TW201730517A

TW201730517A - 微機械旋轉速率感測器及其操作方法

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Publication number: TW201730517A
Application number: TW105137848A
Authority: TW
Inventors: 克里斯堤安霍普納; 班傑明施米德; 弗李德喬夫霍以克; 米爾科哈塔斯; 歐德雅克普魯茲; 藍哈德諾爾; 羅伯特茂爾; 羅夫謝本; 托斯頓歐姆斯
Original assignee: 羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-09-01
Also published as: US10753743B2; EP3377855A1; US10753742B2; KR20180084802A; WO2017084918A1; CN108449950B; EP3377855B1; EP3377856B1; US20180321039A1; CN108449949A; CN108449950A; JP6632726B2; DE102016213877A1; CN108449949B; EP3377856A1; WO2017084950A1; DE102016213870A1; JP2018538530A; TWI708042B; US20190056226A1

Abstract

本發明係產生一種微機械的旋轉速率感測器(100)，其係具有一第一科氏元件(110)；一第一驅動樑(113)，其係沿著該第一科氏元件(110)來加以配置，並且經由一第一彈簧(114)而被耦接至該第一科氏元件(110)；以及一第一驅動電極載體(136、137)，其係從該第一驅動樑(113)延伸在與該第一科氏元件(120)相反的方向上，並且載有複數個平行於該第一驅動樑(113)延伸的第一驅動電極(138、139)。從更進一步角度來說，一種用於操作此種微機械的旋轉速率感測器(100)之方法係加以提出。

Description

微機械旋轉速率感測器及其操作方法

本發明係有關於一種微機械的旋轉速率感測器，尤其是有關於一種具有振動的科氏(Coriolis)元件之旋轉速率感測器。從更進一步角度來說，本發明係有關於一種用於操作此種微機械的旋轉速率感測器之方法。

具有科氏元件，亦即具有被驅動振動的質量塊之微機械的旋轉速率感測器一般是已知的，該些科氏元件係因為在該旋轉速率感測器的旋轉期間作用在該些質量塊上的科氏力而遭受到一偏轉。因此，一已知的微機械的旋轉速率感測器係具有一振動主體，該振動主體係延伸在一x-y平面中，並且使其沿著一位於此平面中的物理軸(例如x軸)進行一線性振動。在繞著一垂直於該平面的旋轉軸(z軸)旋轉的期間，該科氏力係導致該振動主體在一方向(y軸)上的一位移，該方向係在垂直於該振動軸(x軸)的平面中。此位移可以藉助於量測電極來加以電容性地偵測及評估。

如同在DE 10 2011 006 394 A1中所揭露的，此種旋轉速率感測器例如是包括一第一科氏元件以及一第二科氏元件，並且亦包括一耦接元件，其係在一反平行的驅動模式中將該第一科氏元件以及該第二科氏元件彼此機械式地耦接。該些科氏元件係由彼此耦接的U形驅動元件所圍繞，其係在該些分別面對的側邊上穿孔的，並且在該些分支上具有可動的電極，該些可動的電極係向外地突出並且以梳子的方式接觸靜止的電極，而該些靜止的電極係藉由軸承塊而穩固地連接至一基板。

對於許多的應用而言，減小該旋轉速率感測器所需的整體空間是所期望的。

於是，一種微機械的旋轉速率感測器係被提出，其係具有：一第一科氏元件；一第一驅動樑，其係沿著該第一科氏元件而被配置，並且經由一第一彈簧來耦接至該第一科氏元件；以及一第一驅動電極載體，其係從該第一驅動樑延伸在與該第一科氏元件相反的方向上，並且載有複數個平行於該第一驅動樑延伸的第一驅動電極。該些平行於該驅動樑延伸的驅動電極例如是藉由靜止的電極，用一梳子的方式來觸及該些第一驅動電極，而允許該驅動樑能夠在平行於該驅動樑的方向上的一振動驅動。

