具有正交補償結構的旋轉速率傳感器的製作方法

2023-11-30 08:57:16 1

專利名稱：具有正交補償結構的旋轉速率傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有至少一個正交補償結構的旋轉速率傳感器，該正 交補償結構包括至少一個第一電極和一個第二電極。在此，第二電極具有 第一 電極面和第二電極面，所述第一電極面和第二電極面相互對置地設置。 第一電極設置在第一電極面與第二電極面之間的中間空間中。第一電極面 或者第二電極面在其延伸上到第一電極具有不同的間距。
背景技術：
旋轉速率傳感器在運行中具有驅動振動，以便基於科裡奧利力在出現 旋轉運動時探測偏轉。在微機械的旋轉速率傳感器中，由於加工誤差導致 驅動運動對傳感器結構的探測運動的過響應。因此設置了所謂的正交補償 結構，以便補償這種過響應並由此提高傳感器的效能、尤其是解析度或者
降低信號噪聲。在德國專利申請DE-10237411A1中描述了一些正交補償結 構，這些正交補償結構由於其幾何結構調解動態的力作用。通過正交補償 結構也可以改善其它的旋轉速率傳感器結構，例如所謂的在DE-10203515 Al中描述的緊湊結構。
現有技術的缺點是如下事實，即正交補償力將一個合成力矩圍繞z軸 施加到科裡奧利框架上，因為由於微機械結構在襯底上的不同位置存在槓 杆臂並由此產生圍繞z軸、垂直於襯底表面的轉矩。

發明內容
本發明涉及一種具有至少一個正交補償結構的旋轉速率傳感器，該正 交補償結構包括至少一個第一電極和一個第二電極。在此，第二電極具有 第一電極面和第二電極面，所述第一電極面和第二電極面相互對置地設置。 第一電極設置在第一電極面與第二電極面之間的中間空間中。第一電極面 或者第二電極面在其延伸上到第一電極具有不同的間距。本發明的核心在 於，第二電極的第一電極面與第二電極面在其延伸上相互間具有基本上相同的間距。
本發明的正交補償結構有利地適用於正交補償(在一些力fa,b,e中合 成)。此外，它還具有兩個重要的其他優點。本發明的正交補償結構在被補 償的微機械結構上不產生合成的轉矩。本發明的正交補償結構與現有技術 相比在相同能效的情況下在襯底上需要更小的面積。在此，可以節省高達 50%的面積。
有利的是，所述第一電極基本上構造成板狀。本發明的一個有利構型 提出，所述第二電極環形地或U形地包圍第一電極。 一個特別有利的構型 提出，所述旋轉速率傳感器具有多個並排相鄰設置的正交補償結構。
其它的優點由從屬權利要求中得出。


圖l示出現有技術中具有正交補償結構的旋轉速率傳感器，
圖2示出現有技術中的正交補償結構的細節，
圖3示出本發明的正交補償結構的第一實施例，
圖4A，B，C示出本發明的正交補償結構的三個不同實施例。
具體實施例方式
在附圖中示出現有技術以及本發明的實施例，下面進行描述。 圖1示出現有技術DE 10237411 Al中具有正交補償結構 (Quadraturkompensationsstrukturen)的旋轉速率傳感器。示出了旋轉速率 傳感器的微機械結構的一半。主要示出具有驅動振動結構15的驅動框架10、 設置在其中的具有正交補償結構25的科裡奧利框架20和設置在其中的具 有探測電極35的探測框架30。驅動框架10通過彈簧藉助於錨接機構這樣 地懸置在位於錨接機構下面的襯底1上，使得驅動質量可優選僅實施在第 一方向上的或者按照第一軸(X軸)的平面內運動(平行於襯底平面)並 且在垂直於第一軸的第二軸(Y軸)上的平面內運動被抑制。第一軸也稱 為驅動軸x;第二軸也稱為探測軸y。探測框架30通過彈簧這樣地懸置在 襯底1的對面，使得該探測框架可優選實施僅在探測方向y上的平面內運 動並且在驅動方向x上的運動被抑制。科裡奧利框架20與驅動框架10和 探測框架30利用彈簧這樣連接，使得科裡奧利元件相對於驅動質量可實施 優選僅在探測方向上的平面內相對運動並且在驅動方向上的相對運動被抑制，以及使得科裡奧利元件相對於探測元件可實施優選僅在X方向上的平
面內相對運動並且在y方向上的相對運動被抑制，即是這樣的，科裡奧利 元件不僅可實施驅動方向上的運動而且可實施探測方向上的運動。
在設計旋轉速率傳感器時，通過設計(通過選擇合適的對稱性)在襯 底平面內部對於初級振動和次級振動預給出特殊的笛卡爾坐標系K= (x， y)。應以理想的方式這樣地設計質量分布和彈簧分布，使得對於初級振動 和次級振動而言質量張量和彈簧剛度張量的主軸系精確地與K 一致。
