CN108449950A - 微机械的转速传感器和用于制造该微机械的转速传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械的转速传感器（100），所述微机械的转速传感器具有带旋转振荡轴承（157）的旋转振荡器（140）。所述旋转振荡器（157）包括：摇臂（152）；摇动弹簧棒（154），所述摇动弹簧棒使摇臂（152）与转速传感器（100）的衬底弹性地连接；和两个支承弹簧棒（153），所述支承弹簧棒在摇动弹簧棒（154）的相反侧上使摇臂（152）与旋转振荡器（140）弹性地连接。从另一视角，提供了用于制造这样的微机械的转速传感器（100）的方法。

Description

微机械的转速传感器和用于制造该微机械的转速传感器的 方法

技术领域

本发明涉及一种微机械的转速传感器，尤其是涉及一种具有旋转振荡器的转速传感器。从另一视角，本发明涉及一种用于制造这样的微机械的转速传感器的方法。

背景技术

微机械的转速传感器在汽车领域例如在ESP系统中被用于侧翻感知或者被用于导航目的。转速传感器的任务是准确地测量关于转轴的车辆运动。

文献DE 10 2009 027 897 A1公开了一种具有圆盘形的旋转振荡器的微机械的转速传感器，所述旋转振荡器在通过芯片衬底限定的x-y平面内延伸并且所述旋转振荡器被置于绕着垂直于该平面的转轴（z轴）的旋转振动中。旋转振荡器通过四个弹簧与轮毂连接。弹簧布置在旋转振荡器的圆形的居中的留空部中，轮毂伸入到所述旋转振荡器中。轮毂的背向于旋转振荡器的端部固定地布置在衬底上。

如果转速传感器在振荡体绕着振荡轴的旋转运动期间受到绕着转速传感器的敏感轴（例如x轴）的旋转，那么科里奥利力对振荡轴起作用，所述科里奥利力造成振荡体相对于衬底表面的倾斜。旋转振荡器的倾斜可以借助于测量电极电容式地来探测和分析。

为了可靠地检测转速，值得期望的是：在结构尺寸小的情况下，使通过振荡驱动装置被传递到旋转振荡器上的旋转振动尽可能与由科里奥利力引起的倾斜去耦合。

发明内容

按照另一方面，本发明提供了一种微机械的转速传感器，所述微机械的转速传感器具有带旋转振荡轴承的旋转振荡器。旋转振荡轴承包括：摇臂、摇动弹簧棒-所述摇动弹簧棒使摇臂与转速传感器的衬底弹性地连接-和两个支承弹簧棒，所述支承弹簧棒使摇臂与旋转振荡器在摇动弹簧棒的相反侧上弹性地连接。

按照另一方面，本发明提供了一种用于制造带旋转振荡器的微机械的转速传感器的方法，其包括对旋转振荡轴承的构造。旋转振荡轴承的构造包括如下步骤：构造摇臂；借助于摇动弹簧棒使摇臂与转速传感器的衬底弹性地连接；而且借助于两个支承弹簧棒使摇臂与旋转振荡器在摇动弹簧棒的相反侧上弹性地连接。

本发明的优点。

旋转振荡轴承的结构能够在结构类型紧凑的情况下实现绝对线性的驱动模式，其中在比驱动频率高得多的频率下出现干扰模式（通过驱动装置的耦合被传递到旋转振荡器的能探测到的倾斜上的不符合期望的振荡），使得基于干扰模式，在所探测到的倾斜信号的情况下，通过简单的措施、诸如利用高于驱动频率的极限频率的低通滤波可以可靠地抑制也许被叠加的干扰。

按照一个优选的扩展方案，摇动弹簧棒垂直于摇臂延伸。这能够通过对具有高振幅的振荡的振动的均匀的驱动来实现对旋转振荡器的倾斜的特别可靠的探测。

按照一个优选的扩展方案，支承弹簧棒对称地构造在摇动弹簧棒的相反侧上。经此，在驱动模式下，能够实现特别均匀的、和谐的旋转振荡。

按照一个优选的扩展方案，支承弹簧棒平行于摇动弹簧棒延伸。这能够实现：沿衬底的相同的晶体方向来构造支承弹簧棒、如摇动弹簧棒那样，以便以这种方式特别可靠地抑制驱动模式与探测模式之间的耦合。