從更進一步角度來說，一種用於操作此種微機械的旋轉速率感測器之方法係被提出。

本發明的優點

該驅動電極載體係從該驅動樑延伸在與該第一科氏元件相反的方向上的實際狀況係表示該科氏元件可以在不被載有驅動電極的驅動元件所圍繞下加以驅動。因此，該科氏元件的尤其與該驅動樑呈直角延伸的側邊可以保持自由的，此係在平行於該驅動樑的方向上允許有一特別小型的旋轉速率感測器的設計。此外，沿著該驅動樑的背對該第一科氏元件的側邊，因為在此側邊上沒有該科氏元件的關係，所以一較大數量的驅動電極載體可加以設置，其動作係相加的，因而每一個別的驅動電極載體只需要載有小數量的驅動電極，因而具有短的長度。因此，本發明的旋轉速率感測器亦在與該驅動樑呈直角的方向上允許有一小型的設計。

根據一較佳的發展，該微機械的旋轉速率感測器亦包括：一第二科氏元件，其係在背對該第一驅動樑的側邊上，被配置在該第一科氏元件的旁邊；以及一耦接元件，其係耦接該第一科氏元件以及該第二科氏元件以形成一反平行的驅動模式。例如，在該反平行的驅動模式中，該第一及第二科氏元件係在平行於該驅動樑的方向上執行一反平行的振動運動。

較佳的是，該耦接元件係包括：一搖擺樑，其係與該第一驅動樑呈直角地延伸在該第一及第二科氏元件的旁邊，並且分別是經由一耦接彈簧桿而用一彈簧支撐的方式來耦接至該第一及第二科氏元件；以及一搖擺彈簧桿，其係用一彈簧支撐的方式來將該搖擺樑連接至一被置放在該第一及第二科氏元件之間的錨定點。除了該耦接以形成該反平行的驅動模式之外，此實施方式係使得同時耦接該些科氏元件以在該旋轉速率感測器的其中該驅動樑以及該些科氏元件被配置的主要的延伸平面中形成一反平行的偵測模式、以及進一步離開該主要的延伸平面以形成一反平行的偵測模式成為可能的。以此種方式，在一種極其小型的設計下，該旋轉速率感測器係能夠偵測針對於繞著一第一旋轉軸(其係與該主要的延伸平面呈直角地延伸)的旋轉以及繞著一第二旋轉軸(其係在該主要的延伸平面中，與該驅動樑呈直角地延伸)的旋轉之個別的旋轉速率。

根據一較佳的發展，該些第一驅動電極係分別延伸在該第一驅動樑的一最接近的端的方向上。以此種方式，該驅動樑係在操作期間處於張緊狀態，此係容許有較大的機械穩定性。

根據一較佳的發展，該第一驅動樑係用一彈簧支撐的方式，被懸吊在固定至個別的端的懸吊彈簧上。因此，該驅動樑的機械式懸吊係以一種簡單的方式來加以達成，並且進一步使得該驅動樑在操作期間執行一特別規則的振動運動成為可能的，該振動運動係由該彈簧的彈簧常數所決定的。該些懸吊彈簧較佳的是被固定至該驅動樑而較靠近與該第一科氏元件相反的側邊。該驅動電極載體係位在此側邊上，因而該懸吊係有利地在重心的附近加以做成。

根據一較佳的發展，亦設置有：一旋轉的振動器，其係被配置在該第一驅動樑的面對該第一科氏元件的側邊上而在該第一及第二科氏元件的旁邊；以及一第三彈簧，其係用一彈簧支撐的方式來將該旋轉的振動器耦接至該第一驅動樑。此係允許該待被偵測的旋轉的振動器繞著另一旋轉軸的旋轉。由於該旋轉的振動器係被配置在該驅動樑的面對該第一科氏元件的側邊上而在該些科氏元件的旁邊，因此該驅動樑在一沿著該些科氏元件以及該旋轉的振動器延伸的整體低的整體空間內可被設計成是特別長的，此係進一步穩定化該驅動運動。

根據一較佳的發展，該微機械的旋轉速率感測器亦包括一第二驅動樑，其係平行於該第一驅動樑，沿著該第二科氏元件的背對該第一科氏元件的側邊來加以配置，並且經由一第二彈簧而被耦接至該第二科氏元件。以此種方式，該驅動可以從兩側用一種特別平衡的方式來加以提供，同時經由該第一彈簧、該第一科氏元件、該耦接元件、該第二科氏元件以及該第二彈簧，該些驅動樑至彼此的穩定化該驅動的機械式耦接亦加以達成。較佳的是，一第二驅動電極載體亦加以設置，其係從該第二驅動樑延伸在與該第一科氏元件相反的方向上，並且載有複數個平行於該第二驅動樑延伸的第二驅動電極。因此，該些驅動樑可以為了一特別平衡的驅動而對稱地加以設計，同時該旋轉速率感測器在平行於該驅動樑的方向上的特別小型的設計亦被保有。

