專利名稱：具有正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有至少一個正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，該正 交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(shè)置。 第一電極設(shè)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(shù)：
旋轉(zhuǎn)速率傳感器在運行中具有驅(qū)動振動，以便基于科里奧利力在出現(xiàn) 旋轉(zhuǎn)運動時探測偏轉(zhuǎn)。在微機(jī)械的旋轉(zhuǎn)速率傳感器中，由于加工誤差導(dǎo)致 驅(qū)動運動對傳感器結(jié)構(gòu)的探測運動的過響應(yīng)。因此設(shè)置了所謂的正交補(bǔ)償 結(jié)構(gòu)，以便補(bǔ)償這種過響應(yīng)并由此提高傳感器的效能、尤其是分辨率或者
降低信號噪聲。在德國專利申請DE-10237411A1中描述了一些正交補(bǔ)償結(jié) 構(gòu)，這些正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由于其幾何結(jié)構(gòu)調(diào)解動態(tài)的力作用。通過正交補(bǔ)償 結(jié)構(gòu)也可以改善其它的旋轉(zhuǎn)速率傳感器結(jié)構(gòu)，例如所謂的在DE-10203515 Al中描述的緊湊結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點是如下事實，即正交補(bǔ)償力將一個合成力矩圍繞z軸 施加到科里奧利框架上，因為由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)在襯底上的不同位置存在杠 桿臂并由此產(chǎn)生圍繞z軸、垂直于襯底表面的轉(zhuǎn)矩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有至少一個正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，該正 交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(shè)置。 第一電極設(shè)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(fā)明的核心在 于，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(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)有利地適用于正交補(bǔ)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(yōu)點。本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在被補(bǔ) 償?shù)奈C(jī)械結(jié)構(gòu)上不產(chǎn)生合成的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù) 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(jié)省高達(dá) 50%的面積。
有利的是，所述第一電極基本上構(gòu)造成板狀。本發(fā)明的一個有利構(gòu)型 提出，所述第二電極環(huán)形地或U形地包圍第一電極。 一個特別有利的構(gòu)型 提出，所述旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有多個并排相鄰設(shè)置的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
其它的優(yōu)點由從屬權(quán)利要求中得出。


圖l示出現(xiàn)有技術(shù)中具有正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，
圖2示出現(xiàn)有技術(shù)中的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，
圖3示出本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的第一實施例，
圖4A，B，C示出本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的三個不同實施例。
具體實施例方式
在附圖中示出現(xiàn)有技術(shù)以及本發(fā)明的實施例，下面進(jìn)行描述。 圖1示出現(xiàn)有技術(shù)DE 10237411 Al中具有正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu) (Quadraturkompensationsstrukturen)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器。示出了旋轉(zhuǎn)速率 傳感器的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的一半。主要示出具有驅(qū)動振動結(jié)構(gòu)15的驅(qū)動框架10、 設(shè)置在其中的具有正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)25的科里奧利框架20和設(shè)置在其中的具 有探測電極35的探測框架30。驅(qū)動框架10通過彈簧借助于錨接機(jī)構(gòu)這樣 地懸置在位于錨接機(jī)構(gòu)下面的襯底1上，使得驅(qū)動質(zhì)量可優(yōu)選僅實施在第 一方向上的或者按照第一軸(X軸)的平面內(nèi)運動(平行于襯底平面)并 且在垂直于第一軸的第二軸(Y軸)上的平面內(nèi)運動被抑制。第一軸也稱 為驅(qū)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(yōu)選實施僅在探測方向y上的平面內(nèi)運 動并且在驅(qū)動方向x上的運動被抑制?？评飱W利框架20與驅(qū)動框架10和 探測框架30利用彈簧這樣連接，使得科里奧利元件相對于驅(qū)動質(zhì)量可實施 優(yōu)選僅在探測方向上的平面內(nèi)相對運動并且在驅(qū)動方向上的相對運動被抑制，以及使得科里奧利元件相對于探測元件可實施優(yōu)選僅在X方向上的平
面內(nèi)相對運動并且在y方向上的相對運動被抑制，即是這樣的，科里奧利 元件不僅可實施驅(qū)動方向上的運動而且可實施探測方向上的運動。
在設(shè)計旋轉(zhuǎn)速率傳感器時，通過設(shè)計(通過選擇合適的對稱性)在襯 底平面內(nèi)部對于初級振動和次級振動預(yù)給出特殊的笛卡爾坐標(biāo)系K= (x， y)。應(yīng)以理想的方式這樣地設(shè)計質(zhì)量分布和彈簧分布，使得對于初級振動 和次級振動而言質(zhì)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(gòu)造探測機(jī)構(gòu)時要注意的是，通過傳感器在初級振動中(沒 有外部的轉(zhuǎn)速)、即在x方向上的驅(qū)動振動中的運行在用于科里奧利效應(yīng)的 探測機(jī)構(gòu)上不產(chǎn)生信號。為此，應(yīng)這樣地設(shè)計探測機(jī)構(gòu)，使得其特殊的坐 標(biāo)系KD同樣與力學(xué)坐標(biāo)系K一致，艮口，適用KD= (x， y)。
如果坐標(biāo)系K和KD例如由于加工波動不完全一致，則可能導(dǎo)致所謂 的正交信號。
正的正交信號與負(fù)的正交信號之間關(guān)于科里奧利測量效應(yīng)的區(qū)別是 在所示的旋轉(zhuǎn)速率傳感器左部結(jié)構(gòu)以沿正x方向的初級振動和繞z軸的正 的外部轉(zhuǎn)速運動時，科里奧利加速度在正的y方向上起作用。正的正交信 號在同一方向上起作用，負(fù)的正交信號在相反的方向上起作用。
在該現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)速率傳感器中，通過安置在科里奧利框架20上的、 正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)25形式的電極結(jié)構(gòu)通過有針對性地施加外部直流電壓將時間 上變化的(動態(tài)的)靜電力(必要時通過時間上恒定的(靜態(tài)的)力疊加 地)施加到傳感器結(jié)構(gòu)上。通過合適地安置這種正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)25實現(xiàn)的是， 在該傳感器結(jié)構(gòu)的初級振動期間將時間上變化的力施加在傳感器結(jié)構(gòu)內(nèi)部 的合適部分上。這些力這樣取向，使得它們激勵次級振動并由此可以在用 于科里奧利效應(yīng)的探測機(jī)構(gòu)上被探測。通過電壓的強(qiáng)度可以這樣調(diào)節(jié)所述 信號的大小，使得它們可以補(bǔ)償在傳感器元件中由于傳感器結(jié)構(gòu)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(tài)的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)25。這些補(bǔ) 償結(jié)構(gòu)以兩個底部結(jié)構(gòu)的形式設(shè)置，其中，第一底部結(jié)構(gòu)補(bǔ)償正的正交信 號，第二底部結(jié)構(gòu)補(bǔ)償負(fù)的正交信號。選擇這樣兩個底部結(jié)構(gòu)的原因是通 過施加靜電力、尤其是引力可以使坐標(biāo)系K不僅在正的方向上而且在負(fù)的 方向上旋轉(zhuǎn)。圖1更詳細(xì)地描述了正交補(bǔ)償?shù)墓δ?。根?jù)科里奧利框架在x 方向上的偏轉(zhuǎn)得到不同強(qiáng)度的靜電力(fa,b.c，在芯片上的位置a二O， 2}，正的和負(fù)的正交補(bǔ)償b二(p， n)和在x方向上的偏轉(zhuǎn)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(bǔ)償
