微机电传感器及其操作方法

专利名称：微机电传感器及其操作方法
技术领域：
本发明涉及微机电传感器以及这种传感器的操作方法。
背景技术：
微机电传感器构成了许多机械产品的基础。例如，微机电 传感器经证明在导航领域是非常有用的，在导航领域中将它们
用作为科式陀螺(Coriolis gyroscope)。以下将通过基于科式陀螺 的示例，解释微机电传感器的功能。
科式陀螺具有可产生振荡的质量系统(mass system)。该质 量系统通常具有初始时为相互独立的大量的振荡模式。在科式 陀螺的操作状态下(即在微机电传感器的操作状态下)，人工激 励质量系统的特定振荡模式，下文中将该模式称为"激励振荡"。 如果科式陀螺旋转，则出现科式力，科式力从质量系统的激励 振荡吸取能量并将其传送至质量系统的另 一振荡模式，下文中 将该模式称为"读出振荡"。为了确定科式陀螺的旋转，读出振 荡被分接开(tap off),并且检查读出信号以判断相应的读出振荡 的振幅中是否出现了变化，其中该变化表示对科式陀螺的旋转 的测量。科式陀螺可以实现为开环系统或闭环系统。在闭环系 统中，经由各控制回路将读出振荡的振幅持续复位为固定值， 优选为0，并且测量该复位力。
在这种情况下，能够以多种方式配置科式陀螺的( 一 般为 微机电传感器的)质量系统(下文中还称为"谐振器(resonator)")。 例如，可以使用整体实现的质量系统。作为替代，可以将质量 系统分割成两个振荡器，这两个振荡器经由弹性系统相互耦合 并且能够相对于4皮此进行相对运动。图l中示意性示出科式陀螺20的已知实施例。该科式陀螺20
具有电荷放大器l、模拟/数字转换器2、信号分离器3、解调器4 和5、控制系统6、调制器7、驱动器8和9、谐振器10以及具有四 个电极11广114的电才及系统ll。
可以通过电才及ll广ll4激励谐振器10以产生振荡。此外，可 以通过电极11广1U静电地设置或改变谐振器10的弹性常数。通 过测量由谐振器10在由电极11广1U产生的静电场内的运动引 起的、设置在谐振器10上的电极("可动中央电极")上的电荷转 移Aq,来确定谐振器10的运动。由电荷放大器l将与电荷转移 成比例的信号S 7输出至模拟/数字转换器2,并由后者将其转换 成相应的数字信号Ss，数字信号Ss被送至信号分离器3。借助于 解调器4和5 、控制系统6和调制器7以及驱动器8和9从该信号生 成信号S3 S6,将这些信号S广S6施加于电才及11广114并确保由科 式力引起的谐振器10的挠度(deflection)被补偿。至于科式陀螺 20的精确功能，应当参考例如德国专利申请103 20 675。

