旋轉率傳感器的製作方法
2023-12-11 23:27:07
專利名稱：旋轉率傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種特別是在汽車中使用的旋轉率傳感器。
背景技術：
用於檢測實際的運動狀態的微型機械的旋轉率傳感器應用在各式各樣的技術領域中，例如用在汽車的行駛穩定系統中，或者也應用在導航中。通常這樣一種旋轉率傳感器包括一個所謂的彈簧一質量系統，該系統具有一個用作基準的基質和一個相對於該基質運動設置的地震質量。為了確定旋轉運動為此求出地震質量對旋轉運動的反應。如是在旋轉率傳感器中一它對旋轉率的探測是以科氏效應為依據一地震質量垂直於旋轉軸地發生偏移。在旋轉的系統中通過地震質量的徑向運動它的軌道速度發生變化，這導致對地震質量施加作用的相應的科氏力。可將這種科氏力作為切向加速度測量。若旋轉率傳感器的特性，也就是例如彈簧一質量系統的機械特性是已知的，則可從中計算出實際的旋轉速度，並且因此計算出旋轉率。為了測量科氏力首先需要地震質量的規定的運動。為此例如藉助一個電容驅動裝置產生地震質量的周期運動。這個電容驅動裝置也可用於探科氏力。例如DE 10 2009 000 679 Al公開了這種類型的傳感器。總之地震質量的運動既在驅動裝置這一級進行，也由於垂直於它的科氏力進行。 其中，出現了通過驅動裝置引起不希望的振動。這些所不希望的振動作為所謂的方形原信號一起檢測，並且使測量結果失真。這些所不希望的振動的原因例如是在旋轉率傳感器的結構中的變形、非對稱等，這些問題是在旋轉率傳感器的製造中的製造公差引起的。環境溫度的變化會導致旋轉率傳感器內部的測量結構的變形。由此旋轉率傳感器的測量敏感度變化或者漂移部分地直到10%。因此在製造旋轉率傳感器時要求例如按照溫度曲線對這些變形進行平衡。
發明內容
在權利要求1中定義的，特別是在汽車中使用的微型機械旋轉率傳感器包括一個基質、至少一個在基質上彈性設置的地震質量、用於產生地震質量的周期運動的驅動裝置、用於檢測由於繞一個垂直於激勵方向的旋轉軸線旋轉而作用到地震質量的科氏力的力探測裝置，以及測量裝置，其中，將測量裝置設計成用於測量旋轉率傳感器的結構偏差。在權利要求10中定義的用於為測量旋轉率傳感器的測量敏感度提供測量信號的方法，此方法特別適合用按照權利要求1-9的至少任一項所述的旋轉率傳感器予以實施， 此方法包括下述步驟
-在振動平面中產生至少兩個地震質量的反相振動， -作用科氏力到地震質量上， -由於科氏力地震質量垂直于振動平面地偏移， -應力作用到旋轉率傳感器上， -通過起作用的應力產生旋轉率傳感器的結構偏差，-由於結構的偏差改變旋轉率傳感器的測量靈敏度，
-產生與旋轉率傳感器的結構偏差無關的測試信號，以測量旋轉率傳感器的測量靈敏 度。在說明書中，特別是在權利要求書中有關結構偏差例如應理解為旋轉率傳感器、 特別是基質等的變形和變化。因此所得到的好處是能因此可靠地識別結構的變化，例如旋轉率傳感器的基質的變形。藉助這些測量裝置檢測到的結構偏差例如通過這些測量裝置本身或者通過其它一些合適的補償裝置可產生相應的測試們號，這基本與結構偏差，例如基質的變形無關。然後這個測試信號可通過已設置的電路等進行分析，並且在旋轉率傳感器以後的運行中用作測量測量靈敏度的基準。在從屬權利要求中對本發明的其它特徵和優點進行了說明。根據本發明的一個有利的改進方案將測量裝置設置在地震質量上，和/或設置在基質上。其中的優點是，可以簡單方式通過測量裝置探測結構變化或者偏差。若將這些測量裝置既設置在地震質量上，也設置在基質上，則這些測量裝置既可探測地震質量的，也可探測基質的結構偏差，也可探測兩個結構偏差的可能的補償，例如探測地震質量和基質的同時變形。