專利名稱：微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器。
背景技術(shù)：
在汽車領(lǐng)域中，例如在ESP系統(tǒng)中，微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器用于傾翻感測或用 于導(dǎo)航目的。旋轉(zhuǎn)速率傳感器的任務(wù)是正確地測量汽車?yán)@旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。一種公知的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有一振動(dòng)體，該振動(dòng)體在x-y平面中延伸 并且被置于沿著位于該平面中的空間軸(例如X軸)的直線振蕩中。在繞垂直于該平面的 旋轉(zhuǎn)軸(Z軸)的旋轉(zhuǎn)中，科氏力引起該振動(dòng)體在一個(gè)方向(y軸)上的移動(dòng)，該方向位于與 振蕩軸(χ軸)垂直的平面中。該移動(dòng)可以借助測量電極電容式地檢測和分析處理。在該 旋轉(zhuǎn)速率傳感器中，旋轉(zhuǎn)軸垂直于振動(dòng)體的平面(“在平面外(out of plane)”)。這樣的 旋轉(zhuǎn)速率傳感器例如在DE102006047135A1中公開。另一種公知的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器具有一振動(dòng)體，該振動(dòng)體在χ-y平面中延 伸并且被置于繞垂直于該平面的旋轉(zhuǎn)軸(ζ軸)的旋轉(zhuǎn)振蕩中。旋轉(zhuǎn)速率傳感器繞χ軸或y 軸的旋轉(zhuǎn)引起該傳感器的傾斜。該傾斜可以借助測量電極電容式地檢測和分析處理。在該 旋轉(zhuǎn)速率傳感器中，所檢測的旋轉(zhuǎn)軸在振動(dòng)體的該平面中(“在平面內(nèi)(in plane)”)。這 樣的傳感器例如在DE102006052522A1中公開，該傳感器能夠檢測繞最多兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)。然而對于很多應(yīng)用而言，檢測繞兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)是不夠的。一個(gè)物體例如機(jī)動(dòng) 車的運(yùn)動(dòng)更多的是通過六個(gè)自由度描述，即通過沿著三個(gè)空間軸的運(yùn)動(dòng)以及繞這三個(gè)空間 軸的旋轉(zhuǎn)描述。在此，現(xiàn)在已經(jīng)需要這樣的汽車傳感器系統(tǒng)，其檢測所有三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，即用 于ESP的繞偏航軸的旋轉(zhuǎn)、用于翻滾檢測的繞傾翻軸的旋轉(zhuǎn)、以及用于檢測俯仰運(yùn)動(dòng)的繞 垂直于這些軸的水平軸的旋轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
設(shè)有一種微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器，其具有第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件，它輸出第一傳感器信號(hào)，該第一傳感器信號(hào)含有關(guān)于 該旋轉(zhuǎn)速率傳感器繞第一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件，它輸出第二傳感器信號(hào)，該第二傳感器信號(hào)含有關(guān)于 該旋轉(zhuǎn)速率傳感器繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸垂直于該第一旋轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)裝置，它驅(qū)動(dòng)所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件，和耦合部件，它使所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件機(jī) 械地相互耦合，使得對所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件的驅(qū)動(dòng)也引起對所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳 感器元件的驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的基本構(gòu)思是，兩個(gè)或更多的旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件機(jī)械地相互耦合，使得 對第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件的驅(qū)動(dòng)通過耦合部件傳遞到第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件上。以這
4種方式可以省去至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置及其控制裝置和電源。此外，這些旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件 輸出的傳感器信號(hào)由于所述耦合在頻率和相位方面是同步的。因此也可以消除分析處理中 的相應(yīng)冗余并且可以僅僅單一地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)檢測和信號(hào)檢測。第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件可以構(gòu)造為直線振子并且具有第一振動(dòng)體，該第一振動(dòng) 體能夠相對于襯底被置于垂直于所述第一旋轉(zhuǎn)軸的直線振動(dòng)運(yùn)動(dòng)中。所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感 器元件可以構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)振子，該旋轉(zhuǎn)振子具有第二振動(dòng)體，該第二振動(dòng)體能夠相對于所述襯 底被置于一個(gè)振動(dòng)平面中的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，該振動(dòng)平面平行于所述第二旋轉(zhuǎn)軸。