按照一个优选的扩展方案，转速传感器还包括：第一驱动块，所述第一驱动块布置在旋转振荡器旁边并且通过第一弹簧耦合到旋转振荡器上；以及第二驱动块，所述第二驱动块布置在旋转振荡器旁边并且通过第二弹簧耦合到旋转振荡器上，其中摇动弹簧棒沿着第一与第二弹簧之间的连接线延伸。在能够实现探测模式，在所述探测模式下，旋转振荡器绕着连接线倾斜并且在此只需要摇动弹簧棒以及第一和第二弹簧的最小变形。这样，在与驱动模式的有效去耦合的情况下，能够在探测模式下实现特别高的偏转。

按照一个优选的扩展方案，旋转振荡轴承还包括：其它摇臂、其它摇动弹簧棒-所述其它摇动弹簧棒使所述其它摇臂与转速传感器的衬底弹性地连接-以及两个其它支承弹簧棒，所述支承弹簧棒在所述其它摇动弹簧棒的相反侧上使所述其它摇臂与旋转振荡器弹性地连接。经此，在驱动模式下，能够实现特别稳定的、均匀的并且和谐的旋转振荡，因为旋转振荡器通过旋转振荡轴承借助于超过一个摇臂得到支撑。优选地，所述摇动弹簧棒和所述其它摇动弹簧棒共线地构造，例如在对称的构造方案中共线地构造。这能够实现探测模式，在所述探测模式下，旋转振荡器绕着延伸经过所述摇动弹簧棒和所述其它摇动弹簧棒的直线倾斜并且在此只需要两者的最小变形。

优选地，旋转振荡器具有第一突出部和第二突出部，所述第一突出部和所述第二突出部在旋转振荡器的留空部中形成，其中两个支承弹簧棒中，一个使所述摇臂与第一突出部连接，而另一个支承弹簧棒使所述摇臂与第二突出部连接，并且两个其它支承弹簧棒中，一个使所述其它摇臂与第一突出部连接，而另一个其它支承弹簧棒使所述其它摇臂与第二突出部连接。这尤其能够实现旋转振荡器的特别节约空间的构造方案。还优选地，第一和第二突出部在留空部的彼此对置的侧面上形成，其中所述摇动弹簧棒使所述摇臂与转速传感器的在第一与第二突出部之间的衬底连接，并且所述其它摇动弹簧棒使所述其它摇臂与转速传感器的衬底在第一与第二突出部之间连接。这以特别简单并且节约空间的方式允许不仅所述摇臂而且所述其它摇臂都与共同的、作为轮毂起作用的衬底定位点连接。

附图说明

其中：

图1示出了按照本发明的一个实施方式的微机械的转速传感器的示意性俯视图，其中未示出固定部分；并且

图2示出了用于按照一个实施方式的微机械的转速传感器的运行方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的一个示例性的实施方式的转速传感器100。图1是具有主延伸平面（x-y平面）的未进一步示出的衬底的俯视图，在所述主延伸平面内，在第一驱动臂113与第二驱动臂123之间布置有第一科里奥利元件110、第二科里奥利元件120和旋转振荡器140。如在图1的左上角以图形（graphisch）说明的那样，在图1中，x方向从上指向下，y方向从左指向右并且z方向从绘图平面指向观察者。

第一和第二科里奥利元件110、120被构造为相同形状和尺寸的矩形的、框架形的结构，所述结构以其长边平行于x方向地来取向并且并排地布置，使得第一科里奥利元件110的长边和第二科里奥利元件120的长边通过间隙来间隔开地彼此对置，其中科里奥利元件110、120的短边成对地彼此对齐。科里奥利元件110、120的框架结构通过如下方式得到：这些科里奥利元件在彼此背开的长边附近分别具有栅形的重量减轻区域，在所述栅形的重量减轻区域中形成纵向地延伸的、只通过薄的隔片彼此分开的留空部（Aussparungen）。