根據本發明的另一有利的改進方案測量裝置包括至少一個電極結構。這個電極結構具有至少兩個共同作用的電極。藉助這個電極結構可簡單和成本有利地形成測量裝置， 並且也能可靠地測量旋轉率傳感器的結構偏差。根據本發明的另一有利的改進方案將其中至少一個共同作用的電極設計為基質電極，並且將其中至少一個電極設計為質質電極。其中所得到的優點是，由此可直接地測量基質和地震質量之間的例如相對的結構變化。根據本發明的另一有利的改進方案，電極結構包括至少兩個特別是彼此對稱設置的質量電極。通過對稱設置質量電極和同至少一個基質電極的共同作用可可靠地探測旋轉率傳感器的結構偏差，因為通過在相應的質量電極和基質電極之間的電容的平均值的形成可以減小電容的偏差和/或漂移。根據本發明的另一有利的改進方案，質量電極和基質電極彼此對稱地至少設置在一種靜止位置中。其中所得到的好處是，由此在靜止狀態時，或者在過零點時，或者通常在一定的偏移時，優選地在最大偏移時，在地震質量振動時質量電極和基質電極分別對置設置。當在靜止位置中對稱設置時在地震質量相應地振動時在過零點時在和振動方向的一致方向上出現力脈衝，這樣就出現了電極結構的信號，該信號為驅動裝置的驅動頻率的兩倍。 然後這個信號用作旋轉率傳感器的測量敏感度的基準信號。根據本發明的另一有利的改進方案至少一個質量電極設置在地震質量的一個空隙中，並且基質電極設計為至少部分地嚙合到該空隙之中。這樣可以簡單和可靠的方式實現基質電極和質量電極的共同作用。根據本發明的另一有利的改進方案大量的電極結構基本上設置在一個垂直於地震質量的周期性運動的方向的延伸段中。通過大量的電極結構使得更加可靠地測量旋轉率傳感器的結構偏差成為可能。根據本發明的另一有利的改進方案，將力探測裝置設計成用於測量旋轉率傳感器的結構偏差的測量裝置。這樣就可以簡單和成本有利的方式既探測科氏力，也能為旋轉率傳感器的結構偏差提供信號。這例如可通過對相應的基質電極和質量電極的合適的節拍控制的觸發完成。
在附圖中示出了本發明的另一些特徵，並且在下述說明中對它們進行詳細的說明。這些附圖是
圖1 傳統的旋轉率傳感器的原理結構側視簡圖。圖2 有應力引入的圖1的傳統的旋轉率傳感器的原理結構簡圖。圖3 根據本發明的第一實施形式的電極結構側視圖。圖4 在穿過靜止位置和處於偏移位置中的圖3的電極結構的俯視圖。圖5 根據本發明的第二實施形式的旋轉率傳感器處於靜止位置中的俯視圖。圖6 根據本發明的第三和第四實施形式的旋轉率傳感器的俯視圖。圖7 根據本發明的第一實施形式的方法的步驟。
具體實施例方式在這些圖中相同的附圖標記表示相同的部件或者相同功能的部件。圖1示出了傳統的旋轉率傳感器的原理結構的側視簡圖。在圖1中附圖標記Mp M2表示旋轉率傳感器的兩個地震質量。這些地震質量分別藉助一個彈簧Fp F2彈性地固定在一個基質S上。此外，這些彈簧F」 F2分別和驅動裝置A 連接。這些驅動裝置用於沿相反的水平方向禮、R2產生地震質量MpM2周期性的振動。其中，這些地震質量禮、M2在頁面中的左邊和右邊朝所述方向禮、R2振動。在地震質量M1、M2 的下側設置有質量電極B』 pB』 2。這些質量電極和設置在基質S上，且用於測量作用到地震質量M1J2上的科氏力的相應的基質電極BpB2共同作用。然後從相應的基質電極B1J2 和相應的質量電極B』 ρ B』 2之間電容Cp C2的電容變化中可求出旋轉率。當例如沿著順時針方向D繞一個軸線Z—該軸線垂直地伸入畫平面一轉動，則地震質量M2在右側沿方向R4向上地在圖1的畫平面中得到一個加速度。