電極(在一些力fa. p. c中合成)或者施加在負(fù)的正交補(bǔ)償電極(在一些力fa, n.c中合成)上的話。現(xiàn)有技術(shù)的缺點是如下事實，正交補(bǔ)償力圍繞Z軸將 合成的轉(zhuǎn)矩施加到科里奧利框架上，因為b, e與f2， b, e相比具有不同的方 向和量偟并且由于所述結(jié)構(gòu)在芯片上的不同位置而存在杠桿臂并且從而產(chǎn) 生圍繞Z軸的轉(zhuǎn)矩。
圖2詳細(xì)示出現(xiàn)有技術(shù)中的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(shè)置。第一電極100設(shè)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(gòu)造為具有矩形 基面和相同厚度的板。該第一電極錨接在位于其下面的襯底(未示出)上 并且垂直于襯底表面向上延伸。第二電極200由科里奧利框架的一部分構(gòu) 成，該科里奧利框架設(shè)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在這里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。該間距是垂直于第一電極100的 電極面觀察的，這些電極面設(shè)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具有臺階并因此在所述延伸230上到 對置的第一電極100具有不同的間距。該間距由于第二電極面220中的臺 階而具有兩個不同的值。由于第二電極面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。這里所述的結(jié)構(gòu)彼此成排地重 復(fù)以便設(shè)置更多電極面并由此可施加更高的力。為此，第二電極200設(shè)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(shè)置一個另外的第一電極100。
圖3示出本發(fā)明正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的第一實施例。通過這里所示的、按照 本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠以相同或者甚至更好的效果替換現(xiàn)有技術(shù)中的 正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的新的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比附加地具有關(guān) 于z軸的轉(zhuǎn)矩自由的優(yōu)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(jié)構(gòu)。因此可以看出可節(jié)省幾乎50%的面積。同 時可以看出，新的結(jié)構(gòu)在無x方向(即在xO位置或靜止位置)上的偏轉(zhuǎn)的 情況下沒有合成力施加在科里奧利框架上并且在x+或x—方向上偏轉(zhuǎn)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(chǎn)生圍繞Z軸的轉(zhuǎn) 矩。
與在圖2中所述的現(xiàn)有技術(shù)不同的是，本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如下構(gòu) 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。由于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。由于在第一電極面210和對置地在第二電 極面220中相同尺寸地設(shè)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 于第一電極100的間距同樣具有兩個不同的值。這里所述的結(jié)構(gòu)彼此成排 地重復(fù)以便設(shè)置更多電極面并因此可施加更高的力。為此，第二電極200 設(shè)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(shè)置一個另外的第一電極100。但 是與現(xiàn)有技術(shù)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(shè)置。因此正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)25能夠更窄地挨靠設(shè)置、即更緊密地裝入。由 此得到上述的面積節(jié)省。
圖4A、 4B、 4C示出本發(fā)明的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(yīng)體。所有實施例的共同 點是如下特征，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并且此外不僅相互平行地延伸，而且也平行于第一 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(xù)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，但是分別不平行于第一電極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(xù)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(xù)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(yīng)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(jù)所述結(jié)構(gòu)在x方 向上的偏轉(zhuǎn)預(yù)給出正交補(bǔ)償力的變化曲線。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其具有至少一個正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(25)，該正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(shè)置，其中，第一電極(100)設(shè)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，其特征在于，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(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述第一電極 (100)基本上構(gòu)造成板狀。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，所述第二 電極(200)環(huán)形地或U形地包圍第一電極(100)。
4. 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其特征在于，該旋轉(zhuǎn)速率傳 感器具有多個相鄰設(shè)置的正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(25)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其具有至少一個正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(25)，該正交補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(shè)置。第一電極(100)設(shè)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于第一電極(100)不同的間距。本發(fā)明的核心在于，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(yōu)先權(quán)日2006年10月23日
發(fā)明者R·努爾 申請人:羅伯特·博世有限公司