在第一和第二科里奥利元件彼此对齐的、相邻的短边的两对短边上，科里奥利元件110、120通过两个镜面对称的耦合环节101以能彼此移动的方式来耦合。每个耦合环节101都包括摇臂102，所述摇臂在第一和第二科里奥利元件110、120旁边平行于彼此对齐的短边延伸，其中摇臂102的每一端都与短边的中间对置。在耦合环节的摇臂102的两端，耦合环节101分别具有耦合弹簧棒103，所述耦合弹簧棒使摇臂102的端部以最短的路程与相对应的科里奥利元件的对置的短边的中间弹性地连接。此外，耦合环节101包含摇动弹簧棒104，所述摇动弹簧棒从摇臂102的与科里奥利元件110、120之间的间隙对置的中间延伸直至在该间隙中的衬底定位点105，以便摇臂102与衬底弹性地连接。

因此，各个耦合环节101整体上具有“E”的造型，其中摇动弹簧棒104在当前的实施方式中比耦合弹簧棒103更长地来构造。例如，摇动弹簧棒104具有耦合弹簧棒103的两到三倍的长度。

相对于第一科里奥利元件110的远离第二科里奥利元件120地放置的长边，第一驱动臂113沿x方向延伸。科里奥利元件110在该长边上的两个角各以一个第三弹簧114弹性地耦合到驱动臂113上。驱动臂113本身在其各有一个悬挂弹簧130（所述悬挂弹簧分别更靠近第一驱动臂113的背离科里奥利元件110、120的一侧来连接）的两端上在与衬底固定连接的衬底定位点上弹性地悬挂，使得该驱动臂能沿x方向振荡地移动。

在第一驱动臂113的背离科里奥利元件110、120的一侧上构造有多个第一驱动电极载体136、137，所述第一驱动电极载体从第一驱动臂113朝与科里奥利元件110、120相反侧的方向伸长并且基本上平行于y方向延伸。第一驱动电极载体136、137中的每个第一驱动电极载体都承载多个第一驱动电极138、139，所述第一驱动电极平行于x方向地伸展（ausdehnen）。在当前的实施方式中应示例性地假定：驱动臂113包括驱动电极载体136、137和驱动电极138、139在内具有沿z方向恒定的厚度，所述厚度大于驱动电极138、139沿y方向的宽度，并且例如可以等于驱动臂113沿y方向的宽度。借此，各个驱动电极138、139具有平行于x和z方向的平面的伸展。

在当前的实施方式中，沿着第一驱动臂113设置有多个第一驱动电极载体136、137，其中驱动电极载体中的一半136朝向第一驱动臂113的一端分组地来布置并且驱动电极载体的另一半137朝向第一驱动臂113的另一端分组地来布置。在这两个组之间，没有驱动电极载体的区段处在第一驱动臂113的中间。在两组驱动电极载体136、137上的相应的驱动电极138、139分别指向第一驱动臂113的最近的端部的一侧。

第二驱动臂123与第一驱动臂113镜面对称地相对于第二科里奥利元件110的远离第一科里奥利元件120地放置的长边延伸。第二科里奥利元件120在该长边上的两个角各以一个第四弹簧124弹性地耦合到第二驱动臂123上。在第二驱动臂123的背离科里奥利元件110、120的一侧上构造有多个第二驱动电极载体146、147，所述第二驱动电极载体从第二驱动臂123朝与科里奥利元件110、120相反的方向伸长。每个第二驱动电极载体146、147都承载多个第一驱动电极148、149。由于由第一驱动臂113、第三弹簧114和第一科里奥利元件110组成的装置与由第二驱动臂123、第四弹簧124和第二科里奥利元件120组成的装置的镜面对称，进一步详细地参阅了上面的关于第一驱动臂113的实施方案。