100‧‧‧旋轉速率感測器

101‧‧‧耦接元件

102‧‧‧搖擺樑

103‧‧‧耦接彈簧桿

104‧‧‧搖擺彈簧桿

105‧‧‧基板錨定點

110‧‧‧第一科氏元件

112‧‧‧第一驅動質量塊

113‧‧‧第一驅動樑

114‧‧‧第一彈簧

120‧‧‧第二科氏元件

120‧‧‧第二驅動質量塊

123‧‧‧第二驅動樑

124‧‧‧第二彈簧

130‧‧‧懸吊彈簧

136、137‧‧‧第一驅動電極載體

138、139‧‧‧第一驅動電極

140‧‧‧旋轉的振動器

144‧‧‧第三彈簧

145‧‧‧第四彈簧

146、147‧‧‧第二驅動電極載體

148、149‧‧‧第一驅動電極

150‧‧‧反平行的驅動模式

151‧‧‧安裝元件

152‧‧‧搖擺樑

153‧‧‧安裝彈簧桿

154‧‧‧搖擺彈簧桿

155‧‧‧基板錨定點

156‧‧‧薄條

157‧‧‧旋轉的振動器軸承

200、202、204、206、208‧‧‧步驟

圖1是展示根據本發明的一實施例的一種微機械的旋轉速率感測器的概要平面圖，靜止的部件並未被展示。

圖2係展示根據一實施例的一種用於一微機械的旋轉速率感測器之操作方法的流程圖。

若未另有明確地提及，則在圖式中的相同的元件符號是指相同或等同的元件。

圖1是展示根據本發明的一範例實施例的一種旋轉速率感測器100。圖1是一基板(未明確地加以描繪)的平面圖，其係具有一主要的延伸平面(x-y平面)，其中，一第一科氏元件110、一第二科氏元件120以及一旋轉的振動器140係被配置在一第一驅動樑113以及一第二驅動樑123之間。如同在圖1的左邊頂端角落中以圖形所指出的，該x方向在圖1中是從頂端指向底部，該y方向是從左邊指向右邊，並且該z方向是從該圖面的平面朝向觀看者指出的。

該第一及第二科氏元件110、120係被形成為具有相同形狀及尺寸的矩形框架狀的結構，其係以其長的側邊平行於該x方向來加以定向，並且被配置在彼此旁邊，因而該第一科氏元件110的一長的側邊以及該第二科氏元件120的一長的側邊是彼此相對的、間隔開一間隙，該些科氏元件110、120的短的側邊係成對對齊的。該些科氏元件110、120的框架結構係產生自實際狀況為：在該些轉過去是彼此背對的長的側邊的附近，它們分別具有一格子狀的重量縮減區域，其中縱向延伸而且和彼此只藉由薄條(web)分開的切口係被形成。

在兩對的其與彼此對齊的相鄰的短的側邊上，該些科氏元件110、120係藉由兩個鏡像對稱的耦接元件101來耦接至彼此，使得它們可以移動。每一個耦接元件101係包括一搖擺樑102，其係平行於該些相互對齊的短的側邊而延伸在該第一及第二科氏元件110、120的旁邊，該搖擺樑102的一端係分別與一短的側邊的中心相對的。該耦接元件101係在該搖擺樑102的兩端分別具有一耦接彈簧桿103，該耦接彈簧桿103係用一彈簧支撐的方式並且是在離該對應的科氏元件的相對的短的側邊的中心最短可能的距離上，來連接該搖擺樑102的端。再者，該耦接元件101係具有一搖擺彈簧桿104，其係從該搖擺樑102的與該些科氏元件110、120之間的間隙相對的中心延伸遠到一被置放在該間隙中的基板錨定點105之處，以便於用一彈簧支撐的方式來將該搖擺樑102連接至該基板。

因此，該些個別的耦接元件101整體係具有一種"E"的形狀，該搖擺彈簧桿104在本實施例中係被設計為比該些耦接彈簧桿103長的。例如，該搖擺彈簧桿104是該耦接彈簧桿103的長度的二到三倍。

