置的主要弯曲运动。曲折段仅能形成一种补偿结构，从而支持弯曲弹簧装置的线性特性。
如果双弹簧条的弹簧条和/或曲折段各边对称，那么就可保证弯曲弹簧装置均匀地向两个指定的方向弯曲。另外，通过弯曲弹簧装置的非对称结构可以实现一种单侧弯曲。
为了特别一致而且均匀地弯曲所述弯曲弹簧装置的各部分，并且不会在弯曲弹簧装置的各部分上出现应力峰值，比较有利的是，曲折段具有一个带有内部中心点的曲率。其中，该曲率应尽可能地大，以便较小地弯曲曲折段。这样就可以降低弹簧弯曲或偏转区域的应力峰值。
如果曲折段具有至少另外一个中心点位于曲折段之外的曲率，那么曲折段可以弯曲成腹形凹陷，在这样就可以形成一种特别一致而且均匀的过渡，其同样也有利于降低应力峰值。
附图说明
下面将根据实施例对本发明的其它优点进行详细说明。
图1为一种根据本发明所述的带有较大曲折段的弯曲弹簧装置。
图2为一种根据图1所述的已经偏转的弯曲弹簧装置。
图3为一种根据本发明所述的带有较小曲折段的弯曲弹簧装置。
图4为一种根据图3所述的已经偏转的弯曲弹簧装置。
图5为一种在靠近移动部件的地方带有曲折段的弯曲弹簧装置。
图6为一种根据图5所述的已经偏转的弯曲弹簧装置。
图7为一种带有圆滑过渡的弯曲弹簧装置。
图8为一种带有多个曲折段的弯曲弹簧装置。
附图标记清单
1.弯曲弹簧装置
2.弹簧条
3.曲折段
4.固定装置
5.衬底
6.质量块
a曲折段各边的间隔
A弹簧条的间隔
L长度
具体实施方式
图1示出了一种根据本发明所述的弯曲弹簧装置1，所述弯曲弹簧具有两个相互平行走向的弹簧条2，其中，在每个弹簧条2上各配置有一个曲折段3。弯曲弹簧装置1的一端固定在衬底5的固定装置4上。弯曲弹簧装置1的另一端配置有一个质量块6，所述质量块可以平行于衬底5、围绕固定装置4偏转或弯曲。所述弯曲优选以质量块6围绕固定装置4的初始振动实现，这样的话，就可以在一个平面旋转，或者当涉及一种传感器质量块时，根据所出现的科氏力或加速力实现偏转。弹簧条2与曲折段3的横截面垂直于绘图面，并且可以通过一种可控的方式允许在绘图面中弯曲弹簧条2与曲折段3。根据对质量块6的要求，要么可以通过相应固定的弹簧条结构基本防止弹簧条与曲折段移出绘图面，要么可以通过相应的结构来控制其移出绘图面。对于本发明重要的是，质量块6位于绘图面内。
为了解决该任务，要尽可能提高弯曲弹簧装置1弯曲的线性，要配置两个可以基本平行走向的弹簧条2以及两个曲折段3。这样就可以使弯曲弹簧装置1在围绕固定装置4偏转时，可以在保持基本线性的情况下，达到一个最大预设偏转值。在这种情况下，这意味着，作用到质量块6上的、垂直于绘图面的转矩总是可以在绘图面内产生一个与质量块6的偏转角度大小相同的旋转式偏转，而与质量块6已经在绘图面内的偏转强度无关。弯曲弹簧装置1的弹簧特性曲线——偏转角与所作用的转矩的关系——就可以通过这种预设的最大弯曲路径得到保持。运动的线性可以大大简化结论，该结论是根据质量块6反作用到所作用的转矩和/或作用到相应加速度或转动速率推导出的，这样可以得出明显更好的测量结果。
在图1所示的结构中，曲折段3设置成轻微弧形，其离与其相配的弹簧条2之间具有一个长度为L3的较长纵向段。弹簧条2在固定装置4与曲折段3之间的一段以及在曲折段3与质量块6之间的一段的长度分别为L1与L2，这两段的长度大约相等。因此，在这两段中，弹簧条2的弯曲性能仍然非常大。
图2示出了一种已偏转的弯曲弹簧装置1。其中，两个相互平行走向的弹簧条2进行了各种弯曲。曲折段3短于在图1中的长度，同样也进行了各种弯曲。其中，位于图2下方的曲折段3有点轻微挤压，而上面的曲折段有点轻微拉伸。总之，通过这种方式，就可以在为弯曲弹簧装置1的弯曲所配置的整个偏转区域内实现一种非常好的偏转线性。
在图3中示出了图1的一种改进结构，两个弹簧条2也基本相互平行走向。配置在各弹簧条2上的曲折段3短于在图1结构中所示的曲折段。除此以外，其靠近紧紧固定在衬底5上的固定装置4上。因此，弯曲弹簧装置1的弯曲特性不同于图1与图2所示的弯曲特性。根据在具体情况下的要求，通过改变曲折段3在弹簧条2上的位置以及曲折段3的长度就可以影响弯曲弹簧装置1的硬度以及弯曲弹簧装置1的线性。
不管是在图1所示的结构中，还是在图3所示的结构中，曲折段3的各边之间的间隔a总是小于弹簧条2之间的间隔A。在选择间隔a与A时，以下要求非常重要，即，在弯曲弹簧装置1弯曲至最大位置时，应避免曲折段3的各边或弹簧条2相接触以及避免造成损伤或测量结果错误。
在图4中，示出了图3所示弯曲弹簧装置1的偏转状况。在这里也可以看到，在该图下方画出的曲折段3被挤压，而上面画出的曲折段3有点轻微拉伸。弹簧条2的弯曲线与图2所示弹簧条2的弯曲线明显不同。通过在固定装置4附近配置曲折段3，使位于固定装置4与曲折段3之间的一段弹簧条2弯曲较强，相反，曲折段3与质量块6之间的一段弹簧条2的弯曲没有那么强。
图5示出了弯曲弹簧装置1的一种改进实施例。这里，曲折段3设置在移动的质量块6附近。在这里，固定装置4与曲折段3之间的一段弹簧条2明显长于曲折段3与质量块6之间的一段弹簧条。
图6示出了一种向上的弯曲，一个曲折段3受到挤压，而另一曲折段3却相互分开，与其它实施例中一样，作用到曲折段3上的压应力同样也作用到处于弯曲方向上的曲折段3上。
