微机械转动率传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种微机械科氏转动率传感器，用于检测绕在下面被称为Ｘ轴线的测量轴线的转动率，该微机械科氏转动率传感器具有衬底、振动结构以及用于产生绕与该测量轴线正交的激励轴线（Ｚ轴线）的转动振动的装置，其中，该振动结构借助于内部的第一悬置装置或借助于中央的悬置装置可转动地与该衬底连接，由此，该振动结构可绕转动点相对于该衬底进行转动振动，其中，还设置有至少一对第二悬置装置，这些第二悬置装置使该振动结构与该衬底连接并且设置在该转动点的彼此对置的侧，其中，所述至少一对第二悬置装置与所述内部的第一悬置装置或所述中央的悬置装置相比到该转动点设置在更大的径向距离上，以便提供一种微机械科氏转动率传感器，该微机械科氏转动率传感器在对绕一个或多个转动方向的转动率的敏感度足够的情况下具有可依转动轴线而定地构造的响应特性，该微机械科氏转动率传感器同时在该测量方向上或这些测量方向上（绕一个探测轴线）对外部冲击和振颤作用具有足够的稳健性，以便尽可能满足电子信号处理的要求并且尤其是克服振动结构粘附在衬底上的危险。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种微机械科氏转动率传感器，用于检测绕在下面被称为X轴线的测 量轴线的转动率。该微机械科氏转动率传感器具有衬底、振动结构以及用于产生绕与该测 量轴线正交的激励轴线(Z轴线)的转动振动的装置。该振动结构借助于内部的第一悬置 装置或借助于中央的悬置装置可转动地与该衬底连接，由此，该振动结构可绕转动点相对 于该衬底进行转动振动。
技术介绍
由现有技术已经公知了微机械转动率传感器，其中，通常可在脱耦式传感器与耦 合式传感器之间进行区分。在脱耦式传感器的情况下，振动结构具有驱动元件和与该驱动 元件在机械上分开的探测元件。驱动元件被置于通常稳态的运动状态、即驱动振动中。驱动 振动对探测元件的作用通过合适地设置使驱动元件与探测元件耦合的弹簧元件得到阻止。 如果从外部有转动率作用在传感器上，则驱动元件除了驱动振动之外还被激励进行其它运 动、即检测运动。这种运动进一步通过弹簧元件传递给弹簧元件、在测量技术上被检测和分 析处理。在耦合式传感器的情况下，振动结构不仅作为驱动元件而且作为探测元件起作 用。该振动结构仍然可构造成单件式或多件式，被激励进行驱动振动并且在外部转动率作 用的情况下除了进行驱动振动之外还进行检测运动。由DE 10320725A1以及DE 19915257A1公知了耦合式微机械运动传感器，这种微 机械运动传感器具有构造成翼形的探测单元。该探测单元在中央支承在衬底上。中央支承 通过多个径向分布的、分别相对于待检测的倾转方向横向地取向的悬置梁进行，这些悬置 梁在一个中央点或多个非中央点上支承在衬底上。探测单元由于传感器内部产生的作为驱动运动的激励而绕与中央支承重合的转 动中心点相对于衬底平行地进行转动振动。由于作用在传感器上的外部转动率(在测量 轴线的方向上或绕测量轴线)以及由此产生的科氏力，探测单元经历转动脉冲变化，这种 转动脉冲变化导致该探测单元绕相对于转动振动轴线/激励轴线并且相对于外部转动率 垂直的轴线(探测轴线)进行倾转运动。倾转运动借助于电容式传感器装置探测，该电容 式传感器装置一方面通过探测单元、另一方面通过在衬底上与该探测单元对置的电容器构 成。传感器装置通过多个分布地设置的电容器构成，以便允许与转动率方向相关地进行检 测。为了调节不同方向上响应特性的敏感度，DE 19915257A1公开合适地确定探测 单元的悬置弹簧或悬置梁的纵横比的大小。通过有目的地构造在确定空间方向上设置的悬 置梁的纵横比例如可允许探测单元绕激励轴线的转动振动(激励振动)以及绕相对于激励 轴线垂直的探测轴线的倾转，而绕相对于这些轴线垂直的测量轴线的倾转可基本上得到阻 止或以期望的方式得到限制。虽然以此方式可依转动率方向而定来检测转动率，但由所述现有技术公知的传感4器由于其中央的悬置装置而对外部干扰参量如冲击加速或振颤的影响易受干扰，通常不够 稳健。因此可能出现探测单元与衬底之间的强烈的位置相对变化，这种位置相对变化又可 导致的所谓粘附和传感器不可用。
技术实现思路