在基質電極B2和質量電極B/之間的間距d0—這個間距相應於沒有旋轉時的靜止狀態一變大，而與此相應地基質電極Rl和質量電極B』工之間的間距Cltl則減小，因為其朝R3方向作了運動，而這個方向與方向R4相反。通過基質電極和質量電極Bi、B/、B2、B/之間的間距變化在基質電極和質量電極 B1、B/、B2、B2，之間的相應電容Cp C2也發生變化。對這些電容變化進行測量，並且基本上藉助這些電容變化來確定旋轉率。圖2示出了有應力引入的圖1的傳統的旋轉率傳感器的原理結構簡圖。與圖1的不同在於在圖2中的旋轉率傳感器得到了一種應力。這樣使固定在基質 S上的基質電極BpB2發生變形。這樣相應的質量電極和基質電極ΒρΒΛΒρΒ/之間的間距Clpd2與相應的驅動方向RpR2平行地發生變化。這損害了旋轉率傳感器的測量敏感度。圖3示出了根據本發明的第一實施形式的電極結構的側視圖。在圖3中示出了一個基質電極Ε。這個基質電極設計為豎直設置的指形電極。在基質電極E的左和右設置有一個地震質量M1。這個地震質量基本為矩形示出，並且在它們的也為矩形示出的基質電極E上分別具有質量電極Ea』、Eb』。在靜止狀態時基質電極E的上邊緣和質量電極Ea』、Eb』的上邊緣處於基本相同的高度。然而，基質電極E在它的豎直延伸上設計得比質量電極Ea』、Eb』更長，並且由於邊緣場在給質量電極Ea』、Eb』的下邊緣上的基質電極和質量電極E、Ea』、Eb』提供某種電壓之後產生圖3中的向下作用到質量電極Ea』、Eb』的邊緣力。由於這種邊緣力相應地使質量M1從它的位置產生位移。這引起基質電極和質量電極8』1』』2、82』之間的電容變化。這些變化用於測量科氏力(見圖1)。這些附加的電容變化產生一種附加的信號，也叫做測試信號。這種信號通過與應測量的旋轉速度相同的信號線路可藉助旋轉率傳感器進行分析。因為邊緣力和可能發生的基質變形無關，所以在信號線路的端部上輸出的測試信號的大小使得求出旋轉率傳感器的測量靈敏度成為可能。通過給基質電極E和質量電極Ea』、Eb』提供電壓，形成電容C3、C4。可附加地測量這些電容(3丄4的這種變化，以提高旋轉率傳感器的可靠性以及測量靈敏度的測量。當電壓沒有變化時測量出電容c3、C4有變化，則表明邊緣力有變化，並且因此基質S和/或地震質量虯有變形。圖4示出了在穿過靜止位置和處於偏移位置時的圖3的電極結構的俯視圖。在圖4中在左邊的一側示出當地震質量M1根據圖4在垂直方向RpR2發生偏移時地震質量M1通過靜止位置時的情形。在這種情況中質量電極Ea』、Eb』以及基質電極E基本設置在一條共同的圖4示出的水平延伸的線L上。
在圖4的右側示出的是基本上是基質電極E和質量電極Ea』、Eb』的設置情況，其中，地震質量M1和質量電極Ea』、Eb』 一起向上偏移。地震質量M1的偏移狀態中的電容C3』、 C4』和靜止狀態中，或者在通過零位置時的電容C3、C4是不相同的，並且只要在R1或者R2 方向所測量的基質電極E和相應的質量電極Ea』、Eb』的重疊長度小於通過驅動裝置A產生的地震質量的振幅，對由於前面所述的邊緣場所產生的邊緣力進行補償。其結果是地震質量M1的過零點導致作用到地震質量的力脈衝。這個力脈衝基本上和電容C3、C3』或者C4、 C4』之間的電容變化成比例，並且和所施加的電壓成平方關係。然後藉助用力脈衝產生的信號求出旋轉率傳感器的測量靈敏度。圖5示出根據本發明的第二實施形式的旋轉率傳感器處於靜止位置中的俯視圖。在圖5中藉助彈簧F」 F2將兩個地震質量M」 M2固定在一個基質(未示出)上。地震質量MpM2在畫面上沿著豎直方向RpR2反相地振動，為的是探測繞在畫面上水平設置的軸線Z的旋轉D。這些地震質量MpM2在與相應的另外的地震質量MpM2相鄰的區域中垂直於偏移方向地分別具有四個矩形的空隙10。