在当前的实施方式中，两个驱动臂113、123分别与科里奥利元件110、120的长边的一端齐平地对齐，而伸出超过另一端，其中在科里奥利元件110、120旁边形成的在驱动臂113、123之间的另一空间内布置有旋转振荡器140。利用第一和第二弹簧144、145，旋转振荡器140耦合到第一或第二驱动臂113、123上。在当前的实施方式中，旋转振荡器140具有矩形的轮廓造型（Umrissgestalt），所述矩形的轮廓造型的长边只比短边形成得稍长并且在形成间隙的情况下分别与驱动臂113、123平行延伸地与该驱动臂对置。这能够实现转速传感器的特别紧凑的结构类型（Bauweise）以及结构空间的充分利用。在可替换的实施方式中，旋转振荡器140例如可以正方形地、圆形地或椭圆地来构建（gestaltet）。

在旋转振荡器140的处在旋转振荡器140的几何中心附近的轴位置处，形成旋转振荡轴承157，所述旋转振荡轴承以能振荡旋转的方式绕着沿z方向延伸经过穿过轴位置的衬底定位点155的旋转振荡轴来支撑旋转振荡器140。注意到：在可替换的实施方式中，轴位置也可以准确地处在旋转振荡器140的几何中心或者另一位置中，只要旋转振荡器140可以绕着延伸经过轴位置的旋转振荡轴实施振荡的旋转运动。优选地，旋转振荡器140的重心处在轴位置上。旋转振荡轴承157包括在旋转振荡器140中基本上居中的矩形的留空部（Aussparung）170，衬底定位点155处在所述留空部之内。第一和第二隔片156、166从留空部170的两个对置的边缘朝向衬底定位点155的方向延伸，其中在每个隔片156、166的远端与衬底定位点155之间分别留有间隔（Abstand）。

在留空部170的留在隔片156、166两侧的区域内，旋转振荡轴承157具有第一和第二支承环节151、161，它们中，每个支承环节都使隔片156、166和衬底定位点155彼此连接。每个支承环节151、161都包括摇臂152、162，所述摇臂在隔片156、166和衬底定位点155旁边平行于彼此对齐的隔片156、166延伸，其中摇臂152、162的每个端部都与隔片156、166的端部对置。在每个支承环节的摇臂152、162的两端，每个支承环节151、161分别具有支承弹簧棒153，所述支承弹簧棒使摇臂152的端部以最短的路程与所属的隔片156弹性地连接。此外，每个支承环节151、161都包含摇动弹簧棒154、164，所述摇动弹簧棒从所属的摇臂152、162的分别与衬底定位点155对置的中间延伸直至衬底定位点155，以便使有关的摇臂152、162与衬底弹性地连接。因此，类似于耦合环节101、102地，各个支承环节151、161整体上具有“E”的造型，其中摇动弹簧棒154、164和支承弹簧棒153、163在当前的实施方式中构造得一样长。

在微机械的转速传感器100运行时，驱动电极138、139、148、149和所属的静止电极（未示出）（所述静止电极相对于衬底不能移动并且与驱动电极138、139、148、149分别啮合，衬底定位点105、155也属于所述衬底）这样协调地加载有不同的、随时间交替的电压，使得驱动臂113、123置于反平行的驱动模式150下，在所述反平行的驱动模式下，所述驱动臂沿着x轴实施彼此间相位错开180°的振荡运动。

例如，在具有驱动电极138、139、148、149的驱动臂113保持在恒定的接地电位上期间，借助于电子的控制设备（未示出），首先与指向科里奥利元件110、120的一侧（在图1中向上）的驱动电极138啮合在第一驱动臂113上的静止电极和与指向旋转振荡器140的相反侧（在图1中向下）的驱动电极149啮合在第二驱动臂123上的静止电极相对于地加载有电压，使得第一驱动臂113通过静电力朝在图1中指向上的方向加速，而第二驱动臂123通过静电力朝在图1中指向下的方向加速。紧接着，切断所施加的电压，对此，驱动臂113、123通过悬挂弹簧130的回复力减速并且重新朝初始位置的方向加速。

随后，与在图1中指向上的驱动电极148啮合在第二驱动臂123上的静止电极和与在图1中指向下的驱动电极139啮合在第一驱动臂113上的静止电极相对于地加载有电压，使得第一驱动臂113通过静电力朝在图1中指向下的方向加速，而第二驱动臂123通过静电力朝在图1中指向上的方向加速。紧接着，重新切断所施加的电压，对此，驱动臂113、123首先通过悬挂弹簧130的回复力减速并且接着朝初始位置的方向加速。

