CN102735229B - 旋转速率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有第一科氏元件和第二科氏元件的旋转速率传感器和用于运行该旋转速率传感器的方法，其中，所述旋转速率传感器具有带有主延伸平面的衬底，所述旋转速率传感器具有用于平行于第二轴驱动所述第一科氏元件的第一驱动元件，所述旋转速率传感器具有用于平行于第二轴驱动所述第二科氏元件的第二驱动元件，所述旋转速率传感器具有用于检测所述第一科氏元件和所述第二科氏元件由于科氏力而平行于第一轴的偏转的检测装置，所述第二轴垂直于所述第一轴设置，所述第一轴和所述第二轴平行于所述主延伸平面设置，并且所述第一驱动元件和所述第二驱动元件通过驱动耦合元件机械地相互耦合。

Description

旋转速率传感器

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的旋转速率传感器。

背景技术

这样的旋转速率传感器是广泛公知的。例如由文献DE 10108196 A1公开了一种旋转速率传感器，其中，该旋转速率传感器具有科氏元件，这些科氏元件被驱动元件包围，驱动元件在彼此相向的侧上中断。科氏元件和驱动元件与弹簧连接。驱动元件借助弹簧与支承体连接。另外设有活动电极、固定电极和用于固定电极的支承体。两个科氏元件借助耦合弹簧连接。为了检测科氏元件的偏转，在框架形的科氏元件的内部分别设有框架形的检测元件。检测元件同样被实施为矩形的框架结构，它们借助带有支承体的弹簧元件与衬底连接。弹簧元件在X方向上是软的且在Y方向上是刚性的并且由此基本上仅允许这些检测框架能在X方向偏转。检测框架通过弹簧元件与相应的科氏元件连接。弹簧元件在Y方向上是软的且在X方向上是刚性的并且传递X方向上的科氏力。在检测框架的内部设有格栅形的检测电极。具有垂直于衬底的旋转轴线(Z方向)的旋转速率导致一个力作用，该力作用导致科氏元件沿着X轴线的逆平行且共线的检测振动。科氏元件参与该振动并且将其运动传递给检测振动器(检测元件)；驱动元件不参与检测振动。两个检测元件借助位于它们之间的结构相互耦合。该结构不仅耦合科氏元件的驱动运动而且耦合科氏元件的检测运动。除了所谓的使用模式(驱动模式和检测模式)外，根据现有技术的旋转速率传感器还具有另外的振动模式，即所谓的干扰模式。干扰模式不利地导致与使用模式的叠加并且能够导致错误信号。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种旋转速率传感器，它不具有现有技术的缺点并且在该旋转速率传感器中尤其是在很大程度上抑制了干扰模式或者使干扰模式位于比较高的频率中。

根据并排权利要求的根据本发明的旋转速率传感器和根据本发明的用于运行旋转速率传感器的方法相对于现有技术具有优点：干扰模式在很大程度上被抑制或者位于比较高的频率中，由此能够在频率范围中实现使用模式和干扰模式的比较明显的分开。由此有利地实现比较少的干扰模式激励，使得旋转速率传感器的运行比较稳定。

旋转速率传感器优选被构造为微机电系统(MEMS)。衬底优选为半导体衬底并且特别优选由硅材料制成。对科氏元件的振动激励优选借助驱动元件上的静电式梳形驱动装置实现。对科氏力的检测优选如下地实现：科氏元件和/或检测元件具有活动电极，这些活动电极与固定电极相对地设置。

本发明的有利设计方案和扩展构型能够由权利要求书以及参照附图的说明得出。

根据一种优选实施方式规定，驱动耦合元件具有第一驱动耦合子元件和第二驱动耦合子元件，其中，第一驱动耦合子元件和/或所述第二驱动耦合子元件优选具有梁结构并且特别优选具有T形结构和/或V形结构。由此能够有利地实现干扰模式和使用模式的比较好的分开。通过使用优选相对于旋转轴线纵轴线对称地设置的两个驱动耦合子元件能够实现比较稳定的运行。