此外，在構造探測機構時要注意的是，通過傳感器在初級振動中(沒 有外部的轉速)、即在x方向上的驅動振動中的運行在用於科裡奧利效應的 探測機構上不產生信號。為此，應這樣地設計探測機構，使得其特殊的坐 標系KD同樣與力學坐標系K一致，艮口，適用KD= (x， y)。
如果坐標系K和KD例如由於加工波動不完全一致，則可能導致所謂 的正交信號。
正的正交信號與負的正交信號之間關於科裡奧利測量效應的區別是 在所示的旋轉速率傳感器左部結構以沿正x方向的初級振動和繞z軸的正 的外部轉速運動時，科裡奧利加速度在正的y方向上起作用。正的正交信 號在同一方向上起作用，負的正交信號在相反的方向上起作用。
在該現有技術的旋轉速率傳感器中，通過安置在科裡奧利框架20上的、 正交補償結構25形式的電極結構通過有針對性地施加外部直流電壓將時間 上變化的(動態的)靜電力(必要時通過時間上恆定的(靜態的)力疊加 地)施加到傳感器結構上。通過合適地安置這種正交補償結構25實現的是， 在該傳感器結構的初級振動期間將時間上變化的力施加在傳感器結構內部 的合適部分上。這些力這樣取向，使得它們激勵次級振動並由此可以在用 於科裡奧利效應的探測機構上被探測。通過電壓的強度可以這樣調節所述 信號的大小，使得它們可以補償在傳感器元件中由於傳感器結構的缺陷而 存在的正交信號。
在圖1的兩個放大局部圖中示出一些動態的正交補償結構25。這些補 償結構以兩個底部結構的形式設置，其中，第一底部結構補償正的正交信 號，第二底部結構補償負的正交信號。選擇這樣兩個底部結構的原因是通 過施加靜電力、尤其是引力可以使坐標系K不僅在正的方向上而且在負的 方向上旋轉。圖1更詳細地描述了正交補償的功能。根據科裡奧利框架在x 方向上的偏轉得到不同強度的靜電力(fa,b.c，在晶片上的位置a二O， 2}，正的和負的正交補償b二(p， n)和在x方向上的偏轉c-(x-， x0， x+})。通 過這些靜電力可以克服正交誤差，如果將確定的電壓施加在正的正交補償
電極(在一些力fa. p. c中合成)或者施加在負的正交補償電極(在一些力fa, n.c中合成)上的話。現有技術的缺點是如下事實，正交補償力圍繞Z軸將 合成的轉矩施加到科裡奧利框架上，因為b, e與f2， b, e相比具有不同的方 向和量偟並且由於所述結構在晶片上的不同位置而存在槓桿臂並且從而產 生圍繞Z軸的轉矩。
圖2詳細示出現有技術中的正交補償結構。正交補償結構25包括第一 電極100和第二電極200。第二電極200具有第一電極面210和第二電極面 220，這些電極面相互對置地設置。第一電極100設置在第一電極面與第二 電極面210、 220之間的中間空間300中。第一電極IOO被構造為具有矩形 基面和相同厚度的板。該第一電極錨接在位於其下面的襯底(未示出)上 並且垂直於襯底表面向上延伸。第二電極200由科裡奧利框架的一部分構 成，該科裡奧利框架設置在襯底上。第二電極200包圍第一電極100。第二 電極200的第一電極面210在這裡所示的示例中在第一電極的延伸230上 到對置的第一電極100具有相同的間距。該間距是垂直於第一電極100的 電極面觀察的，這些電極面設置在第二電極200的電極面210或220的對 面。第二電極200的第二電極面220具有臺階並因此在所述延伸230上到 對置的第一電極100具有不同的間距。該間距由於第二電極面220中的臺 階而具有兩個不同的值。由於第二電極面220中的這個臺階，第二電極200 的第一電極面和第二電極面210、 220在所述延伸230上相互間也具有不同 的間距。這個間距同樣具有兩個不同的值。這裡所述的結構彼此成排地重 復以便設置更多電極面並由此可施加更高的力。為此，第二電極200設有 多個閉合的中間空間300，這些中間空間分別具有第一電極面和第二電極面 210、 220。在中間空間300中分別設置一個另外的第一電極100。
圖3示出本發明正交補償結構的第一實施例。通過這裡所示的、按照 本發明的正交補償結構能夠以相同或者甚至更好的效果替換現有技術中的 正交補償結構。本發明的新的正交補償結構與現有技術相比附加地具有關 於z軸的轉矩自由的優點和更小的面積需求。在此，圖3以與圖2相同的 比例示出相同效果下的新結構。因此可以看出可節省幾乎50%的面積。同 時可以看出，新的結構在無x方向(即在xO位置或靜止位置)上的偏轉的 情況下沒有合成力施加在科裡奧利框架上並且在x+或x—方向上偏轉時的合成力分別具有相同大小的量值和湘同的方向。由此不產生圍繞Z軸的轉 矩。