根据图1至图6可以看出，曲折段3在弹簧条2上的位置可以导致弯曲弹簧装置1的不同弯曲特性。根据对弯曲弹簧装置1的要求，通过曲折段3的配置影响弹簧的弹性特征以及线性。通过这种方式，弯曲弹簧装置1变得更硬以及稍微有点硬或者更有线性以及稍微有点线性。在这种情况下，其目的在于要么可以在规定的最大弯曲范围内保持一种尽可能线性的弹簧，要么保持一种具有精确可调的非线性弹簧。
在图7中，示出了弯曲弹簧装置1的一种改进结构的一个原理草图。弹簧条2到与之相连的部件（例如：固定装置4与质量块6）的过渡是圆滑的。曲折段3具有圆滑过渡。该圆滑过渡有一部分与具有固定半径或可变半径的曲率圆相切。曲折段3具有一定凹陷，通过这种方式可以在拐点形成一个相对较大的曲率圆，而在曲折段3处可以较小地弯曲弹簧。通过这种方式可以降低在过渡处以及各弹簧段内的应力峰值。通过这种方式还可以在发生冲击影响时避免损伤弯曲弹簧装置1。除此以外，圆滑的过渡部分还可以用于均匀而线性地弯曲弯曲弹簧装置1。
在图8中还示出了本发明的一种改进方案。弯曲弹簧装置1具有两个相互平行走向的弹簧条2。在每个弹簧条2上配置有两个曲折段3。弹簧条2在曲折段3的过渡部分以及在曲折段3拐点的过渡部分都具有较小的弯曲，也就是说，其设置有一个相对较大的曲率圆，而弯曲弹簧与这些曲率圆相切。
本发明不限于所示的实施例。例如：两个弹簧条2可以或多或少地相互成锥形走向，另外，本发明还涵盖了一些在权利要求书中提到的结构。

Claims (15)

1.一种用于根据在传感器上所出现的加速力和/或科氏力测定传感器运动的微力学传感器，所述微力学传感器具有一个衬底（5）以及至少一个通过固定装置（4）设置在衬底（5）上并且以围绕固定装置（4）的初始振动平行于衬底（5）移动的质量块（6），其中，质量块（6）与衬底（5）和/或两个相向移动的质量块借助至少一个弯曲弹簧装置（1）相互连接在一起，从而进行相对旋转运动，所述弯曲弹簧装置（1）具有至少两个在固定装置（4）和质量块（6）之间基本相互平行的弹簧条（2），以及在基本垂直于至少两个弹簧条（2）中的每一个的方向上附接的至少一个曲折段（3），因此在质量块与衬底的相对运动期间和/或两个质量块的运动期间，一个曲折段（3）被挤压，而另一个曲折段（3）被拉伸，由此提高弯曲弹簧装置在旋转运动时的线性弹簧特性，从而使其保持预设的最大弯曲路径。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）圆滑过渡至弹簧条（2）。
3.根据以上任一权利要求所述的传感器，其特征在于，弹簧条（2）圆滑过渡至质量块（6）或衬底（5）或衬底（5）上的固定装置（4）中。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，圆滑的过渡部分在走向中具有一种不固定的曲率圆。
5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，圆滑的过渡部分是椭圆形的。
6.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，弹簧条（2）分支过渡至质量块（6）或衬底（5）或衬底（5）上的固定装置（4）中。
7.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）和/或弹簧条（2）具有一个椭圆弯曲。
8.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）与弹簧条（2）偏心布置。
9.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）的各边之间的间隔（a）要比两个弹簧条（2）之间的间隔（A）小。
10.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，两个弹簧条（2）之间的间隔（A）是弹簧条（2）宽度的多倍。
11.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，两个弹簧条（2）的长度（L1+L2）要大于曲折段（3）的各边的长度（L3）。
12.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，双弹簧条（2）的弹簧条（2）和/或曲折段（3）的各边成对称走向。
13.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）具有一种弯曲中心点在内部的曲率圆。
14.根据权利要求13所述的传感器，其特征在于，曲折段（3）具有一种弯曲中心点位于曲折段（3）之外的另外的曲率圆。
15.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述曲折段至活动部件的距离短于其至弯曲弹簧装置（1）固定装置的距离。
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