根据另一种优选的扩张构型，驱动耦合元件与衬底机械地耦合。由此能够实现干扰模式和使用模式的比较好的分开以及旋转速率传感器的比较稳定的运行。在衬底上的固定能够使干扰模式向着比较高的频率移动。

根据另一种优选的扩张构型，驱动耦合元件构造得相对于围绕第三轴的旋转比相对于围绕所述第一轴的旋转更软，其中，所述第三轴垂直于所述主延伸平面设置，所述驱动耦合元件构造得在所述第二轴上比在所述第一轴上更刚性。由此有利地使逆平行的使用模式向着低频率移动并且使平行的干扰模式向着高频率移动。

根据另一种优选的扩展构型，检测装置具有第一检测子元件和第二检测子元件，其中，所述第一检测子元件和所述第二检测子元件通过检测耦合元件机械地相互耦合。通过检测子元件的耦合有利地使逆平行的使用模式向着低频率移动并且使平行的干扰模式向着高频率移动。

根据另一种优选的扩展构型，所述检测耦合元件与所述衬底机械地耦合。在衬底上的固定能够使干扰模式向着高频率移动。

根据另一种优选的扩展构型，检测耦合元件具有至少一个第一检测耦合子元件和至少一个第二检测耦合子元件，其中，优选所述第一检测耦合子元件和/或所述第二检测耦合子元件具有梁结构并且特别优选具有L形结构和/或T形结构。通过使用多个检测耦合子元件有利地使逆平行的使用模式向着低频率移动并且使平行的干扰模式向着高频率移动。

根据另一种优选的扩展构型，检测耦合元件构造得相对于围绕所述第三轴的旋转比相对于围绕所述第一轴的旋转更软，其中，所述检测耦合元件构造得在所述第二轴上比在所述第一轴上更刚性。由此有利地使逆平行的使用模式向着低频率移动并且使平行的干扰模式向着高频率移动。

本发明的另一个主题涉及一种用于运行包括第一科氏元件和第二科氏元件并且包括具有主延伸平面的衬底的旋转速率传感器的方法，其中，通过第一驱动元件激励所述第一科氏元件作平行于第二轴的第一振动，通过第二驱动元件激励所述第二科氏元件作平行于所述第二轴的第二振动，第一激励装置与第一驱动元件连接，第二激励装置与第二驱动元件连接，通过检测装置检测所述第一科氏元件和所述第二科氏元件平行于第一轴的偏转，所述第二轴垂直于所述第一轴设置，所述第一轴和所述第二轴平行于所述主延伸平面设置，其中，所述第一振动和所述第二振动通过驱动耦合元件机械地相互耦合。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中详细地阐述。附图示出：

图1示出根据本发明的示例性实施方式的旋转速率传感器，

图2a、2b、2c示出根据本发明的另一实施方式的旋转速率传感器，

图3a，3c示出根据本发明的两个另外的实施方式的旋转速率传感器，

图3b示出根据本发明的另一实施方式的细节视图，

图4示出根据本发明的另一实施方式的旋转速率传感器，

图5a、5b、5c示出本发明的另一实施方式的细节视图，

图6a示出根据本发明的另一实施方式的旋转速率传感器，和

图6b、6c示出本发明的另外的实施方式的细节视图。

具体实施方式

在不同的图中相同的部件始终用相同的附图标记表示并且因此通常也分别仅命名或提到一次。

图1示出根据本发明的示例性实施方式的旋转速率传感器1。在图1中示出具有主延伸平面(X-Y平面)的未详细示出的衬底的俯视图，在该主延伸平面中设有第一科氏元件100和第二科氏元件200。第一和第二科氏元件100、200被构造为框架形的结构，它们在彼此相向的侧上中断。科氏元件100、200被驱动元件102、202包围，这些驱动元件在彼此相向的侧上中断。旋转速率传感器对称地构成，使得在下面——当可能时——出于简化的原因仅描述旋转速率传感器的左侧。右侧相对于左侧对称地构成。科氏元件100和驱动元件102与弯曲弹簧103连接。弯曲弹簧103这样地设计，即弯曲弹簧被构造为在X方向上是软的并且在Y方向上是刚性的。驱动元件102借助弹簧107与支承体106连接，该支承体与衬底固定地连接。弹簧107这样地设计，即它们被构造为在Y方向上是软的且在X方向上是软的。在驱动元件102、202上设有活动电极104、204，它们梳状地作用到固定电极(未示出)中，固定电极通过支承体(未示出)与衬底固定地连接。

