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专利名称：用于测量旋转率的微型机械传感器以及相应的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量旋转率(Drehrate)的微型机械传感器、一种相应的方法、一种用于制造测量旋转率的微型机械传感器的方法以及相应的应用。
背景技术：
微型机械的旋转率传感器应用在许多技术领域中，例如在惯性-和GPS-导航装置或者在汽车技术中，例如用于行驶稳定系统，如ESP等，或者用于汽车的导航。例如WO 03/064975 Al公开的旋转率传感器是以这样的测量原理为依据，即在这种测量原理中测量作用到机械运动系统的科氏力。为了能测量科氏力，驱动反向振动的地震质量，所述地震质量在出现旋转时要经历一种垂直于振动平面，并且垂直于邻近的旋转率的旋转轴的科氏力并且因此发生偏移。为了测量科氏力通常将电极设置在地震质量上，这些电极和相应的对应电极形成可变化的电容。当地震质量通过作用到它的科氏力发生偏移时电容发生变化。 然后借助这种变化可确定科氏力，并且最后能确定旋转率。本

发明内容
在权利要求I中定义了一种用于测量旋转率的微型机械传感器，它包括第一和第二地震质量，其中，第一和第二地震质量借助弹簧元件彼此连接，用于在第一平面中驱动第一和第二地震质量的第一和第二驱动装置，其中，至少一个驱动装置与地震质量中的至少一个连接，用于补偿垂直于第一平面地对至少一个驱动装置施加作用的干扰力的补偿装置，以及用于测量旋转率的测量装置。在权利要求5中定义了一种用于测量旋转率的方法，这种方法特别适合用按照权利要求1-4中的至少任一项所述的微型机械传感器执行，所述方法包括下述步骤
借助第一和第二驱动装置驱动第一和第二地震质量，其中，借助弹簧元件第一和第二地震质量彼此连接；第一和第二地震质量基本在第一平面中振动；测量垂直于第一平面地作用到至少一个驱动装置的干扰力；补偿作用到至少一个驱动装置的测量的干扰力；测量朝被驱动的第一和/或第二地震质量上的科氏力；以及借助作用到第一和/或第二地震质量的科氏力求出旋转率。在权利要求9中定义了用于制造特别是按照权利要求1-4中的至少任一项所述的微型机械传感器的方法，它包括下述步骤
设置第一和第二地震质量；将地震质量中的至少一个地震质量和至少一个驱动装置连接起来；借助至少一个弹簧元件连接第一和第二地震质量；设置用于测量旋转率的测量装置；以及设置用于补偿作用到至少一个驱动装置上的干扰力的补偿装置。在权利要求10中规定将按照权利要求1-4中的至少任一项所述的微型机械传感器用于测量旋转率。本发明的优点
在权利要求I中定义的微型机械传感器、在权利要求5中定义的用于测量旋转率的方法以及在权利要求9中定义的用于制造微型机械传感器的方法具有如下优点，即可补偿在制造微型机械传感器时的结构缺点或者缺陷，而这些缺点或者缺陷会导致在确定旋转率时出现干扰信号。这可改进测量旋转率时的精确度，因为例如可避免，然而至少可大大减少旋转率出现偏差，所谓的偏移。其中，这类偏移可通过地震质量的振动平面、测量装置的平面、 例如基质的平面一在其中设置有作为测量装置的对应电极一的非平行设置出现。在从属权利要求中列出的特征涉及本发明的有关主题的一些有利的改进方案。根据一个优选的改进方案，补偿装置基本垂直地在驱动装置的上面和/或下面的区域中有间距地设置。其中，这种做法的优点是，由此可以直接和简单的方式补偿作用到驱动装置的干扰力。根据另一有利的改进方案补偿装置，和/或驱动装置包括至少一个，特别是两个电极。借助至少一个电极可以简单和成本有利的方式补偿垂直于第一平面作用到驱动装置的干扰力，并且进一步改进测量旋转率的精确度。根据另一有利的改进方案，许多补偿装置基本平行，和/或垂直于第一平面和第一和第二地震质量的偏移方向地设置在第二平面中。