專利名稱：用于測量旋轉率的微型機械傳感器以及相應的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量旋轉率(Drehrate)的微型機械傳感器、一種相應的方法、一種用于制造測量旋轉率的微型機械傳感器的方法以及相應的應用。
背景技術：
微型機械的旋轉率傳感器應用在許多技術領域中，例如在慣性-和GPS-導航裝置或者在汽車技術中，例如用于行駛穩(wěn)定系統(tǒng)，如ESP等，或者用于汽車的導航。例如WO 03/064975 Al公開的旋轉率傳感器是以這樣的測量原理為依據(jù)，即在這種測量原理中測量作用到機械運動系統(tǒng)的科氏力。為了能測量科氏力，驅動反向振動的地震質量，所述地震質量在出現(xiàn)旋轉時要經(jīng)歷一種垂直于振動平面，并且垂直于鄰近的旋轉率的旋轉軸的科氏力并且因此發(fā)生偏移。為了測量科氏力通常將電極設置在地震質量上，這些電極和相應的對應電極形成可變化的電容。當?shù)卣鹳|量通過作用到它的科氏力發(fā)生偏移時電容發(fā)生變化。 然后借助這種變化可確定科氏力，并且最后能確定旋轉率。本

發(fā)明內容
在權利要求I中定義了一種用于測量旋轉率的微型機械傳感器，它包括第一和第二地震質量，其中，第一和第二地震質量借助彈簧元件彼此連接，用于在第一平面中驅動第一和第二地震質量的第一和第二驅動裝置，其中，至少一個驅動裝置與地震質量中的至少一個連接，用于補償垂直于第一平面地對至少一個驅動裝置施加作用的干擾力的補償裝置，以及用于測量旋轉率的測量裝置。在權利要求5中定義了一種用于測量旋轉率的方法，這種方法特別適合用按照權利要求1-4中的至少任一項所述的微型機械傳感器執(zhí)行，所述方法包括下述步驟
借助第一和第二驅動裝置驅動第一和第二地震質量，其中，借助彈簧元件第一和第二地震質量彼此連接；第一和第二地震質量基本在第一平面中振動；測量垂直于第一平面地作用到至少一個驅動裝置的干擾力；補償作用到至少一個驅動裝置的測量的干擾力；測量朝被驅動的第一和/或第二地震質量上的科氏力；以及借助作用到第一和/或第二地震質量的科氏力求出旋轉率。在權利要求9中定義了用于制造特別是按照權利要求1-4中的至少任一項所述的微型機械傳感器的方法，它包括下述步驟
設置第一和第二地震質量；將地震質量中的至少一個地震質量和至少一個驅動裝置連接起來；借助至少一個彈簧元件連接第一和第二地震質量；設置用于測量旋轉率的測量裝置；以及設置用于補償作用到至少一個驅動裝置上的干擾力的補償裝置。在權利要求10中規(guī)定將按照權利要求1-4中的至少任一項所述的微型機械傳感器用于測量旋轉率。本發(fā)明的優(yōu)點
在權利要求I中定義的微型機械傳感器、在權利要求5中定義的用于測量旋轉率的方法以及在權利要求9中定義的用于制造微型機械傳感器的方法具有如下優(yōu)點，即可補償在制造微型機械傳感器時的結構缺點或者缺陷，而這些缺點或者缺陷會導致在確定旋轉率時出現(xiàn)干擾信號。這可改進測量旋轉率時的精確度，因為例如可避免，然而至少可大大減少旋轉率出現(xiàn)偏差，所謂的偏移。其中，這類偏移可通過地震質量的振動平面、測量裝置的平面、 例如基質的平面一在其中設置有作為測量裝置的對應電極一的非平行設置出現(xiàn)。在從屬權利要求中列出的特征涉及本發(fā)明的有關主題的一些有利的改進方案。根據(jù)一個優(yōu)選的改進方案，補償裝置基本垂直地在驅動裝置的上面和/或下面的區(qū)域中有間距地設置。其中，這種做法的優(yōu)點是，由此可以直接和簡單的方式補償作用到驅動裝置的干擾力。根據(jù)另一有利的改進方案補償裝置，和/或驅動裝置包括至少一個，特別是兩個電極。借助至少一個電極可以簡單和成本有利的方式補償垂直于第一平面作用到驅動裝置的干擾力，并且進一步改進測量旋轉率的精確度。根據(jù)另一有利的改進方案，許多補償裝置基本平行，和/或垂直于第一平面和第一和第二地震質量的偏移方向地設置在第二平面中。當補償裝置沿著地震質量的所希望的偏移方向平行設置時可補償干擾力，因為隨著偏移的增加沿驅動方向的干擾力也增加，并且補償裝置相應地能將補償力最佳地傳送到驅動裝置。這種補償例如可通過作為補償裝置的電極來完成。