因此，第一 傳感器元件檢測繞“在平面外”的軸的旋轉(zhuǎn)，而第二傳感器元件檢測繞“在平面內(nèi)”的軸的旋 轉(zhuǎn)，從而通過一個(gè)傳感器裝置能夠檢測繞兩個(gè)相互垂直的軸的旋轉(zhuǎn)。所述直線振子和旋轉(zhuǎn)振 子有利地在相同的平面中延伸?！霸谙嗤钠矫嬷醒由臁痹诖酥傅氖?，在將該平面撐開的方向 上的延伸尺寸明顯(例如至少五倍)大于在垂直于該平面的方向上的延伸尺寸。在此有利的是，旋轉(zhuǎn)振子輸出兩個(gè)傳感器信號(hào)，其中，該第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件 輸出第二和第三傳感器信號(hào)，其中，所述第二傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的 信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸平行于所述振動(dòng)平面，所述第三傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第三旋轉(zhuǎn)軸的 旋轉(zhuǎn)的信息，該第三旋轉(zhuǎn)軸平行于所述振動(dòng)平面并且與所述第二旋轉(zhuǎn)軸不平行。所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件可以具有兩個(gè)直線振子，所述旋轉(zhuǎn)振子可以設(shè)置在 這兩個(gè)直線振子之間。因此，可以提供一種特別緊湊的旋轉(zhuǎn)速率傳感器。所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件可以組合在一個(gè) 唯一的半導(dǎo)體芯片，尤其是硅芯片中。在此有利的是，所述旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件的振動(dòng)體在 所述半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體材料中結(jié)構(gòu)化，并且設(shè)置由半導(dǎo)體材料制成的耦合臂作為耦合部 件。這能夠?qū)崿F(xiàn)特別緊湊的布置。因?yàn)檫@些旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件可以相互平行地制造，所 以也可以實(shí)現(xiàn)特別成本有利的制造。半導(dǎo)體臂可以是角形的和/或彎曲的，以使機(jī)械載荷最小化。該旋轉(zhuǎn)速率傳感器還可以具有多路復(fù)用器、信號(hào)處理裝置和多路分解器，其中，所 述第一和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件分別向所述多路復(fù)用器輸出至少一個(gè)傳感器信號(hào)，所述 至少一個(gè)傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息；其中，所述多路復(fù)用器在不同 時(shí)間(例如周期地)將這些傳感器信號(hào)中的各一個(gè)輸送給所述信號(hào)處理裝置；其中，所述信 號(hào)處理裝置對輸送給它的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理并且向所述多路分解器輸出；其中，所述多 路分解器具有多個(gè)輸出端，并且將處理后的傳感器信號(hào)在不同時(shí)間(例如周期地)換到或 多路分解到不同輸出端上。因此，可以僅單一地設(shè)置用于傳感器信號(hào)的信號(hào)處理的電路元 件，從而可以實(shí)現(xiàn)電路元件的節(jié)省和對芯片上的空間需求的減小。該信號(hào)處理裝置可以有 利地實(shí)施為集成電路并且設(shè)置在與第一和第二傳感器元件相同的芯片上。該信號(hào)處理裝置 可以具有例如解調(diào)器和低通濾波器，解調(diào)器對輸送給它的傳感器信號(hào)解調(diào)，低通濾波器對 解調(diào)后的傳感器信號(hào)低通濾波。對機(jī)械特性有利的是，第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件具有 重合的鏡像平面或者形成旋轉(zhuǎn)對稱的或鏡像對稱的裝置。


圖1是根據(jù)第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的示意圖。
圖2是在y方向上沿著圖1中的振動(dòng)體31的對角線剖開的剖視圖。圖3是方框圖，該方框圖示意性地示出根據(jù)第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的結(jié) 構(gòu)。圖4是方框圖，該方框圖示出圖3中的信號(hào)處理裝置60的一個(gè)簡單的示例。圖5是根據(jù)第二實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的示意圖。圖6是根據(jù)第三實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的示意圖。圖7是根據(jù)第四實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的示意圖。圖8是根據(jù)第五實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器的示意圖。