在這些空隙中分別在左側和右邊設置兩個質量電極Ea』、Eb』。如在圖3中示出的分別一個基質E在這些質量電極Ea』、Eb』之間延伸， 並且如在前面的圖中所述的分別形成兩個電容。在這個旋轉率傳感器中每當地震質量虯、 M2的振動過零點時沿這個方向出現前述的力脈衝，這樣，就提供一種用於用驅動裝置的振動的雙倍的頻率f測量旋轉率傳感器的測量靈敏度的信號。在這種情況中可通過對地震質量風^2的振動控制在給電極E、Ea』、Eb』提供電壓的時間節拍運行中只是在兩個過零點的一個中(一次沿R1方向，一次沿R2方向)得到力脈衝。圖6示出了本發明的第三和第四實施形式的旋轉率傳感器的俯視圖。在圖6中的左邊和右邊所示的旋轉率傳感器的結構和圖5中所示的旋轉率傳感器的結構的不同之處只在於質量一和基質電極E、Ea』、Eb』的電極結構的設計以及電極結構的數量(對於每個地震質量禮、M2中是五個而不是四個)。在圖6中在左側示出了兩個地震質量虯為的靜止位置。其中，質量電極Ea』、Eb』分別是如此設置的，即當各地震質量M1J2為最大偏移時這些質量電極和基質電極E有最大的重疊。其中，相應地只有一個地震質量虯、 M2和所屬的質量電極Ea』、Eb』在它沿一個方向最大偏移時具有重疊。因此，地震質量M1J2 的質量電極Ea』、Eb』是如此設置的，即按照圖6左側設置在上面的地震質量M2的質量電極從垂直於旋轉軸線的方向看設置在相應所屬的基質電極E的後面，而從旋轉軸線Z到下地震質量M1的視覺方向看質量電極Ea』、Eb』設置在質量電極E的前面。這樣藉助力脈衝可產生一種信號。這個信號在相位上具有一個If 90°相位差信號(Quadratursignal)。 在圖6的右側又是示出兩個地震質量M1J2的靜止位置。在矩形的空隙10中示出了四個質量電極Ea』、Eb』、EC』、Ed』。這些質量電極對稱地設置在矩形的空隙的內部在空隙10的左側和右側分別設置四個質量Ea』、Eb』、Ec』、Ed』中的兩個。其中，基質電極E伸入到這四個質量電極Ea』、Eb』、EC』、Ed』之間。從旋轉軸線Z朝相應的地震質MpM2W視覺方向看設置有兩個質量電極Ea』、Eb』、基質電極E，最後是另兩個質量電極Ec』、Ed』。這樣，分別在地震質量禮、M2的兩個最大的偏移處產生一種重疊，並且因此產生一種力脈衝，這樣， 總共產生一個2f 90°相位差信號。在圖7中示出了根據本發明的第一實施形式的方法的一些步驟。在圖7中，附圖標記100表示在一個振動平面中產生至少兩個地震質量MpM2的反相的振動的步驟，附圖標記101表示科氏力作用於地震質量MpM2的步驟，附圖標記102表示由於科氏力使地震質量垂直于振動平面的偏移的步驟、附圖標記103表示應力作用到旋轉率傳感器上的步驟，附圖標記104表示通過作用的應力使旋轉率傳感器產生結構偏差的步驟，附圖標記105表示由於結構偏差而改變旋轉率傳感器的測量靈敏度的步驟，附圖標記106表示產生一種與旋轉率傳感器的結構偏差無關的測試信號的步驟，用於藉助所測量的結構偏差測量旋轉率傳感器的測量靈敏度。
權利要求
1.特別是在汽車中使用的微型機械旋轉率傳感器，包括 -基質(S)，-至少一個在基質(S)上彈性設置的地震質量(MpM2), -用於產生地震質量(MpM2)的周期運動的驅動裝置，-用於檢測由於繞與激發方向垂直的旋轉軸線(Z)旋轉(D)作用到地震質量(M1J2)I 的科氏力的力探測裝置諷、B/、B2, B2'),以及測量裝置(E、Ea』、Eb』、Ec』、Ed，)，-其中，將測量裝置(E、Ea』、Eb』、Ec』、Ed』)設計成用於測量旋轉率傳感器的結構偏差。