與該第二科氏元件120相隔一段距離而被設置的第一科氏元件110的長的側邊相對的第一驅動樑113係延伸在該x方向上。該科氏元件110在此長的側邊上的兩個角落係用一彈簧支撐的方式，分別藉由一第一彈簧114而被耦接至該驅動樑113。該驅動樑113本身係在其兩端處，分別是利用一懸吊彈簧130而用一彈簧支撐的方式來加以懸吊，該懸吊彈簧130係分別較靠近附接到該第一驅動樑113的背對該些科氏元件110、120的側邊，而在一基板錨定點上係穩固地連接至該基板，以此種方式，其可以用一振動方式在該x方向上移動。

在該第一驅動樑113的背對該些科氏元件110、120的側邊上，複數個第一驅動電極載體136、137係被形成，其係在與該些科氏元件110、120相反的側邊的方向上從該第一驅動樑113延伸離開，並且實質平行於該y方向來延伸。該些第一驅動電極載體136、137的每一個係載有複數個平行於該x方向而延伸的第一驅動電極138、139。在本實施例中，例如應該假設包含該些驅動電極載體136、137以及驅動電極138、139的驅動樑113係在該z方向上具有一固定的厚度，該厚度係大於該驅動電極138、139在該y方向上的寬度，並且例如是可以等於該驅動樑113在該y方向上的寬度。因此，該些個別的驅動電極138、139係具有一平行於該x及z方向的平坦的範圍。

在本實施例中，沿著該第一驅動樑113係設置有多個第一驅動電極載體136、137，一半的驅動電極載體136係朝向該第一驅動樑113的一端而被成組配置，並且另一半的驅動電極載體137係朝向該第一驅動樑113的另一端而被成組配置。

在該兩個群組之間，在該第一驅動樑113的中心有一個沒有驅動電極載體的區段。在該兩個群組的驅動電極載體136、137上的個別的驅動電極138、139係分別指向該第一驅動樑113的最接近的端的側邊。

該第二驅動樑123係與該第一科氏元件110相隔一段距離的第二科氏元件120的長的側邊相對的，而相關於該第一驅動樑113鏡像對稱地延伸。該第二科氏元件120在此長的側邊上的兩個角落係用一彈簧支撐的方式，分別藉由一第二彈簧124而被耦接至該第二驅動樑123。在該第二驅動樑123的背向該些科氏元件110、120的側邊上係被形成有複數個第二驅動電極載體146、147，該些第二驅動電極載體146、147係在與該些科氏元件110、120相反的方向上從該第二驅動樑123延伸離開。每一個第二驅動電極載體146、147係載有複數個第一驅動電極148、149。因為包括該第一驅動樑113、第一彈簧114以及第一科氏元件110的配置以及包括該第二驅動樑123、第二彈簧124以及第二科氏元件120的配置之鏡像對稱性，所以進一步細節係參考到以上有關於該第一驅動樑113的解釋。

在本實施例中，該兩個驅動樑113、123係分別與該些科氏元件110、120的長的側邊的一端齊平的對齊，但是在另一方面突出超過另一端，而該旋轉的振動器140係被配置在該些科氏元件110、120的旁邊而在該些驅動樑113、123之間所形成的進一步空間中。藉由利用一第三及第四彈簧144、145，該旋轉的振動器140係分別耦接至該第一及第二驅動樑113、123。在本實施例中，該旋轉的振動器140係具有一矩形輪廓，其之長的側邊係被形成為僅稍微比短的側邊長的，並且分別平行於該些驅動樑113、123中之一來延伸，該些長的側邊係位在相對該些驅動樑113、123之處，此係形成一間隙。此允許有該旋轉速率感測器之一種特別小型的設計以及整體空間的利用。在替代的實施例中，該旋轉的振動器140例如可被配置為方形、圓形或是橢圓形的。