具體實(shí)施例方式第一實(shí)施例圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器100的示意圖。該旋轉(zhuǎn)速率傳感器100具有第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器 元件30，它們通過耦合部件40相互耦合。該旋轉(zhuǎn)速率傳感器100設(shè)計(jì)為具有兩個(gè)直線振子21-1、21_1的雙質(zhì)量系統(tǒng)。這兩 個(gè)直線振子21-1、21-1通過彈簧27機(jī)械地相互耦合。這兩個(gè)直線振子21-1、21-1各具有 一個(gè)驅(qū)動(dòng)框架22，其中，在驅(qū)動(dòng)框架22的兩個(gè)相對的側(cè)面上各設(shè)有多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極23。在這 些驅(qū)動(dòng)框架22內(nèi)部各設(shè)有一個(gè)檢測框架24，所述檢測框架與驅(qū)動(dòng)框架22通過彈簧元件25 連接。也可行的是，檢測框架24通過支承在檢測框架24和驅(qū)動(dòng)框架22之間的另一框架以 及相應(yīng)的彈簧元件與檢測框架24連接，以便能夠?qū)崿F(xiàn)檢測框架24在χ和y方向上相對于 驅(qū)動(dòng)框架22的自由振動(dòng)。在檢測框架24中設(shè)有檢測器電極26。這些檢測器電極26構(gòu)成電極柵格。為每個(gè) 檢測器電極26配置一個(gè)或多個(gè)(未示出的)定子電極，這些定子電極與檢測器電極26平 行地設(shè)置在襯底上。每個(gè)檢測器電極26由此與配置給它的定子電極構(gòu)成各由一個(gè)檢測器 電極26和至少一個(gè)定子電極組成的電容元件。驅(qū)動(dòng)框架22、設(shè)置在驅(qū)動(dòng)框架上的驅(qū)動(dòng)電極23、設(shè)置在驅(qū)動(dòng)框架中的檢測框架 24、設(shè)置在驅(qū)動(dòng)框架和檢測框架之間的彈簧元件25和檢測器電極26 —起構(gòu)成一個(gè)在x_y 平面中延伸的振動(dòng)體，該振動(dòng)體能夠相對于襯底在y方向上被置于振動(dòng)中。此外，與驅(qū)動(dòng)電 極23相對地設(shè)置(未詳細(xì)示出的)反電極。如果在驅(qū)動(dòng)電極23和反電極之間施加適當(dāng)?shù)?驅(qū)動(dòng)電壓(交流電壓)，則在驅(qū)動(dòng)框架22上產(chǎn)生y方向上的靜電力Flin，如圖1中通過實(shí)線 雙箭頭所示。在此，驅(qū)動(dòng)框架22或振動(dòng)體相對于芯片襯底這樣地被支承，使得通過適當(dāng)?shù)?改變所施加的驅(qū)動(dòng)電壓能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)框架置于y方向上的振動(dòng)之中。如果旋轉(zhuǎn)速率傳感器100現(xiàn)在繞ζ軸旋轉(zhuǎn)，則在運(yùn)動(dòng)的檢測器電極26上作用一個(gè) 科氏力Fcotz，這在圖1中通過虛線雙箭頭表示。該科氏力F·引起作用在χ方向上的且使檢 測器電極26和它的相鄰定子電極之間的距離變化的力。由檢測器電極26和定子電極構(gòu)成 的電容元件的電容量也隨之變化。該電容量變化被電容量測量器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)， 這些電壓信號(hào)含有關(guān)于該傳感器100上的旋轉(zhuǎn)速率的信息。也就是說，第一旋轉(zhuǎn)速率傳感 器元件20檢測繞一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速率Ω ζ，該旋轉(zhuǎn)軸“在平面外”或者說與所述直線 振子21-1、21-2的振動(dòng)體所處的平面垂直。
第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30是旋轉(zhuǎn)振子，其構(gòu)型在圖2中詳細(xì)示出。該旋轉(zhuǎn)振子 具有盤形的振動(dòng)體31，該振動(dòng)體通過例如四個(gè)彈簧32與輪轂33連接。這些彈簧32設(shè)置在 振動(dòng)體31的圓形的、中心的空槽內(nèi)，該輪轂33伸入到該空槽中。輪轂33的與振動(dòng)體31相 反指向的端部固定地設(shè)置在芯片襯底35上。如果第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30在振動(dòng)體31繞振動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間經(jīng)受繞旋 轉(zhuǎn)速率傳感器元件30的敏感軸(例如χ軸)的旋轉(zhuǎn)Ω χ，則在該振動(dòng)軸上作用科氏力Fcotx， 該科氏力引起振動(dòng)體31相對于襯底35表面傾斜或偏擺。在圖2中示出了繞χ軸的傾斜。振動(dòng)體31的傾斜引起振動(dòng)體的第一端部或邊緣36相對于襯底35的間距減小以 及振動(dòng)體31的與第一端部36相反的第二端部或邊緣37相對于襯底35的間距增大。為了 求得這些端部36和37到襯底35的間距的增大和減小，在襯底35上與端部36和37相對 置地構(gòu)造檢測電極38a。端部36、37與各自相應(yīng)的檢測電極38之間的間距的增大和減小引 起由端部36或37與檢測電極38a組成的電容元件的電容量的變化。該變化與科氏力Fcotx 成比例。因此，通過測量和分析處理該電容量變化可以推導(dǎo)出第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件繞 敏感軸(在此為χ軸)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)速率Ωχ。在該實(shí)施例的一種變型中，也可行的是，除了檢測電極38a之外，在振動(dòng)體31的 另一側(cè)上設(shè)有另外的檢測電極38b。這些另外的檢測電極可以例如設(shè)置在罩或接收傳感器 100的殼體的內(nèi)側(cè)上。該布置是有利的，因?yàn)樵诖藱z測電極38a、38b關(guān)于振動(dòng)體31對稱地布置。該旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30可以這樣地設(shè)計(jì)，使得它不僅檢測繞χ軸的旋轉(zhuǎn)，而且 檢測繞y軸的旋轉(zhuǎn)。為此，在襯底35的相應(yīng)位置上與振動(dòng)體31相對置地設(shè)置兩個(gè)未詳細(xì) 地示出的、另外的檢測電極，通過它們檢測繞y軸的旋轉(zhuǎn)。也就是說，例如四個(gè)檢測電極可 以分別以90°的角度間距沿著振動(dòng)體31的圓周布置。即，第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30檢 測繞這樣一些旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速率Ωy，這些旋轉(zhuǎn)軸“在平面內(nèi)”或者說在這樣一 個(gè)平面內(nèi)部，振動(dòng)體31在該平面中延伸。