通过在活动电极104、204和固定电极之间施加电压来激励驱动元件102、202振动。相应地，科氏元件100、200也被驱动作振动。科氏元件100、200的重心然后分别在平行于Y轴的轴线上运动。两个科氏元件100、200的运动由此在相互平行地构成的轴线上进行。在此重心在没有科氏力作用的情况下(即在衬底没有围绕垂直于衬底的轴线的旋转运动的情况下)在相互平行的直线上运动。如果在此衬底围绕Z轴旋转，即围绕垂直于衬底的轴旋转，则在科氏元件100、200中的每个上作用垂直于旋转轴Z且垂直于运动轴Y的科氏力。这些力这时在X方向上作用。

活动电极104、204与固定电极和驱动元件102、202一起由此成形激励装置，通过激励装置激励科氏元件100、200作振动，在振动中重心的振动轴线相互平行地定向。驱动元件102、202直线地且反相地在X-Y平面中被驱动。

为了检测科氏元件100、200在Z方向上(垂直于X-Y平面)的偏转，在框架形的科氏元件100、200中分别设有框架形的检测装置140、240。检测装置140、240被实施为矩形的框架结构，它们借助弹簧元件141与支承体106’以及与衬底连接。弹簧元件141设计为在X方向上是软的且在Y方向上是刚性的。检测框架140、240通过弹簧元件142与相应的科氏元件100、200连接。弹簧元件142设计为在Y方向上是软的且在X方向上是刚性的并且由此特别好地传递X方向上的科氏力。在检测框架140、240的内部设有格栅形的检测电极143，它们仅被示意表示。栅格形的检测电极143设置在未示出的固定电极之间，这些固定电极通过支承装置固定在衬底上并且不能相对于衬底运动。

根据本发明，第一驱动元件102和第二驱动元件202通过具有驱动耦合子元件301、302的驱动耦合元件相互连接。在该实施例中，驱动耦合子元件301、302对称地构成，因此仅详细地描述驱动耦合子元件301。该驱动耦合子元件301具有一抗弯梁312和三个柔性梁311、314、316，这些柔性梁通过支承部位313、315与衬底固定连接。梁312通过梁311、316与驱动元件102、202固定地连接。通过经由驱动耦合子元件301、302的耦合能有利地实现：逆平行的振动模式(使用模式)比平行的振动模式频率更低。

优选地，框架形的检测装置140、240通过具有四个相同类型的检测耦合子元件31、31’(在下面也称为转向结构)的检测耦合元件400相互连接，这些检测耦合子元件相对于两个对称轴相互对称地设置并且在下面的图中详细地描述。通过检测装置140、240的经由检测耦合元件400的耦合有利地实现：逆平行的振动模式(使用模式)比平行的振动模式频率更低。

一种优选实施方式是这样的旋转速率传感器，其中科氏框架是打开的并且检测元件借助专门的耦合结构(万向节十字头)相互连接。该耦合结构具有4个(L或T形的)转向角部和一个中心的衬底连接部。通过该实施方式在以下意义上抑制了干扰模式，即干扰模式在其频率位置方面比使用模式高。使用模式和干扰模式在频率范围中的改进的分开会导致干扰模式的较小激励并且由此导致稳定的运行。两个子振动器的驱动运动的耦合通过科氏振动器之间的分开的耦合结构(T形)实现。