通過平行于第一平面和平行于驅動裝置的偏移方向合適地設置電極，當偏移變得更大時可達到電極和驅動裝置的更大的覆蓋，這樣，通過電極有相應更大的力到達驅動裝置。當許多補償裝置垂直于地震質量的偏移方向地設置時，可以補償導致驅動裝置沿著垂直于偏移方向的Z方向的不同偏移的力，例如驅動裝置內部的彎曲。然后按照這種方式根據(jù)相應驅動裝置的X或者Y位置，不同大小的補償力可作用到驅動裝置上?？傊?，這進一步改進了旋轉率的測量精度。按照本發(fā)明的另一優(yōu)選改進方案，借助電磁力和/或靜電力進行補償。其中所得到的優(yōu)點是，采用此措施能以簡單和成本有利的方式補償作用到驅動裝置的干擾力。根據(jù)本方法的另一有利方案，補償可根據(jù)驅動裝置的偏移方向，和/或偏移而變化。其中所得到的優(yōu)點是，采用此措施可進行精確的補償，并且因此達到在測量旋轉率時的改進的精確度。根據(jù)本方法的另一有利的改進方案，電磁力隨時間，特別是隨時間正弦形地變化。 按照這種方式可只使用一個補償裝置，例如一個唯一的電極，這樣就節(jié)省了原料和成本。例如當?shù)卣鹳|量根據(jù)時間正弦形地振動時，驅動裝置相應地也正弦形地偏移。通過電壓，借助對應電極可在驅動裝置上產(chǎn)生補償力。現(xiàn)在電壓是如此地變化的，即當偏移度更大時有更大的補償力作用到驅動裝置上，這樣，它的偏移可盡可能的小。


在附圖中示出了本發(fā)明的一些實施例，在下面的說明中將更加詳細地對這些實施例進行說明。這些附圖是
圖la、lb :根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施形式的微型機械傳感器的頂視原理圖。圖2a_c :沒有補償?shù)牟煌茽顟B(tài)的第一實施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉率傳感器的側面原理圖。圖3a_c :具有補償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)的第一實施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉率傳感器的側面原理圖。圖4a_c :具有多個平行于偏移方向設置的電極的第一實施形式的微型機械傳感器的側面原理圖。圖5a_c :具有多個垂直于偏移方向設置的電極的根據(jù)第一實施形式的微型機械傳感器的頂視原理圖。
具體實施例方式
圖I示出根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施形式的微型機械傳感器的頂視原理圖。在圖Ia中示出了兩個地震質量2a、2b的頂視圖。地震質量2a、2b通過彈簧元件3 彼此彈性連接。在相應的地震質量2a、2b的相應的對置側上相應的地震質量2a、2b通過相應地沿驅動方向剛性的元件4a、4b與相應的驅動裝置la、lb連接。驅動裝置la、lb在X-Y 平面E中一所述平面相當于圖I中的圖平面一沿X軸線產(chǎn)生地震質量2a、2b的反平行的和共線的運動。當為了測量旋轉率以平行于Y軸線的旋轉軸線使用這種類型的微型機械傳感器時，借助驅動裝置la、lb被驅動的地震質量2a，2b要經(jīng)歷沿Z方向的科氏力，也就是說， 從圖中平面出來，或者進入圖中平面，并且沿Z方向偏移。借助這種偏移可確定旋轉率。在圖Ib中示出了微型機械的傳感器的另一實施形式。與圖Ia的不同之處是，地震質量2a、2b借助相應地兩個沿著驅動方向剛性的元件4a、4a’ ’和4b、4b’基本垂直于地震質量2a、2b借助彈簧元件3的連接并且通過連接元件10a、10a’、10b、10b’分別與驅動裝置la、la’、lb、lb’連接。在這種情況中，這些地震質量沿著Y方向反平行地借助驅動裝置 la、la，、lb、lb，被驅動。圖2示出沒有補償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)的第一實施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉率傳感器的側面原理圖。在圖2a中示出圖Ia的微型機械傳感器的側面圖。