从上述现有技术出发，本专利技术的任务在于，提供一种微机械科氏转动率传感器，该 微机械科氏转动率传感器在对绕一个或多个转动方向的转动率的敏感度足够的情况下具 有可依转动轴线而定地构造的响应特性，该微机械科氏转动率传感器同时在该测量方向上 或这些测量方向上(绕一个探测轴线)对外部冲击和振颤作用具有足够的稳健性，以便尽 可能满足电子信号处理的要求并且尤其是克服振动结构粘附在衬底上的危险。对机械干扰影响的稳健性通常可这样来实现可运动的传感器结构的共振频率提 高到在很大程度上听觉谱之外的值，由此，传感器对冲击和振颤不敏感。但这样的措施通常 必然伴随着探测元件的惯性矩的降低，由此伴随着进行探测的传感器面积的减小，因此用 传感器灵敏度的减小来换取稳健性的提高。因此，一个主要方面是设计一个传感器方案，该 传感器方案的特征在于对机械干扰影响具有尽可能高的不敏感度并且同时达到或尽可能 超越与当前现有技术相应的其它方案的灵敏度。上述任务的解决方案在于根据权利要求1前序部分的微机械科氏转动率传感器， 该微机械科氏转动率传感器的特征在于设置有至少一对第二悬置装置，所述至少一对第 二悬置装置使振动结构与衬底连接并且设置在转动点的彼此对置的侧，其中，所述至少一 对第二悬置装置与内部的第一悬置装置或中央的悬置装置相比到转动点设置在更大的径 向距离上。为了描述根据本专利技术的转动率传感器，下面示例性地使用相对于传感器衬底位置 固定的笛卡儿坐标参照系。该笛卡儿坐标参照系的原点与设置在衬底上的振动结构的转动 点重合。该笛卡儿坐标参照系相对于传感器的取向仅仅是示例性的，不受限于所给出的描 述。参照系的X轴线和Y轴线相对于衬底平面平行地设置在静止的(不进行检测运动的) 振动结构的平面中。作为激励轴线的Z轴线与衬底平面正交地延伸，由此，振动结构被激励 绕Z轴线执行转动振动(激励运动)。待测量的转动率(作为伪_矢量-角速度)处于X-Y 平面中，例如平行于X轴线，该X轴线在此情况下表示传感器的转动轴线或测量轴线。测量 运动于是在于振动结构绕Y轴线的倾转运动，该Y轴线在此情况下是探测轴线。在传感器 不受限于测量方向的情况下，X轴线和Y轴线分别不仅用作测量轴线而且用作探测轴线。在 转动率不平行于Y轴线或X轴线取向的情况下，该转动率的加速度分量分别在这些轴线之 一的方向起作用并且引起分别绕另一个轴线的偏转，由此，X轴线和Y轴线同时可以是测量 轴线和探测轴线。本专利技术不仅涉及耦合式转动率传感器而且涉及脱耦式转动率传感器，但可特别有 利地在耦合式传感器中使用。振动结构在耦合式传感器的情况下作为探测单元起作用并且 不仅进行激励运动而且进行检测运动。在脱耦式传感器的情况下，振动结构通常不仅包括 探测单元而且包括激励单元，其中，激励单元被激励执行激励运动，探测单元进行待检测的 探测运动。在上述情况的两种中，振动结构根据本专利技术通过内部的第一悬置装置或者中央的悬置装置并且通过至少一对外部的第二悬置装置与衬底耦合，其中，所述至少一对第二悬 置装置与内部的第一悬置装置相比到转动点设置在更大的径向距离上。在使用一个中央的 悬置装置来取代内部的第一悬置装置的情况下，到转动点的径向距离必然更大，因为中央 的悬置装置设置在转动点上，因此具有到该转动点具有趋近于零的径向距离。在耦合式传感器的情况下意味着，构成振动结构的探测单元通过内部的第一悬置 装置或中央的悬置装置和外部的第二悬置装置与衬底连接。在脱耦式传感器的情况下，这 也可适用于探测单元，但作为替换方案或者附加地，如前面已经描述的那样在脱耦式传感 器的情况下与探测单元一起构成振动结构的激励单元可通过所述的内部的第一悬置装置 或者中央的悬置装置和外部的第二悬置装置与衬底连接。不仅内部的第一悬置装置或者中央的悬置装置而且外部的第二悬置装置可分别 通过唯一一个悬置点或多个悬置点与衬底直接地耦合或通过悬置结构或悬置元件(销、梁 等等)与衬底间接地耦合。悬置点、悬置结构或悬置元件在下面被称为耦合结构。振动结 构与耦合结构弹性连接，这允许振动结构相对于衬底进行前面描述的运动。内部的第一悬置装置或中央的悬置装置以及外部的第二悬置装置可基本上任意 地构造。重要的是，内部的第一悬置装置或中本文档来自技高网...

【技术保护点】
微机械科氏转动率传感器，用于检测绕测量轴线（４）（Ｘ轴线）的转动率，该微机械科氏转动率传感器具有衬底（１）、振动结构（２）以及用于产生该振动结构绕与该测量轴线（４）正交的激励轴线（５）（Ｚ轴线）的转动振动的装置，其中，该振动结构（２）借助于内部的第一悬置装置（３ａ，３ｂ，１１ａ，１１ｂ）或中央的悬置装置（３，１１ａ，１１ｂ）可转动地与该衬底（１）连接，由此，该振动结构可绕优选与该振动结构（２）的质心重合的转动点相对于该衬底（１）进行转动振动，其特征在于：设置有至少一对第二悬置装置（１４ａ，１４ｂ，１０ａ，１０ｂ），所述至少一对第二悬置装置使该振动结构（２）与该衬底（１）连接，其中，其悬置装置（１４ａ，１４ｂ，１０ａ，１０ｂ）设置在该转动点的彼此对置的侧，所述至少一对第二悬置装置与所述内部的第一悬置装置或所述中央的悬置装置相比到该转动点设置在更大的径向距离上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H哈默，
申请(专利权)人：传感器动力学股份公司，
类型：发明
国别省市：AT[奥地利]