第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30通過耦合臂40 (耦合 部件)相互連接。這些耦合臂40的一個(gè)端部分別與驅(qū)動(dòng)框架22中的一個(gè)連接，它們的另 一個(gè)端部與振動(dòng)體31的圓周連接。在本實(shí)施例中，耦合臂40角形地構(gòu)造，然而它們也可以 彎曲地構(gòu)造。在此尤其可以這樣地選擇耦合臂的形狀，即在工作中耦合臂40上的機(jī)械應(yīng)力 很小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)用于使第一和第二傳感器元件20和30耦合的適當(dāng)彈簧常數(shù)。這些耦合臂 40可以具有例如約2微米的寬度。耦合臂40使第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30機(jī)械地耦合到第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件 20上。如果通過在驅(qū)動(dòng)電極23和與其相對置的檢測電極之間施加驅(qū)動(dòng)電壓將第一旋轉(zhuǎn)速 率傳感器元件20置于振動(dòng)之中，則兩個(gè)直線振子21-1、21-2相互逆平行地在+y方向或-y 方向上振動(dòng)。因此，耦合臂40也相互逆平行地運(yùn)動(dòng)，由此在振動(dòng)體31上作用轉(zhuǎn)矩Frat并且 使通過輪轂33支承的振動(dòng)體31置身于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)之中。應(yīng)注意的是，在此僅僅直接驅(qū)動(dòng)第一傳感器元件20。沒有為第二傳感器元件30設(shè) 置自己的驅(qū)動(dòng)裝置，從而通過該布置省去了一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置以及相關(guān)的控制裝置。驅(qū)動(dòng)框架22、耦合臂40和振動(dòng)體31處于一個(gè)平面中并且能夠有利地由一個(gè)塊件 制成。尤其可行的是，它們由一個(gè)塊硅制成。在這種情況下，第一傳感器元件20和第二傳
7感器元件30可以設(shè)置在一個(gè)唯一的半導(dǎo)體芯片上。為此，可運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)體可以蝕刻在硅晶 片的晶片側(cè)上并且部分地從襯底脫開，從而可運(yùn)動(dòng)。此外可行的是，用于分析處理由傳感器 元件20和30輸出的傳感器信號(hào)的分析處理電子裝置也安置在與傳感器元件20和30相同 的芯片上。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)速率傳感器的緊湊布置。圖3是方框圖，其示意性示出了根據(jù)第一實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)速率傳感器100的構(gòu)型和
信號(hào)流。圖3中所示的旋轉(zhuǎn)速率傳感器100包括驅(qū)動(dòng)裝置10、第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件 20、第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30、多路復(fù)用器50、信號(hào)處理裝置60和多路分解器70。這些 部件能夠以組合的結(jié)構(gòu)方式設(shè)置在一個(gè)唯一的半導(dǎo)體芯片上，這能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)速率傳感器 100的特別緊湊的構(gòu)造。驅(qū)動(dòng)裝置10與一個(gè)(未示出的)芯片內(nèi)部的電壓源連接并且以上述方式(即通 過在驅(qū)動(dòng)電極23和相對置的反電極之間施加電壓)驅(qū)動(dòng)第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20。因 此，第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20被置于振動(dòng)中。該振動(dòng)通過耦合部件40機(jī)械地傳遞到第 二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30上，該第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30因此同樣被置于振動(dòng)中。由檢測器電極26和定子電極構(gòu)成的電容元件的電容量變化被一個(gè)未詳細(xì)示出的 電容量測量裝置或C/U轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)S1,該電壓信號(hào)含有關(guān)于傳感器100繞ζ軸 的旋轉(zhuǎn)速率的信息。該電壓信號(hào)S1被輸送給多路復(fù)用器50。如果第一傳感器元件20如圖 1所示的那樣具有兩個(gè)直線振子21-1和21-2，則對于這些直線振子21-1和21_2中的每一 個(gè)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)，由減法器形成這些電壓信號(hào)之差并且將該差動(dòng)信號(hào)作為電壓 信號(hào)S1輸送給多路復(fù)用器50。由振動(dòng)體31和檢測電極38a或38b構(gòu)成的電容元件的電容量變化被一個(gè)未詳細(xì) 示出的電容量測量裝置或C/U轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)s2，該電壓信號(hào)含有關(guān)于存在于傳感 器100的繞y軸的旋轉(zhuǎn)速率QyW信息。電壓信號(hào)S2同樣被輸送給多路復(fù)用器50。在一 種變換實(shí)施方式中，第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30也可以產(chǎn)生兩個(gè)電壓信號(hào)，這些電壓信號(hào) 分別包含關(guān)于存在于傳感器100上的繞χ軸的旋轉(zhuǎn)速率Ωχ的信息和關(guān)于繞y軸的旋轉(zhuǎn)速 率信息。在這種情況下，兩個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)S2和S3被輸送給多路復(fù)用器。