在該旋轉的振動器140的一軸向的位置(其係位在接近該旋轉的振動器140的幾何中心)處係形成有一旋轉的振動器軸承157，其係繞著一旋轉的振動軸可旋轉地而且以一振動方式來支承該旋轉的振動器140，該旋轉的振動軸係在該z方向上行進通過該軸向的位置而通過一基板錨定點155。應注意的是，在替代的實施例中，該軸向的位置亦可以剛好被設置在該旋轉的振動器140的幾何中心處、或是另一位置處，此係假設該旋轉的振動器140能夠繞著行進通過該軸向的位置的旋轉的振動軸來執行一振動旋轉的運動。較佳的是，該旋轉的振動器140的重心係位在該軸向的位置處。該旋轉的振動器軸承157係在該旋轉的振動器140中包括一矩形切口，而該基板錨定點155係位在該切口之內。兩個薄條156係從該切口的兩個相對的邊緣延伸在該基板錨定點155的方向上，一空間係分別保留在每一個薄條156的遠端與該基板錨定點155之間。

在保留於該些薄條156的兩側上的切口的區域中，該旋轉的振動器軸承157係具有一個別的安裝元件151，其係些將該薄條156以及該基板錨定點155彼此連接。每一個安裝元件151係包括一搖擺樑152，其係在該些薄條156以及該基板錨定點155的旁邊而平行於該些相互對齊的薄條156延伸，該搖擺樑152的一端係分別與一薄條156的端相對的。在該搖擺樑152的兩端處，該安裝元件151係分別具有一安裝彈簧桿153，其係用一彈簧支撐的方式而且在最短的距離上來將該搖擺樑152的端連接至該相關的薄條156。再者，該安裝元件151係具有一搖擺彈簧桿154，其係從與該基板錨定點155相對的搖擺樑152的中心延伸遠到該基板錨定點155，以便於用一彈簧支撐的方式來將該搖擺樑152連接至該基板。因此，以一種類似該耦接元件101、102的方式，該個別的安裝元件151整體係具有一種"E"的形狀，該搖擺彈簧桿154以及該安裝彈簧桿153在本實施例中係被設計為等長的。

在該微機械的旋轉速率感測器100的操作期間，該些驅動電極138、139、148、149以及相關的靜態電極(未顯示，其係相對該基板不可運動的，並且分別與該些驅動電極138、139、148、149嚙合)係以一種協調的方式，利用不同的時間交替的電壓來加以激勵，其係用該些驅動樑113、123被設定到一反平行的驅動模式150的此種方式，其中它們係沿著該x軸執行一相對彼此相移180°的振動的運動。

例如，當具有該些驅動電極138、139、148、149的驅動樑113被保持在一固定的接地電位時，首先一相對接地的電壓係藉由一電子控制裝置(未顯示)而被施加至與該第一驅動樑113上的指向該些科氏元件110、120的側邊(在圖1中向上)的驅動電極138嚙合的靜態電極、以及與該第二驅動樑123上的指向該旋轉的振動器140的相對的側邊(在圖1中向下)的驅動電極149嚙合的靜態電極，因而該第一驅動樑113係藉由在圖1中的指向上的方向上的靜電力而被加速，而該第二驅動樑123係藉由在圖1中的指向下的方向上的靜電力而被加速。所施加的電壓係接著被切斷，之後該些驅動樑113、123係藉由該懸吊彈簧130的回復力而被減速，並且再次被加速在最初的位置的方向上。

接著，一相對接地的電壓係被施加至與該第二驅動樑123上的在圖1中指向上的驅動電極148嚙合的靜態電極、以及與該第一驅動樑113上的在圖1中指向下的驅動電極139嚙合的靜態電極，因而該第一驅動樑113係藉由在圖1中的指向下的方向上的靜電力而被加速，而該第二驅動樑123係藉由在圖1中的指向上的方向上的靜電力而被加速。所施加的電壓係同樣接著被切斷，之後該些驅動樑113、123係藉由該懸吊彈簧130的回復力而被減速，並且被加速在最初的位置的方向上。