其中，兩個地震質量2a、2b處于靜止狀態(tài)中，也就是說，它們未被驅動。與2a不同的是圖2b示出當通過驅動裝置la、lb 驅動地震質量2a、2b時地震質量2a、2b沿方向R1向左或向右偏移。這樣,彈簧元件3伸展, 左邊的驅動裝置Ia經(jīng)受一種向下的力，也就是在負的Z方向，并且右邊的驅動裝置Ib同時經(jīng)歷向上的力，也就是沿正的Z方向。如是驅動裝置la、lb由于干擾力向上或向下發(fā)生偏轉。圖2c示出了與圖2b相反的情況，即地震質量2&、213沿R2方向，也就是向內偏移。 相應相反的干擾力作用到圖2b的驅動裝置la、Ib上，也就是說，左邊的驅動裝置Ia經(jīng)歷一種沿正的Z方向的偏移，相反地右邊的驅動裝置Ib經(jīng)歷一種沿負的Z方向的偏移。在圖 2a_2c中，剛性的元件4a、4b在它們的延伸方面是恒定的，也就是說相應的地震質量2a、2b 即使沿正的，或者負的Z方向有相應的偏移時距離相應的驅動裝置la、lb也有相同的間距。 也設置相應的測量裝置M，以測量作用到地震質量2a、2b的科氏力。圖3示出具有干擾力補償?shù)牟煌钠茽顟B(tài)時的第一實施形式的根據(jù)本發(fā)明的旋轉率傳感器的側面原理圖。圖3a示出又是圖2a中的情況。與圖2a的不同之處是，現(xiàn)在在驅動裝置la、lb的下面設置有補償電極5a、5b。所述補償電極在驅動裝置la、lb的區(qū)域中是在它們的下面延伸，然而基本不是在地震質量2a、2b的區(qū)域中，其中，補償電極5a、5b位于第二平面F中，這個第二平面與平面E平行。在所述平面E中，第一和第二地震質量2a、 2b在沒有干擾力的情況下通過驅動裝置la、lb的驅動時產(chǎn)生運動?，F(xiàn)在圖3b示出圖2b的情況，然而，對作用到驅動裝置la、lb的干擾力有相應的補償，也就是說驅動裝置la、lb沒有從E平面偏移，因為作用到它們的力借助補償電極5a、5b得到補償。如是E平面和F平面彼此平行。圖3c示出了對圖2c中的作用到驅動裝置la、lb的干擾力的相應的補償，也就是說，地震質量la、Ib向內偏移時。為了測量用于測量旋轉率的地震質量2a、2b的偏移, 設置了相應的測量裝置，例如電極。圖4不出具有多個平行于振動方向的電極的第一實施形式的微型機械傳感器的側面原理圖。圖4a示出在E平面中的驅動裝置la。所述驅動裝置在平面F中，平行地，且在E 平面的下面具有兩個補償電極5a、5a’。其中，驅動裝置Ia基本上在上部，并且在兩個補償電極5a、5a’之間的中間處于靜止狀態(tài)。兩個補償電極中之一 5a相對于驅動裝置Ia具有比另一補償電極5a’相對于驅動裝置Ib更大的電位差，這樣，例如在靜止位置時在補償電極5a和驅動裝置Ia之間的補償力要比補償電極5a’和驅動裝置Ia之間的更大?，F(xiàn)在在圖4b中，相當于圖3b，發(fā)生沿R1方向向左偏移，驅動裝置Ia蓋住補償電極5a的較大區(qū)域 (朝Z方向看)，并且補償力根據(jù)偏移沿R1方向增加，為的是連續(xù)地補償也是隨偏移增加的干擾力。其中，朝著沿Z方向看驅動裝置Ia與第二補償電極5a’的重疊較小。圖4c示出沿 R2方向向右偏移時的類似情況。在這種情況中補償電極5a的較小區(qū)域被驅動裝置Ia覆蓋，并且因此相應地補償也減小的干擾力。在圖4a和圖4b的這兩種情況中，通過驅動裝置 Ia和分別相應的補償電極5a或者5a’變得越來越大的覆蓋有更大的力施加到驅動裝置Ia 上，也就是說，根據(jù)圖4b或圖4c，沿著方向R1或方向R2方向的偏移A的增加導致在驅動裝置Ia和相應的補償電極5a或5a’之間的更大的靜電補償力。圖4中的驅動裝置Ia如同所有其他附圖一樣都是如此地設計的，即，電磁力可對它施加作用。圖5不出具有多個垂直于偏移方向的電極的第一實施形式的微型機械傳感器的頂視(沿Z方向看)原理圖。圖5a示出矩形的驅動裝置Ia的頂視圖。在驅動裝置的下面設置也是矩形的補償電極5a。所述補償電極在頂視圖中在它的表面方面完全包圍和蓋住驅動裝置la。在這種情況中驅動裝置Ia基本設置在中間和補償電極5a的上面，并且因此驅動裝置Ia處于靜止狀態(tài)中。在圖5b中，與圖5a不同之處是，電極5a沿著Y方向分成兩個部分補償電極5al和5a2。圖5c示出補償電極5a三分為部分補償電極5al、5a2、5a3。這種沿Y方向類型的劃分方法可補償導致沿Y軸線在驅動裝置Ia的Z方向產(chǎn)生不同偏移的干擾力。這樣可以簡單和有效方式補償驅動裝置Ia本身內部的彎曲或者扭曲。根據(jù)Y位置可對驅動裝置Ia的相應的部分區(qū)域施加大小不同的補償力，這樣就避免了驅動裝置Ia的彎曲或者扭曲，然而至少可大大的減小。雖然本發(fā)明在上文借助一些優(yōu)選的實施例進行了說明，然而本發(fā)明并不局限于此，而是可進行多種多樣的改型。