多路復(fù)用器50接收控制信號(hào)Sdemux (其可以與信號(hào)Smux相同或者可由該信號(hào)導(dǎo)出) 并且根據(jù)該控制信號(hào)Sdemux周期地在輸送給多路復(fù)用器的電壓信號(hào)S1和S2 (或者必要時(shí)S3) 之間轉(zhuǎn)換。各個(gè)由多路復(fù)用器50輸出的電壓信號(hào)被信號(hào)處理裝置60進(jìn)一步處理。圖4示出信號(hào)處理裝置60的簡單示例。芯片內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)CLK被輸送給該信 號(hào)處理裝置60。首先，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器61根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)CLK將多路復(fù)用器50輸出的模擬 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)。該數(shù)字電壓信號(hào)被解調(diào)器62解調(diào)。因?yàn)樾D(zhuǎn)速率傳感器 元件20和30被以確定的驅(qū)動(dòng)頻率f置于振動(dòng)中，所以它們輸出以同樣的頻率f振蕩的傳 感器信號(hào)。當(dāng)存在旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，含有關(guān)于存在的旋轉(zhuǎn)速率的信息的信號(hào)與這些周期信號(hào)疊 加。因此，這些數(shù)字化的傳感器信號(hào)被解調(diào)器62解調(diào)并且接著通過低通濾波器63濾波，以 獲得基帶中的相應(yīng)信號(hào)分量。濾波后的信號(hào)被輸出給多路分解器70。濾波后的信號(hào)也可以被輸送給調(diào)節(jié)裝置64，該調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)并且將該調(diào) 節(jié)信號(hào)在D/A轉(zhuǎn)換之后反饋給驅(qū)動(dòng)裝置10。由此形成調(diào)節(jié)回路，該調(diào)節(jié)回路對所輸出的傳 感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
多路分解器70接收控制信號(hào)Smux并且根據(jù)該控制信號(hào)Smux將輸送給多路分解器的 傳感器信號(hào)周期地?fù)Q到不同的輸出端或輸出導(dǎo)線上。因此，由多路分解器70輸出的第一輸 出信號(hào)Sal對應(yīng)于由第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20檢測的、繞ζ軸的旋轉(zhuǎn)速率。而由多路分 解器70輸出的第二輸出信號(hào)Sa2對應(yīng)于由第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30檢測的、繞y軸的旋 轉(zhuǎn)速率。如果該第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30被設(shè)計(jì)成檢測繞兩個(gè)敏感軸(χ軸和y軸)的 旋轉(zhuǎn)速率，則多路分解器70也可以相應(yīng)地輸出一個(gè)第二輸出信號(hào)Sa2和一個(gè)第三輸出信號(hào) Sa3，它們分別代表繞χ軸或y軸的旋轉(zhuǎn)速率。第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30的振動(dòng)通過耦合部件 40機(jī)械地相互耦合，使得它們的振動(dòng)也相互同步并且具有相同的頻率和相位。這實(shí)現(xiàn)了為 所有的測量軸僅設(shè)置一個(gè)檢測回路。相應(yīng)地，在該第一實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器100中 為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)速率傳感元件20、30僅僅設(shè)置一個(gè)信號(hào)處理裝置60。因此也僅僅設(shè)置一個(gè)A/ D轉(zhuǎn)換器61、一個(gè)解調(diào)器62和一個(gè)低通濾波器63。也就是說，可以在電路耗費(fèi)和對半導(dǎo)體 芯片的空間需求方面實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)省，因?yàn)椴槐貫檫@些旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件中的每一個(gè)單 獨(dú)地設(shè)置這些構(gòu)件。此外，也簡化了信號(hào)處理所必需的芯片結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷τ谠O(shè)置在信號(hào)處理 裝置60中的構(gòu)件而言僅需設(shè)置一個(gè)電流或電壓源和僅一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘CLK。也只需單一地設(shè) 置用于監(jiān)控和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率的、在必要時(shí)設(shè)置的構(gòu)件。該第一實(shí)施例針對以下情況闡述驅(qū)動(dòng)裝置10驅(qū)動(dòng)第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20， 其中，第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20的振動(dòng)或激勵(lì)通過耦合部件40被傳遞到第二旋轉(zhuǎn)速率 傳感器元件30上。然而，在該實(shí)施例的一種變型中，也可行的是，驅(qū)動(dòng)裝置10不驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn) 速率傳感器元件20，而是驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)耦合部件40或也驅(qū)動(dòng)兩個(gè)耦合部件40。