优选地，旋转速率传感器具有至少两个具有梳形结构的驱动振动器，这些梳形结构直线地且反相地在平面中运动并且借助耦合结构耦合，使得逆平行的振动模式比平行的振动模式频率更低。优选的是至少两个在平面中直线运动的科氏振动器。还优选至少两个检测振动器，它们直线地在平面中运动和/或借助具有至少一个衬底连接部的万向节十字头耦合，使得逆平行的振动模式比平行的振动模式频率更低(使用模式＝逆平行的振动形状)。

驱动振动器优选借助转向/耦合结构相互耦合。这些结构具有弯曲梁以及刚性梁和衬底连接部。检测振动器优选借助位于它们之间的结构(万向节十字头)直接相互耦合。万向节十字头又优选由四个转向结构构成，这些转向结构分别执行旋转运动。转向结构(T或L形)优选悬挂在U弹簧或简单的弯曲梁上，U弹簧或弯曲梁在中心相遇并且锚固在衬底上。检测振动器直线地彼此相向或相互远离地运动。通过万向节十字头的专门形状得出：逆平行的振动模式比平行的振动模式频率更低。

优选地，旋转速率传感器具有用于共线(即彼此相向或相互远离地振动)的反相的振动的耦合结构(所谓的万向节十字头)。优选地，旋转速率传感器附加地具有用于非共线(即相互从旁边扫过)的逆平行(反相)的运动的耦合结构。变换地，驱动和检测运动能够相互交换(颠倒的运行)。优选地，科氏元件构造为框架，其中，特别优选这些框架是敞开的并且驱动元件借助T形结构机械地耦合。

在图2a、2b、2c中示出在驱动运动的三个不同振动位置中的根据本发明的旋转速率传感器。虚线箭头表示驱动结构的运动方向。作为虚线圆表示可选的检测耦合元件，该检测耦合元件在此没有被进一步描述。对于时间点t＝0，旋转速率传感器位于在图2a中所示的位置中。对于时间点t＝T/4(T代表振动周期)，旋转速率传感器位于在图2b中所示的位置中。对于时间点t＝T/2，旋转速率传感器位于在图2c中所示的位置中。

图3a示出根据本发明的另一种实施方式的旋转速率传感器。作为虚线圆表示可选的检测耦合元件，该检测耦合元件在此未被进一步描述。与图1的实施方式相比，驱动耦合子元件301、302构造得较小，即在驱动元件上的固定点的距离比较小。由此能够有利地实现驱动耦合子元件301、302的比较紧凑的结构形式。在该实施例中，驱动耦合子元件301、302基本上设置在被驱动元件201、202包围的区域外部。图3c示出根据本发明的另一种实施方式的旋转速率传感器。与图3a的实施方式相比，驱动耦合子元件301、302基本上设置在被驱动元件102、202包围的区域内部，由此能够有利地实现旋转速率传感器的比较紧凑的结构方式。优选地，T形的耦合结构相互比较近地设置并且特别优选设置在驱动元件之间。

图3b示出根据示例性实施方式的驱动耦合子元件301的细节视图。T形的元件301包括弯曲梁21，该弯曲梁通过锚固点7固定在衬底上。在弯曲梁21的另一个端部上在中心且横向地连接一刚性梁22，在该刚性梁的端部上又设有弯曲梁23，该弯曲梁安置在驱动元件上。

图4示出根据本发明的另一种实施方式的旋转速率传感器。作为虚线圆表示可选的检测耦合元件，该检测耦合元件在此没有进一步被描述。在该实施方式中，驱动耦合子元件301、302构造为V形。

图5a、5b、5c示出本发明的另外的实施方式的细节视图。图5a示出图1的例如检测耦合元件400的检测耦合子元件31(转向结构)。该检测耦合子元件31具有L形的、刚性的、臂相同的梁32。梁32通过两个在中点相遇的U弹簧33与衬底固定地连接(支承部位7)。在梁32的端部上连接弯曲梁34，弯曲梁通入到抗弯梁35中。通过检测耦合子元件31求得围绕旋转点40的旋转运动(图5b)。图5c示出检测耦合元件400的变换实施方式，其中，检测耦合元件400具有带有臂不同的梁的检测耦合子元件。