在这种情况下，上面的操控可以有利地随时间周期地重复，所述时间周期与反平行的振荡模式150的固有频率基本上一致，在所述反平行的振荡模式下，由第一驱动臂113、第一驱动电极载体136、137和第一驱动电极138、139组成的第一驱动块112和由第二驱动臂123、第二驱动电极载体146、147和第二驱动电极148、149组成的第二驱动块122沿着x轴反相地振荡。在该驱动模式150下，第一科里奥利元件110由于通过第三弹簧114的耦合而实施如下振荡运动，所述振荡运动与第一驱动块112相位错开恒定的角度（例如同相），而第二科里奥利元件由于通过第四弹簧124的耦合而实施如下振荡运动，所述振荡运动与第二驱动块122（例如在如在当前的实施方式中那样对称的构造和操控的情况下）同样相位错开恒定的角度。这意味着：第一科里奥利元件110和第二科里奥利元件120朝与驱动臂平行的方向实施反平行的振荡运动，所述反平行的振荡运动通过经由耦合环节101、102的机械耦合附加地予以稳定。

在上面的反平行的驱动模式150下，旋转振荡器140由于其通过第一和第二弹簧144、145的耦合而被置于绕着沿z方向延伸经过旋转振荡轴承157的衬底定位点155的轴的振荡的旋转运动中。通过一方面第一弹簧144、旋转振荡器140和第二弹簧145以及另一方面第三弹簧114、第一科里奥利元件110、耦合环节101、第二科里奥利元件120和第四弹簧124，在第一与第二驱动块112、122的振荡运动之间得到机械耦合，所述机械耦合使反平行的驱动模式150稳定。

如果转速传感器100在连续实施反平行的驱动模式150的情况下绕着x轴旋转，那么有如下转矩对旋转振荡器140起作用，所述转矩使旋转振荡器140绕着经过第一和第二弹簧144、145、衬底定位点155以及支承环节151、161的摇动弹簧棒154、164的倾斜轴从主延伸平面偏转。

如果转速传感器100绕着y轴旋转，那么有力对科里奥利元件110、120起作用，所述力使这些科里奥利元件朝彼此相反的方向从主延伸平面偏转。在此，通过使耦合环节101的摇臂102绕着所属的摇动弹簧棒104倾斜，在两个科里奥利元件110、120的偏转之间进行稳定的机械耦合。

如果转速传感器100绕着z轴旋转，那么有力对科里奥利元件110、120起作用，所述力使这些科里奥利元件朝彼此相反的方向平行于y轴地偏转。在此，通过使耦合弹簧棒103弯曲，在两个科里奥利元件110、120的偏转之间进行稳定的机械耦合。对科里奥利元件110、120和旋转振荡器140的偏转的探测可以在上面的情况下能够分别通过在适当地定位的测量电极（未示出）处的电容变化来进行。

图2示出了针对用于制造带旋转振荡器的微机械的转速传感器、例如上文描述的来自图1的转速传感器100的方法的流程图，其包括对用于旋转振荡器的旋转振荡轴承的构造。

在步骤200-206中，转速传感器借助于微机械过程来制造，所述微机械过程同时构造转速传感器的不同的元件。详细地，在步骤200中构造旋转振荡器，而在与步骤200同时进行的步骤202、204、206中构造旋转振荡轴承。在步骤202中构造摇臂。在步骤204中，摇臂借助于摇动弹簧棒与转速传感器的衬底弹性地连接。在步骤206中，摇臂和旋转振荡器借助于两个支承弹簧棒在摇动弹簧棒的相反侧上弹性地连接。

根据转速传感器的准确的造型，该方法包括对其它组成部分的制造。例如，在制造来自图1的转速传感器100的情况下可以规定：在步骤200中构造第一和第二驱动臂，所述第一和第二驱动臂沿着旋转振荡器的相反侧来布置，通过所属的弹簧耦合到旋转振荡器上以及支承驱动电极。针对旋转振荡轴承，在步骤202中还可以构造其它摇臂，并且在步骤204中，所述其它摇臂可以借助于所属的其它摇动弹簧棒与衬底弹性地连接。在步骤206中，不仅所述摇臂而且所述其它摇臂都可以分别借助于两个支承弹簧棒在有关的摇动弹簧棒的相反侧上与旋转振荡器弹性地连接。