在這種情 況下，驅(qū)動(dòng)電極23并不設(shè)置在驅(qū)動(dòng)框架22上，而是設(shè)置在耦合部件40的適當(dāng)位置上，在圖 1中例如設(shè)置在耦合臂40的水平區(qū)段的上側(cè)或下側(cè)上。在這種情況下，通過在驅(qū)動(dòng)電極23上施加適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓使耦合部件40在y方 向上振動(dòng)。因?yàn)轳詈喜考?0在其端部處分別與旋轉(zhuǎn)振子30的振動(dòng)體31或與直線振子 21-1,21-2之一的驅(qū)動(dòng)框架22連接，所以該振動(dòng)直接傳遞到旋轉(zhuǎn)振子30和直線振子21_1、 21-2上，使得對耦合部件40的驅(qū)動(dòng)或激勵(lì)也引起對第一和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20、30 的驅(qū)動(dòng)。在此，驅(qū)動(dòng)裝置10可以激勵(lì)兩個(gè)耦合部件40作逆平行的振動(dòng)，從而直線振子21-1、 21-2也相互逆平行地振動(dòng)并且振動(dòng)體31被置于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)中。第二實(shí)施例圖5示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器200的示意圖。與第一實(shí)施 例中的元件在結(jié)構(gòu)或功能上相同的元件以相同的參考標(biāo)記表示并且不再詳細(xì)闡述。這也適 用于以下實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器200具有兩個(gè)作為第一旋轉(zhuǎn)速率傳 感器元件20的直線振子21-1、21-2和兩個(gè)作為第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30的旋轉(zhuǎn)振子 30-1和30-2。直線振子21-1通過耦合臂40與其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30_1機(jī)械地耦合，直線 振子21-2通過耦合臂40與另一個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30-2機(jī)械地耦合。這些耦合臂40在一個(gè)端部 處分別與一個(gè)驅(qū)動(dòng)框架22連接并且在它另一個(gè)端部處與相應(yīng)的振動(dòng)體31的圓周連接。兩 個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30-1、30-2的振動(dòng)體31通過彈簧元件80相互機(jī)械地耦合。在該實(shí)施方式中也僅設(shè)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置通過在驅(qū)動(dòng)電極23和反電
9極之間施加驅(qū)動(dòng)電壓而使直線振子21-1、21-2作振動(dòng)。與第一實(shí)施方式不同，在此所述直 線振子21-1、21-2迎著彼此或相互背離地在χ方向上振動(dòng)。該振動(dòng)通過耦合臂40傳遞到 旋轉(zhuǎn)振子30-1和30-2的振動(dòng)體31上并且在那里轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)振子30-1和30_2 也沿著相反的方向振動(dòng)。通過該實(shí)施方式得到與第一實(shí)施方式基本上相同的優(yōu)點(diǎn)。這些旋轉(zhuǎn)振子30-1和 30-2可以如此地設(shè)計(jì)，使得其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30-1檢測繞一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)Ωχ，另一個(gè) 旋轉(zhuǎn)振子30-2檢測繞一個(gè)與該旋轉(zhuǎn)軸垂直的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)Ω”但是，這些旋轉(zhuǎn)振子可以 如此地設(shè)計(jì)，使得旋轉(zhuǎn)振子中的每一個(gè)都對應(yīng)于繞χ軸或y軸的旋轉(zhuǎn)Ωχ、Ωρ在這種情況 下，能夠以節(jié)省空間的方式實(shí)現(xiàn)繞χ軸或y軸的旋轉(zhuǎn)的冗余檢測?？梢岳鐚θ哂鄼z測的 旋轉(zhuǎn)速率求平均。第三實(shí)施例圖6示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器300的示意圖。在該旋轉(zhuǎn)速率傳感器300中并排成行地設(shè)有一個(gè)具有兩個(gè)直線振子21-1、21_2的 第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20以及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30-1和30-2。在此，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)振子30-1和 30-2設(shè)置在這些直線振子21-1、21-2之間并且分別通過一個(gè)耦合臂40與相鄰的直線振子 21-1,21-2連接。旋轉(zhuǎn)振子30-1和30-2通過一個(gè)彈簧元件80相互連接。通過該實(shí)施方式得到與第一和第二實(shí)施方式基本上相同的優(yōu)點(diǎn)。第四實(shí)施例圖7示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器400的示意圖。在該旋轉(zhuǎn)速率傳感器400中也并排成行地設(shè)有一個(gè)具有兩個(gè)直線振子21-1、21_2 的第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件20以及構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)振子的第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件30。在此， 旋轉(zhuǎn)振子30設(shè)置在兩個(gè)直線振子21-1、21-2之間。