在此，以上的啟動可以有利地在一實質與該反平行的振動模式150的自然頻率一致的時間週期予以重複，其中一包括該第一驅動樑113、第一驅動電極載體136、137以及第一驅動電極138、139的第一驅動質量塊112、以及一包括該第二驅動樑123、第二驅動電極載體146、147以及第二驅動電極148、149的第二驅動質量塊122係沿著該x軸振動在相反的相位中。在此驅動模式150中，因為經由該第一彈簧114的耦接，因此該第一科氏元件110係執行一振動的運動，該振動的運動係相移一相對於該第一驅動質量塊112的固定的角度(例如是同相的)，而因為經由該第二彈簧124的耦接，因此該第二科氏元件係執行一振動的運動，例如是給定如同在本實施例中的對稱的形成及啟動下，該振動的運動係同樣地相對於該第二驅動質量塊122相移該固定的角度。此係表示該第一科氏元件110以及該第二科氏元件120在平行於該驅動樑的方向上執行一反平行的振動的運動，此係藉由該些耦接元件101、102的機械式耦接而額外予以穩定化。

在以上的反平行的驅動模式150中，因為經由該第三及第四彈簧144、145的耦接，因此亦使得該旋轉的振動器140進行一繞著在該z 方向上延伸通過該旋轉的振動器軸承157的基板錨定點155的軸之振動的旋轉的運動。首先經由該第三彈簧144、旋轉的振動器140以及第四彈簧145，並且其次經由該第一彈簧114、第一科氏元件110、耦接元件101、第二科氏元件120以及第二彈簧124，機械式耦接係產生在該第一及第二驅動質量塊112、122的振動的運動之間，此穩定化該反平行的驅動模式150。

若該旋轉速率感測器100是在該反平行的驅動模式150的連續的執行下繞著該x軸加以旋轉時，則一力矩係作用在該旋轉的振動器140上，其係將該旋轉的振動器繞著通過該第三及第四彈簧144以及該安裝元件151的搖擺彈簧桿154的軸偏轉離開該主要的延伸平面。

若該旋轉速率感測器100係繞著該y軸加以旋轉，則力係作用在該些科氏元件110、120上，其係在離開該主要的延伸平面的相互相反的方向上偏轉該些科氏元件110、120。在此，由於該耦接元件101的搖擺樑102繞著該些相關的搖擺彈簧桿104傾斜，因此在該兩個科氏元件110、120的偏轉之間的穩定化的機械式耦接係產生。

若該旋轉速率感測器100係繞著該z軸加以旋轉，則力係作用在該些科氏元件110、120上，其係在平行於該y軸的相互相反的方向上，偏轉該些科氏元件110、120。在此，由於耦接彈簧桿103的彎曲，因此在該兩個科氏元件110、120的偏轉之間的穩定化的機械式耦接係產生。在以上的情形中，該些科氏元件110、120以及該旋轉的振動器的偏轉的偵測可以分別經由在適當設置的量測電極(未顯示)上的電容變化來加以實行。

圖2係展示一種用於操作一具有一第一及第二科氏元件的微機械的旋轉速率感測器之方法的流程圖，例如是如同來自圖1的先前敘述的旋轉速率感測器100，該第一及第二科氏元件係被配置在彼此的旁邊，並且藉由一耦接元件來加以耦接以形成一反平行的驅動模式。

在步驟200至206中，該旋轉速率感測器係藉由一微機械的製程來加以製造。在步驟200中，一第一驅動樑係被設置，其係沿著該第一科氏元件來加以配置，並且經由一第一彈簧而被耦接至該第一科氏元件。在步驟202中，一第一驅動電極載體係被設置，其係從該第一驅動樑延伸在與該第一科氏元件相反的方向上，並且載有複數個平行於該第一驅動樑延伸的第一驅動電極。在步驟204中，一第二驅動樑係被設置，其係平行於該第一驅動樑，沿著該第二科氏元件的背對該第一科氏元件的側邊來加以配置，並且經由一第二彈簧而被耦接至該第二科氏元件。在步驟206中，一第二驅動電極載體係被設置，其係從該第二驅動樑延伸在與該第一科氏元件相反的方向上，並且載有複數個平行於該第二驅動樑延伸的第二驅動電極。應注意的是，在圖2中，儘管該些步驟200至206係被描繪為同時加以實行，但在一適當的微機械或其它的製造方法的背景中之替代的實施例中，它們例如亦可以一個接著一個地加以實行。

在步驟208中，第一複數個與該些第一驅動電極嚙合的靜態電極以及第二複數個與該些第二驅動電極嚙合的靜態電極係用一種協調的方式，藉由施加一電壓或是複數個電壓來加以啟動，以便於將該第一及第二科氏元件驅動在該反平行的驅動模式中。