当补偿装置沿着地震质量的所希望的偏移方向平行设置时可补偿干扰力，因为随着偏移的增加沿驱动方向的干扰力也增加，并且补偿装置相应地能将补偿力最佳地传送到驱动装置。这种补偿例如可通过作为补偿装置的电极来完成。通过平行于第一平面和平行于驱动装置的偏移方向合适地设置电极，当偏移变得更大时可达到电极和驱动装置的更大的覆盖，这样，通过电极有相应更大的力到达驱动装置。当许多补偿装置垂直于地震质量的偏移方向地设置时，可以补偿导致驱动装置沿着垂直于偏移方向的Z方向的不同偏移的力，例如驱动装置内部的弯曲。然后按照这种方式根据相应驱动装置的X或者Y位置，不同大小的补偿力可作用到驱动装置上。总之，这进一步改进了旋转率的测量精度。按照本发明的另一优选改进方案，借助电磁力和/或静电力进行补偿。其中所得到的优点是，采用此措施能以简单和成本有利的方式补偿作用到驱动装置的干扰力。根据本方法的另一有利方案，补偿可根据驱动装置的偏移方向，和/或偏移而变化。其中所得到的优点是，采用此措施可进行精确的补偿，并且因此达到在测量旋转率时的改进的精确度。根据本方法的另一有利的改进方案，电磁力随时间，特别是随时间正弦形地变化。 按照这种方式可只使用一个补偿装置，例如一个唯一的电极，这样就节省了原料和成本。例如当地震质量根据时间正弦形地振动时，驱动装置相应地也正弦形地偏移。通过电压，借助对应电极可在驱动装置上产生补偿力。现在电压是如此地变化的，即当偏移度更大时有更大的补偿力作用到驱动装置上，这样，它的偏移可尽可能的小。


在附图中示出了本发明的一些实施例，在下面的说明中将更加详细地对这些实施例进行说明。这些附图是
图la、lb :根据本发明的第一和第二实施形式的微型机械传感器的顶视原理图。图2a_c :没有补偿的不同偏移状态的第一实施形式的根据本发明的旋转率传感器的侧面原理图。图3a_c :具有补偿的不同的偏移状态的第一实施形式的根据本发明的旋转率传感器的侧面原理图。图4a_c :具有多个平行于偏移方向设置的电极的第一实施形式的微型机械传感器的侧面原理图。图5a_c :具有多个垂直于偏移方向设置的电极的根据第一实施形式的微型机械传感器的顶视原理图。
具体实施例方式
图I示出根据本发明的第一和第二实施形式的微型机械传感器的顶视原理图。在图Ia中示出了两个地震质量2a、2b的顶视图。地震质量2a、2b通过弹簧元件3 彼此弹性连接。在相应的地震质量2a、2b的相应的对置侧上相应的地震质量2a、2b通过相应地沿驱动方向刚性的元件4a、4b与相应的驱动装置la、lb连接。驱动装置la、lb在X-Y 平面E中一所述平面相当于图I中的图平面一沿X轴线产生地震质量2a、2b的反平行的和共线的运动。当为了测量旋转率以平行于Y轴线的旋转轴线使用这种类型的微型机械传感器时，借助驱动装置la、lb被驱动的地震质量2a，2b要经历沿Z方向的科氏力，也就是说， 从图中平面出来，或者进入图中平面，并且沿Z方向偏移。借助这种偏移可确定旋转率。在图Ib中示出了微型机械的传感器的另一实施形式。与图Ia的不同之处是，地震质量2a、2b借助相应地两个沿着驱动方向刚性的元件4a、4a’ ’和4b、4b’基本垂直于地震质量2a、2b借助弹簧元件3的连接并且通过连接元件10a、10a’、10b、10b’分别与驱动装置la、la’、lb、lb’连接。在这种情况中，这些地震质量沿着Y方向反平行地借助驱动装置 la、la，、lb、lb，被驱动。图2示出没有补偿的不同的偏移状态的第一实施形式的根据本发明的旋转率传感器的侧面原理图。在图2a中示出图Ia的微型机械传感器的侧面图。其中，两个地震质量2a、2b处于静止状态中，也就是说，它们未被驱动。与2a不同的是图2b示出当通过驱动装置la、lb 驱动地震质量2a、2b时地震质量2a、2b沿方向R1向左或向右偏移。这样,弹簧元件3伸展, 左边的驱动装置Ia经受一种向下的力，也就是在负的Z方向，并且右边的驱动装置Ib同时经历向上的力，也就是沿正的Z方向。