耦合臂40使直線振子21_1、21_2分別 與旋轉(zhuǎn)振子30的對置端部連接。通過該實(shí)施方式得到與第一和第二實(shí)施方式基本上相同的優(yōu)點(diǎn)。該實(shí)施方式還特 別節(jié)省空間。此外，該實(shí)施方式也由于其旋轉(zhuǎn)對稱的布置是有利的。第五實(shí)施例圖8示出根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)速率傳感器500的示意圖。在該旋轉(zhuǎn)速率傳感器500中，兩個(gè)直線振子21-1和21-2設(shè)置在四個(gè)旋轉(zhuǎn)振子 30-1至30-4之間。第一直線振子21-1在其驅(qū)動(dòng)框架22上的一個(gè)側(cè)面上通過耦合臂40與 第一旋轉(zhuǎn)振子30-1機(jī)械地耦合并且在其另一個(gè)側(cè)面上通過耦合臂40與第二旋轉(zhuǎn)振子30-2 機(jī)械地耦合。第二直線振子21-2在其驅(qū)動(dòng)框架22上的一個(gè)側(cè)面上通過耦合臂40與第三 旋轉(zhuǎn)振子30-3機(jī)械地耦合并且在其另一個(gè)側(cè)面上通過耦合臂40與第四旋轉(zhuǎn)振子30-4機(jī) 械地耦合。第一旋轉(zhuǎn)振子30-1通過彈簧元件80與第三旋轉(zhuǎn)振子30-3機(jī)械地耦合。第二 旋轉(zhuǎn)振子30-2通過彈簧元件80與第四旋轉(zhuǎn)振子30-4機(jī)械地耦合。直線振子21-1和21_2 也通過彈簧元件27機(jī)械地相互耦合。通過該實(shí)施方式得到與第一和第二實(shí)施方式基本上相同的優(yōu)點(diǎn)。尤其地，該實(shí)施 方式能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)旋轉(zhuǎn)振子在一個(gè)芯片上的冗余的但同時(shí)節(jié)省空間的布置。雖然前面借助優(yōu)選實(shí)施例面描述了以上實(shí)施方式，但是它們并不限于此，而是能 以多種多樣的方式和方法改進(jìn)。尤其地，上述構(gòu)型的各種特征可相互組合。
例如，在以上實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)裝置總是設(shè)置在直線振子上。但是也可行的是，通 過一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)該旋轉(zhuǎn)振子或這些旋轉(zhuǎn)振子，并且該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過耦合部件傳遞到一 個(gè)或多個(gè)非自我驅(qū)動(dòng)的直線振子上。此外，在以上實(shí)施方式中，耦合臂40總是與驅(qū)動(dòng)框架22連接。但是也可行的是， 耦合臂40與檢測框架24連接。最后示出通過分立部件(解調(diào)器、濾波器等)對傳感器信號(hào)Sl和S2的信號(hào)處理。 但是顯然，這些部件也可以借助程序控制的處理器、尤其是作為ASIC實(shí)現(xiàn)。它們也不必一 定要作為分立部件實(shí)現(xiàn)。
1權(quán)利要求
微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，具有第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)，它輸出第一傳感器信號(hào)(S1)，該第一傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)，它輸出第二傳感器信號(hào)(S2)，該第二傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸垂直于該第一旋轉(zhuǎn)軸，耦合部件(40)，它使所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)機(jī)械地相互耦合，和驅(qū)動(dòng)裝置(10)，它驅(qū)動(dòng)所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)，其中，由于通過所述耦合部件(40)的所述機(jī)械耦合，由所述驅(qū)動(dòng)裝置(10)對所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)的驅(qū)動(dòng)也引起對所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)的驅(qū)動(dòng)。
2.微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，具有第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)，它輸出第一傳感器信號(hào)(S1),該第一傳感器信號(hào)含有 關(guān)于繞第一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)，它輸出第二傳感器信號(hào)(S2)，該第二傳感器信號(hào)含有 關(guān)于繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸垂直于該第一旋轉(zhuǎn)軸，耦合部件(40)，它使所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器 元件(30)機(jī)械地相互耦合，和驅(qū)動(dòng)裝置(10)，它驅(qū)動(dòng)所述耦合部件(40)，其中，由所述驅(qū)動(dòng)裝置(10)對所述耦合部 件(40)的驅(qū)動(dòng)也引起對所述第一和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20，30)的驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中， 所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)構(gòu)造為直線振子(21-1，21-2)并且具有第一振動(dòng)體 (22-26)，該第一振動(dòng)體能夠相對于襯底(35)被置于垂直于所述第一旋轉(zhuǎn)軸的直線振動(dòng)運(yùn) 動(dòng)中，其中，所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)振子并且具有第二振動(dòng)體(31)， 