图6a示出根据另一种示例性实施方式的旋转速率传感器。与图1的实施方式相比，检测耦合元件由检测耦合子元件31构成，检测耦合子元件如在图6b的细节视图中具有直线的抗弯梁32并且在中心通过弯曲梁36锚固在衬底上(支承部位7)。变换地，抗弯梁也可以构造为L形的(图6c)。

Claims (9)

1.具有第一科氏元件(100)和第二科氏元件(200)的旋转速率传感器(1)，其中，所述旋转速率传感器(1)具有带有主延伸平面的衬底，所述旋转速率传感器(1)具有用于平行于第二轴(Y)驱动所述第一科氏元件(100)的第一驱动元件(102)，所述旋转速率传感器(1)具有用于平行于第二轴(Y)驱动所述第二科氏元件(200)的第二驱动元件(202)，所述旋转速率传感器(1)具有用于检测所述第一科氏元件(100)和所述第二科氏元件(200)由于科氏力而平行于第一轴(X)的偏转的检测装置(140，240)，所述第一轴(X)垂直于所述第二轴(Y)设置，所述第一轴(X)和所述第二轴(Y)平行于所述主延伸平面设置，其中，所述第一驱动元件(102)和所述第二驱动元件(202)通过驱动耦合元件(301，302)机械地相互耦合，其中，所述驱动耦合元件(301，302)直接与所述衬底机械地耦合。

2.根据权利要求1所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述驱动耦合元件(301，302)具有第一驱动耦合子元件(301)和第二驱动耦合子元件(302)。

3.根据以上权利要求1或2所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述第一驱动耦合子元件(301)和/或所述第二驱动耦合子元件(302)具有梁结构。

4.根据权利要求1或2所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述驱动耦合元件(301，302)被构造得相对于围绕第三轴(Z)的旋转比相对于围绕所述第一轴(X)的旋转更软，其中，所述第三轴(Z)垂直于所述主延伸平面设置，所述驱动耦合元件(301，302)被构造得在所述第二轴(Y)上比在所述第一轴(X)上更刚性。

5.根据权利要求1或2所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述检测装置具有第一检测子元件(140)和第二检测子元件(240)，其中，所述第一检测子元件(140)和所述第二检测子元件(240)通过检测耦合元件(400)机械地相互耦合。

6.根据权利要求5所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述检测耦合元件(400)与所述衬底机械地耦合。

7.根据权利要求6所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述检测耦合元件(400)具有至少一个第一检测耦合子元件(31)和至少一个第二检测耦合子元件(31’)，其中，优选所述第一检测耦合子元件(31)和/或所述第二检测耦合子元件(31’)具有梁结构。

8.根据权利要求4所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述检测耦合元件(400)被构造得相对于围绕所述第三轴(Z)的旋转比相对于围绕所述第一轴(X)的旋转更软，其中，所述检测耦合元件(400)被构造得在所述第二轴(Y)上比在所述第一轴(X)上更刚性。

9.用于运行包括第一科氏元件(100)和第二科氏元件(200)并且包括具有主延伸平面的衬底的旋转速率传感器(1)的方法，其中，通过第一驱动元件(102)激励所述第一科氏元件(100)作平行于第二轴(Y)的第一振动，通过第二驱动元件(202)激励所述第二科氏元件(200)作平行于所述第二轴(Y)的第二振动，通过检测装置(140，240)检测所述第一科氏元件(100)和所述第二科氏元件(200)平行于第一轴(X)的偏转，所述第二轴(Y)垂直于所述第一轴(X)设置，所述第一轴(X)和所述第二轴(Y)平行于所述主延伸平面设置，其中，所述第一振动和所述第二振动通过驱动耦合元件(301，302)机械地相互耦合，其中，所述驱动耦合元件(301，302)直接与所述衬底机械地耦合。