如是驱动装置la、lb由于干扰力向上或向下发生偏转。图2c示出了与图2b相反的情况，即地震质量2&、213沿R2方向，也就是向内偏移。 相应相反的干扰力作用到图2b的驱动装置la、Ib上，也就是说，左边的驱动装置Ia经历一种沿正的Z方向的偏移，相反地右边的驱动装置Ib经历一种沿负的Z方向的偏移。在图 2a_2c中，刚性的元件4a、4b在它们的延伸方面是恒定的，也就是说相应的地震质量2a、2b 即使沿正的，或者负的Z方向有相应的偏移时距离相应的驱动装置la、lb也有相同的间距。 也设置相应的测量装置M，以测量作用到地震质量2a、2b的科氏力。图3示出具有干扰力补偿的不同的偏移状态时的第一实施形式的根据本发明的旋转率传感器的侧面原理图。图3a示出又是图2a中的情况。与图2a的不同之处是，现在在驱动装置la、lb的下面设置有补偿电极5a、5b。所述补偿电极在驱动装置la、lb的区域中是在它们的下面延伸，然而基本不是在地震质量2a、2b的区域中，其中，补偿电极5a、5b位于第二平面F中，这个第二平面与平面E平行。在所述平面E中，第一和第二地震质量2a、 2b在没有干扰力的情况下通过驱动装置la、lb的驱动时产生运动。现在图3b示出图2b的情况，然而，对作用到驱动装置la、lb的干扰力有相应的补偿，也就是说驱动装置la、lb没有从E平面偏移，因为作用到它们的力借助补偿电极5a、5b得到补偿。如是E平面和F平面彼此平行。图3c示出了对图2c中的作用到驱动装置la、lb的干扰力的相应的补偿，也就是说，地震质量la、Ib向内偏移时。为了测量用于测量旋转率的地震质量2a、2b的偏移, 设置了相应的测量装置，例如电极。图4不出具有多个平行于振动方向的电极的第一实施形式的微型机械传感器的侧面原理图。图4a示出在E平面中的驱动装置la。所述驱动装置在平面F中，平行地，且在E 平面的下面具有两个补偿电极5a、5a’。其中，驱动装置Ia基本上在上部，并且在两个补偿电极5a、5a’之间的中间处于静止状态。两个补偿电极中之一 5a相对于驱动装置Ia具有比另一补偿电极5a’相对于驱动装置Ib更大的电位差，这样，例如在静止位置时在补偿电极5a和驱动装置Ia之间的补偿力要比补偿电极5a’和驱动装置Ia之间的更大。现在在图4b中，相当于图3b，发生沿R1方向向左偏移，驱动装置Ia盖住补偿电极5a的较大区域 (朝Z方向看)，并且补偿力根据偏移沿R1方向增加，为的是连续地补偿也是随偏移增加的干扰力。其中，朝着沿Z方向看驱动装置Ia与第二补偿电极5a’的重叠较小。图4c示出沿 R2方向向右偏移时的类似情况。在这种情况中补偿电极5a的较小区域被驱动装置Ia覆盖，并且因此相应地补偿也减小的干扰力。在图4a和图4b的这两种情况中，通过驱动装置 Ia和分别相应的补偿电极5a或者5a’变得越来越大的覆盖有更大的力施加到驱动装置Ia 上，也就是说，根据图4b或图4c，沿着方向R1或方向R2方向的偏移A的增加导致在驱动装置Ia和相应的补偿电极5a或5a’之间的更大的静电补偿力。图4中的驱动装置Ia如同所有其他附图一样都是如此地设计的，即，电磁力可对它施加作用。图5不出具有多个垂直于偏移方向的电极的第一实施形式的微型机械传感器的顶视(沿Z方向看)原理图。图5a示出矩形的驱动装置Ia的顶视图。在驱动装置的下面设置也是矩形的补偿电极5a。所述补偿电极在顶视图中在它的表面方面完全包围和盖住驱动装置la。在这种情况中驱动装置Ia基本设置在中间和补偿电极5a的上面，并且因此驱动装置Ia处于静止状态中。在图5b中，与图5a不同之处是，电极5a沿着Y方向分成两个部分补偿电极5al和5a2。图5c示出补偿电极5a三分为部分补偿电极5al、5a2、5a3。这种沿Y方向类型的划分方法可补偿导致沿Y轴线在驱动装置Ia的Z方向产生不同偏移的干扰力。这样可以简单和有效方式补偿驱动装置Ia本身内部的弯曲或者扭曲。根据Y位置可对驱动装置Ia的相应的部分区域施加大小不同的补偿力，这样就避免了驱动装置Ia的弯曲或者扭曲，然而至少可大大的减小。虽然本发明在上文借助一些优选的实施例进行了说明，然而本发明并不局限于此，而是可进行多种多样的改型。