2.按照權利要求1所述的旋轉率傳感器，其中，將測量裝置設置在地震質量(MpM2)上和/或基質(S)上。
3.按照權利要求1-2的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中，測量裝置(E、Ea』、Eb』、 Ec』、Ed』 )包括至少一個電極結構，該電極結構具有至少兩個共同作用的電極(Ε、Ea'、Eb』、 Ec，、Ed，)。
4.按照權利要求1-3的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中至少一個共同作用的電極設計為基質電極(E)，並且其中至少一個電極設計為質量電極(Ea』、Eb』、Ec』、Ed』)。
5.按照權利要求1-4的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中，電極結構(E、Ea』、Eb』、 Ec』、Ed』)包括至少兩個特別是彼此對稱設置的質量電極(Ea』、Eb』、Ec』、Ed』)。
6.按照權利要求1-5的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中，質量電極(Ea』、Eb』、 Ec』、Ed』)和基質電極(E)至少在靜止位置中彼此對稱地設置。
7.按照權利要求1-6的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中至少一個質量電極 (Ea』、Eb』、Ec』、Ed』)布置在地震質量(M1、M2)的空隙(10)中，並且基質電極(E)設計為至少部分地嚙合到空隙(10)中。
8.按照權利要求1-7的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中，大量的電極結構(E、 氏工3，工13，3(3，3(1，323，』213，32(3，』2(1，)基本上設置在垂直於地震質量(11、12)的周期性運動的方向(RpR2)的延伸段中。
9.按照權利要求1-8的至少任一項所述的旋轉率傳感器，其中，將力探測裝置(BpB/、 B2、B2')設計成用於測量旋轉率傳感器的結構偏差的測量裝置(Ε、Ea』、Eb』、Ec』、Ed』)。
10.用於提供為測量旋轉率傳感器的測量靈敏度用的檢測信號的方法，此方法特別適合用按照權利要求1-9的至少任一項所述的旋轉率傳感器予以實施，此方法包括下述步驟-在振動平面中產生(100)至少兩個地震質量(MpM2)的反相的振動(RpR2),-科氏力作用(101)到地震質量(Mp M2)上，-由於科氏力地震質量(MpM2)垂直于振動平面地偏移(102)，-應力作用(103)到旋轉率傳感器上，-通過作用的應力產生(104)旋轉率傳感器的結構偏差，-由於結構的偏差改變(105)旋轉率傳感器的測量靈敏度，-產生(106)與旋轉率傳感器的結構偏差無關的測量信號，以藉助所測量的結構偏差測量旋轉率傳感器的測量靈敏度。
全文摘要
本發明涉及一種特別是在汽車中使用的微型機械旋轉率傳感器，它包括基質，至少一個在基質上彈性設置的地震質量、用於地震質量產生周期運動的驅動裝置，用於檢測由於繞一個與激發方向垂直的旋轉軸轉動作用到地震質量上的科氏力的力探測裝置，以及測量裝置，其中，將測量裝置設計成用於測量旋轉率傳感器的結構偏差。
文檔編號G01C19/5656GK102435183SQ20111027287
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優先權日2010年9月16日
發明者施密特 B., 哈塔斯 M. 申請人:羅伯特·博世有限公司