在步骤200-206的微机械过程之前和之后，可以设置其它方法步骤。注意到：在图2中，步骤200-206虽然被示出为同时进行，但是在可替换的实施方式中，在适当的微机械或者其它制造方法的范围内，例如也可以一个接一个地执行。

Claims (10)

1.微机械的转速传感器（100），其具有带旋转振荡轴承（157）的旋转振荡器（140），所述旋转振荡轴承包括：

摇臂（152）；

摇动弹簧棒（154），所述摇动弹簧棒使所述摇臂（152）与所述转速传感器（100）的衬底（155）弹性地连接；以及

两个支承弹簧棒（153），所述两个支承弹簧棒在所述摇动弹簧棒（154）的相反侧上使所述摇臂（152）与所述旋转振荡器（140）弹性地连接。

2.根据权利要求1所述的转速传感器（100），其中所述摇动弹簧棒（154）垂直于所述摇臂（152）延伸。

3.根据权利要求1或2所述的转速传感器（100），其中所述支承弹簧棒（153）对称地构造在所述摇动弹簧棒（154）的相反侧上。

4.根据上述权利要求之一所述的转速传感器（100），其中所述支承弹簧棒（153）平行于所述摇动弹簧棒（154）延伸。

5. 根据上述权利要求之一所述的转速传感器（100），所述转速传感器还包括：

第一驱动块（112），所述第一驱动块布置在所述旋转振荡器（140）旁边并且通过第一弹簧（144）耦合到所述旋转振荡器（140）上；以及

第二驱动块（122），所述第二驱动块布置在所述旋转振荡器（140）旁边并且通过第二弹簧（145）耦合到所述旋转振荡器（140）上；

其中所述摇动弹簧棒（154）沿着所述第一与第二弹簧（144、145）之间的连接线延伸。

6.根据上述权利要求之一所述的转速传感器（100），其中所述旋转振荡轴承（157）还包括：

其它摇臂（162）；

其它摇动弹簧棒（164），所述其它摇动弹簧棒使所述其它摇臂（162）与所述转速传感器（100）的衬底（155）弹性地连接；以及

两个其它支承弹簧棒（163），所述两个其它支承弹簧棒在所述其它摇动弹簧棒（164）的相反侧上使所述其它摇臂（162）与所述旋转振荡器（140）弹性地连接。

7.根据权利要求6所述的转速传感器（100），其中所述摇动弹簧棒（154）和所述其它摇动弹簧棒（164）共线地来构造。

8.根据上述权利要求之一所述的转速传感器（100），其中：

所述旋转振荡器（140）具有所述旋转振荡器（140）的第一突出部（156）和第二突出部（166）；

所述支承弹簧棒（153）使所述摇臂（152）与所述第一或第二突出部（156、166）连接；而且

所述其它支承弹簧棒（163）使所述其它摇臂（162）与所述第一或第二突出部（156、166）连接。

9. 根据权利要求8所述的转速传感器（100），其中：

所述第一和第二突出部（156、166）在所述旋转振荡器（140）的留空部（170）的彼此对置的侧面上形成；以及

所述摇动弹簧棒（154）使所述摇臂（152）并且所述其它摇动弹簧棒（164）使所述其它摇臂（162）与所述转速传感器（100）的衬底（155）在所述第一与第二突出部（156、166）之间连接。

10.用于制造微机械的转速传感器（100）的方法，所述微机械的转速传感器具有旋转振荡器（140），所述旋转振荡器包括利用如下步骤对旋转振荡轴承（157）的构造：

构造（200）摇臂（152）；

借助于摇动弹簧棒（154）使所述摇臂（152）与所述转速传感器（100）的衬底（155）弹性地连接（202）；并且

借助于两个支承弹簧棒（153）使所述摇臂（152）与所述旋转振荡器（140）在所述摇动弹簧棒（154）的相反侧上弹性地连接（204）。