該第二振動(dòng)體能夠相對于所述襯底(35)被置于在一個(gè)振動(dòng)平面中的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，該 振動(dòng)平面平行于所述第二旋轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中，所述第 二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)輸出第二和第三傳感器信號(hào)(S2，S3)，其中，所述第二傳感器信號(hào)(S2)含有關(guān)于繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸 平行于所述振動(dòng)平面，所述第三傳感器信號(hào)(S3)含有關(guān)于繞第三旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該 第三旋轉(zhuǎn)軸平行于所述振動(dòng)平面并且與所述第二旋轉(zhuǎn)軸不平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中，所 述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件具有兩個(gè)直線振子(21-1，21-2)，所述旋轉(zhuǎn)振子設(shè)置在這兩個(gè) 直線振子(21-1，21-2)之間。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其 中，所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)組合在一個(gè) 唯一的半導(dǎo)體芯片中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中，所述旋 轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20，30)的振動(dòng)體在所述半導(dǎo)體芯片的半導(dǎo)體材料中結(jié)構(gòu)化，并且設(shè)置由半導(dǎo)體材料制成的耦合臂作為耦合部件(40)。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其 中，所述旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)還具有多路復(fù)用器(50)、信號(hào)處理裝置 (60)和多路分解器(70)，其中，所述第一和第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20，30)分別向所述多路復(fù)用器(50)輸 出至少一個(gè)傳感器信號(hào)(S1;S2)，所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信 息；其中，所述多路復(fù)用器(50)在不同時(shí)間將這些傳感器信號(hào)(SnS2)中的各一個(gè)輸送給 所述信號(hào)處理裝置(60)；其中，所述信號(hào)處理裝置(60)對輸送給它的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理并且向所述多路分 解器(70)輸出；其中，所述多路分解器(70)具有多個(gè)輸出端，處理后的傳感器信號(hào)(Sal，Sa2)在不同時(shí) 間換到不同輸出端上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中，所述信 號(hào)處理裝置(60)具有至少以下部件解調(diào)器(62)，該解調(diào)器對輸送給它的傳感器信號(hào)(S1, S2)解調(diào)；和 低通濾波器(63)，它對解調(diào)后的傳感器信號(hào)低通濾波。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，其中，所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)具有重合的 鏡像平面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微機(jī)械式旋轉(zhuǎn)速率傳感器(100，200，300，400，500)，具有第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)，它輸出第一傳感器信號(hào)(S1)，該第一傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第一旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息；第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)，它輸出第二傳感器信號(hào)(S2)，該第二傳感器信號(hào)含有關(guān)于繞第二旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)的信息，該第二旋轉(zhuǎn)軸垂直于該第一旋轉(zhuǎn)軸；驅(qū)動(dòng)裝置(10)，它驅(qū)動(dòng)所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)；和耦合部件(40)，它使所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)和所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)機(jī)械地相互耦合，使得對所述第一旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(20)的驅(qū)動(dòng)也引起對所述第二旋轉(zhuǎn)速率傳感器元件(30)的驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)G01C19/5712GK101963505SQ20101023692
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者B·庫爾曼, C·格克勒, D·C·邁澤爾, J·克拉森, J·弗賴, J·豪爾, M·弗雷德, T·巴爾斯林科, T·歐姆斯 申請人:羅伯特·博世有限公司