權利要求
1.用于測量旋轉率的微型機械傳感器，包括-第一和第二地震質量(2a、2b),其中，第一和第二地震質量(2a、2b)借助彈簧兀件 (3)彼此連接，-用于在第一平面(E)中驅動第一和第二地震質量(2a、2b)的第一和第二驅動裝置 (la、lb)，其中，至少一個驅動裝置(la、lb)與地震質量(2a、2b)中的至少一個連接，-用于補償垂直于第一平面(E)地作用到第一和/或第二驅動裝置(la、Ib)的干擾力的補償裝置(5a、5b),-用于測量旋轉率的測量裝置(Μ)。
2.按照權利要求I所述的微型機械傳感器，其中，補償裝置(5a、5b)基本垂直地在驅動裝置(la、Ib)的下面和/或上面的區(qū)域中與第一平面(E)間隔設置。
3.按照權利要求I或2所述的微型機械傳感器，其中，補償裝置(5a、5b)，和/或驅動裝置(la、lb)包括至少一個，特別是兩個電極。
4.按照權利要求1-3中的任一項所述的微型機械傳感器，其中，多個補償裝置(5a、5b) 基本平行，和/或垂直于第一平面(E)和第一、第二地震質量(2a、2b)的偏移方向(RpR2)地設置在第二平面(F)中。
5.用于測量旋轉率的方法，它特別適合用按照權利要求1-4中的任一項所述的微型機械傳感器執(zhí)行，此方法包括下述步驟-借助第一和第二驅動裝置(la、lb)驅動第一和第二地震質量(2a、2b),其中,第一和第二地震質量(2a、2b)借助彈簧元件(3)彼此連接，-第一和第二地震質量(2a、2b)基本在第一平面(E)中振動，-測量垂直于第一平面(E)地作用到至少一個驅動裝置(la、Ib)的干擾力，-補償作用到所述至少一個驅動裝置(la、Ib)的測量的干擾力，-測量作用到被驅動的第一和/或第二地震質量(2a、2b)的科氏力，-借助作用到第一和/或第二地震質量(2a、2b)的科氏力求出旋轉率。
6.按照權利要求5所述的方法，其中，借助電磁力，和/或者靜電力進行補償。
7.按照權利要求5-6中的任一項所述的方法,其中,補償根據(jù)偏移方向(RpR2),和/或根據(jù)偏移(A)變化。
8.按照權利要求5-7中的任一項所述的方法，其中，電磁力隨時間，特別是隨時間正弦形地變化。
9.用于制造特別是按照權利要求I至4中的任一項所述的微型機械傳感器的方法，包括下述步驟-設置第一和第二地震質量(2a、2b),-將地震質量(2a、2b)中的至少一個與至少一個驅動裝置(la、lb)連接，-借助至少一個彈簧元件(3)連接第一和第二地震質量(2a、2b)，-設置用于測量旋轉率的測量裝置(M)，-設置用于補償作用到至少一個驅動裝置(la、lb)上的干擾力的補償裝置(5a、5b)。
10.將按照權利要求1-4中的任一項所述的微型機械傳感器用于測量旋轉率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量旋轉率的微型機械傳感器。所述微型機械傳感器包括-第一和第二地震質量，其中，第一和第二地震質量借助彈簧元件彼此連接，-用于在第一平面中驅動第一和第二地震質量的第一和第二驅動裝置，其中，至少一個驅動裝置基本以恒定的間距與至少其中一個地震質量連接，-用于補償垂直于第一平面地作用到第一和/或第二驅動裝置的干擾力的補償裝置。本發(fā)明也涉及一種用于測量旋轉率的方法，用于制造微型機械傳感器的方法，以及微型機械傳感器的應用。
文檔編號G01C19/5712GK102589539SQ201110432509
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權日2010年12月22日
發(fā)明者B.施密特, D.C.梅塞爾, R.舍本, T.奧姆斯, T.林德曼 申請人:羅伯特·博世有限公司