权利要求
1.用于测量旋转率的微型机械传感器，包括-第一和第二地震质量(2a、2b),其中，第一和第二地震质量(2a、2b)借助弹簧兀件 (3)彼此连接，-用于在第一平面(E)中驱动第一和第二地震质量(2a、2b)的第一和第二驱动装置 (la、lb)，其中，至少一个驱动装置(la、lb)与地震质量(2a、2b)中的至少一个连接，-用于补偿垂直于第一平面(E)地作用到第一和/或第二驱动装置(la、Ib)的干扰力的补偿装置(5a、5b),-用于测量旋转率的测量装置(Μ)。
2.按照权利要求I所述的微型机械传感器，其中，补偿装置(5a、5b)基本垂直地在驱动装置(la、Ib)的下面和/或上面的区域中与第一平面(E)间隔设置。
3.按照权利要求I或2所述的微型机械传感器，其中，补偿装置(5a、5b)，和/或驱动装置(la、lb)包括至少一个，特别是两个电极。
4.按照权利要求1-3中的任一项所述的微型机械传感器，其中，多个补偿装置(5a、5b) 基本平行，和/或垂直于第一平面(E)和第一、第二地震质量(2a、2b)的偏移方向(RpR2)地设置在第二平面(F)中。
5.用于测量旋转率的方法，它特别适合用按照权利要求1-4中的任一项所述的微型机械传感器执行，此方法包括下述步骤-借助第一和第二驱动装置(la、lb)驱动第一和第二地震质量(2a、2b),其中,第一和第二地震质量(2a、2b)借助弹簧元件(3)彼此连接，-第一和第二地震质量(2a、2b)基本在第一平面(E)中振动，-测量垂直于第一平面(E)地作用到至少一个驱动装置(la、Ib)的干扰力，-补偿作用到所述至少一个驱动装置(la、Ib)的测量的干扰力，-测量作用到被驱动的第一和/或第二地震质量(2a、2b)的科氏力，-借助作用到第一和/或第二地震质量(2a、2b)的科氏力求出旋转率。
6.按照权利要求5所述的方法，其中，借助电磁力，和/或者静电力进行补偿。
7.按照权利要求5-6中的任一项所述的方法,其中,补偿根据偏移方向(RpR2),和/或根据偏移(A)变化。
8.按照权利要求5-7中的任一项所述的方法，其中，电磁力随时间，特别是随时间正弦形地变化。
9.用于制造特别是按照权利要求I至4中的任一项所述的微型机械传感器的方法，包括下述步骤-设置第一和第二地震质量(2a、2b),-将地震质量(2a、2b)中的至少一个与至少一个驱动装置(la、lb)连接，-借助至少一个弹簧元件(3)连接第一和第二地震质量(2a、2b)，-设置用于测量旋转率的测量装置(M)，-设置用于补偿作用到至少一个驱动装置(la、lb)上的干扰力的补偿装置(5a、5b)。
10.将按照权利要求1-4中的任一项所述的微型机械传感器用于测量旋转率。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量旋转率的微型机械传感器。所述微型机械传感器包括-第一和第二地震质量，其中，第一和第二地震质量借助弹簧元件彼此连接，-用于在第一平面中驱动第一和第二地震质量的第一和第二驱动装置，其中，至少一个驱动装置基本以恒定的间距与至少其中一个地震质量连接，-用于补偿垂直于第一平面地作用到第一和/或第二驱动装置的干扰力的补偿装置。本发明也涉及一种用于测量旋转率的方法，用于制造微型机械传感器的方法，以及微型机械传感器的应用。
文档编号G01C19/5712GK102589539SQ201110432509
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月21日 优先权日2010年12月22日
发明者B.施密特, D.C.梅塞尔, R.舍本, T.奥姆斯, T.林德曼 申请人:罗伯特·博世有限公司