與在圖2中所述的現有技術不同的是，本發明的正交補償結構如下構 成。第一電極面210與第二電極200的第二電極面220 —樣具有臺階。因 此，兩個電極面210、 220中的每個電極面在其延伸230上到對置的第一電 極100具有不同的間距。由於第一電極面和第二電極面210、 220中的臺階， 該間距分別具有兩個不同的值。由於在第一電極面210和對置地在第二電 極面220中相同尺寸地設置的這個臺階，第二電極200的第一電極面和第 二電極面210、 220在所述延伸230上相互間具有基本上相同的間距。相對 於第一電極100的間距同樣具有兩個不同的值。這裡所述的結構彼此成排 地重複以便設置更多電極面並因此可施加更高的力。為此，第二電極200 設有多個閉合的中間空間300，這些中間空間分別具有第一電極面和第二電 極面210、 220。在中間空間300中分別設置一個另外的第一電極100。但 是與現有技術不同的是，第一電極面和第二電極面210、 220的壁厚均勻薄 地設置。因此正交補償結構25能夠更窄地挨靠設置、即更緊密地裝入。由 此得到上述的面積節省。
圖4A、 4B、 4C示出本發明的正交補償結構的三個另外的實施例。在 此未示出如圖3那樣示出的、分別配屬的鏡像對應體。所有實施例的共同 點是如下特徵，即第二電極200的第一電極面和第二電極面210、 220在延 伸230上相互間具有基本上相同的間距。這些電極面基本上相互平行地延 伸。在按照圖4A的實施例中，第一電極面和第二電極面210、 220分別具
有恰好彼此對置的臺階並且此外不僅相互平行地延伸，而且也平行於第一 電極100延伸。第一電極面和第二電極面210、 220到第一電極100的間距 在這些電極面的延伸230上分別非持續地、在臺階上躍變地變化。在按照 圖4B的實施例中，第一電極面和第二電極面210、 220沒有臺階。這些電 極面相互平行地延伸，但是分別不平行於第一電極100。第一電極面和第二 電極面210、 220到第一電極100的間距在這些電極面的延伸230上分別持 續且均勻地變化。按照圖4C的實施例是按照圖4A和4B的實施例的混合 形式。第一電極面和第二電極面210、 220到第一電極100的間距在這些電 極面的延伸230上分別持續地但是不均勻地變化。
在此，特別是按照圖4C的變型方案通過電極100、 200的相應造型(必 要時也通過與襯底固定的第一電極100的造型)允許根據所述結構在x方 向上的偏轉預給出正交補償力的變化曲線。
權利要求
1.一種旋轉速率傳感器，其具有至少一個正交補償結構(25)，該正交補償結構包括至少一個第一電極(100)和一個第二電極(200)，其中，第二電極具有第一電極面(210)和第二電極面(220)，所述第一電極面和第二電極面相互對置地設置，其中，第一電極(100)設置在第一電極面(210)與第二電極面(220)之間的中間空間(300)中，其中，至少第一電極面(210)和/或第二電極面(220)在其延伸上到第一電極(100)具有不同的間距，其特徵在於，第二電極(200)的第一電極面(210)與第二電極面(220)在其延伸上相互間具有基本上相同的間距。
2. 如權利要求1所述的旋轉速率傳感器，其特徵在於，所述第一電極 (100)基本上構造成板狀。
3. 如權利要求1或2所述的旋轉速率傳感器，其特徵在於，所述第二 電極(200)環形地或U形地包圍第一電極(100)。
4. 如權利要求1所述的旋轉速率傳感器，其特徵在於，該旋轉速率傳 感器具有多個相鄰設置的正交補償結構(25)。
全文摘要
本發明涉及一種旋轉速率傳感器，其具有至少一個正交補償結構(25)，該正交補償結構包括至少一個第一電極(100)和一個第二電極(200)。在此，第二電極(200)具有第一電極面(210)和第二電極面(220)，所述第一電極面和第二電極面相互對置地設置。第一電極(100)設置在第一電極面(210)與第二電極面(220)之間的中間空間(300)中。第一電極面(210)或第二電極面(220)在其延伸上具有相對於第一電極(100)不同的間距。本發明的核心在於，第二電極(200)的第一電極面(210)與第二電極面(220)在其延伸上相互間具有基本上相同的間距。
文檔編號G01C19/56GK101529204SQ200780039535
公開日2009年9月9日 申請日期2007年8月24日 優先權日2006年10月23日
發明者R·努爾 申請人:羅伯特·博世有限公司