发明内容
本发明所基于的目的在于实现一种微机电传感器，例如电 容传感器或压电传感器，该微机电传感器具有尽可能扩展的功 能性，尽管其侉感器电极的数量少。
为了实现该目的，本发明提供了 一种微机电传感器。此外，
本发明提供了该微机电传感器的一种操作方法。可在附属权利
要求中找到本发明的构思的优选结构和发展。
本发明提供了 一种微机电传感器，包括 至少一个可动电才及，
电极布置，其与所述可动电极隔开并且具有多个电极，其 中，能够分开驱动所述多个电极并且能够向所述多个电极施加相应的电极信号，所述电极信号能够用于静电设置/改变谐振器 的施力、弹性常数和读出因子，
电极信号生成单元，其连接至所述电极布置，并且能够被 提供施力信号、弹性常数信号和读出因子信号，这些信号定义 所述可动电极的施力、弹性常数和读出因子将要产生的设置/ 变化，
其中，所述电极信号生成单元以依赖于所述施力信号、所 述弹性常数信号和所述读出因子信号的方式生成各电极信号， 并且使所述电极信号相互匹配，从而能够将所述谐振器的施力、 弹性常数和读出因子相互独立地设置/改变为特定的期望值。
本发明所基于的实质理解是，使得任意期望的电极布置的 电极信号能够相互匹配，从而可以将可动电极的施力、弹性常 数和读出因子相互独立地设置/改变为特定的期望值，由此提供 微电机传感器的操作方法的最大化的灵活性。在这种情况下， "任意期望的电极布置"表示至少三个电极的任意期望的空间布 置。
如上所述，能够以多种方式配置科式陀螺的质量系统(下文
中还称为"谐振器(resonator)")。例如，可以使用整体实现的质 量系统。作为替代，可以将质量系统分割成两个振荡器，这两 个振荡器经由弹性系统相互耦合并且能够相对于彼此进行相对 运动。
在一个实施例中，根据本发明的传感器配置有电荷转移单 元，该电荷转移单元检测在可动电极上所发生的电荷转移，其 中，基于所检测到的电荷转移，可以通过评价单元确定可动电 极的瞬时运动。
在一个实施例中，电极信号生成单元以依赖于施力信号、 弹性常数信号和读出因子信号的方式生成各个电极信号，使得在可动电极上所检测到的电荷转移仅包括源于可动电极的运动
和读出因子的值的电荷转移分量；在这种情况下，应当将读出 因子解释为用于读出可动电极的运动的增益因子。
电极布置可以包括偶数个或奇数个电极。此外，各电极的 维数和结构可以彼此不同。在一个优选实施例中，电极布置包 含例如可分成两个电极对的四个(优选为相同的)电极，其中， 电极#:配置成，相对于将两个电4^l对z波此分开的第 一轴成轴对 称，并且相对于将各个电极对的电极彼此分开的第二轴成轴对 称。优选地，可动电极被配置成相对于两个对称轴的交点成中 心对称。
在将可动电极实现为谐振器的一部分的实施例中，可以激 励可动电极以产生振荡并可将传感器用作为例如科式陀螺。
在包括两个可动电一及、两个电纟及布置和两个电才及信号生成 单元的实施例中，可以通过两个读出因子的相应选择，相互独 立地对两个可动电才及进行读耳又，并且可以相互独立地i殳置运动 (受施力的影响)和弹性常数。
本发明还提供了 一种微机电传感器的操作方法，所述微机 电传感器具有至少一个可动电极和电极布置，所述电极布置与 所述可动电极隔开并且具有多个电极，其中，能够分开驱动所 述多个电极并且能够向所述多个电极施加相应的电极信号，所 述操作方法包括以下步骤
以依赖于施力信号、弹性常数信号和读出因子信号的方式 生成所述电极信号，其中，这些信号定义所述可动电极的施力、 弹性常数和读出因子将要产生的设置/变化，
向相应的电极施加所述电极信号，从而静电设置/改变所述 可动电极的施力、弹性常数和读出因子，
其中，以依赖于所述施力信号、所述弹性常数信号和所述读出因子信号的方式生成各电极信号，并且使所述电极信号相 互匹配，从而将所述可动电极的施力、弹性常数和读出因子相 互独立地设置/改变为特定的期望值。
以下参考附图，在典型实施例中更详细地解释了本发明。


图l示出已知的微机电传感器(科式陀螺)的基本示意图。
图2示出具有 一 个可动电极的根据本发明的微机电传感器 的实施例。
图3a示出具有两个可动电极的根据本发明的微机电传感器 的又 一 实施例。
图3b示出两个读出因子的应用的示意时间特性。
具体实施例方式
图2示出根据本发明的微机电传感器30的优选实施例的节 选。可将在图2中示出的节选近似地比作图1中的调制器7、驱动 器8和9、谐振器IO以及电极布置II广IU的"集合"。
图2示出与可作为例如谐振器(未示出)的 一部分的可动电 极29相互隔开的电极布置31，所述电极布置包括第一 第四电 极31广3U。第一电极3h和第三电极3l3以及第二电极3l2和第四 电才及314分别形成电 一及对。电 一及对的电4及相对于轴A成轴对称布 置。此外，通过垂直于轴A的轴D,电极对相对于4皮此成轴对称 地相互分开。如在图2中所示，可动电才及2M皮配置成例如相对于 两个对称轴A、 B的交点S成中心对称。
此外，可以看到电^L信号生成单元32,可为电4 L信号生成 单元32提供施力信号S2o(还表示为"f")、弹性常数信号S^(还表 示为"A(D，，)和读出因子信号S22(还表示为"m")。在平方单元33中对读出因子信号S 2 2求平方值，并将由此获得的信号S 2 3的负值送 至第一加法级34,在第一加法级34中，将信号S23的负值与弹性
常数信号S^相加。将加法级34的输出信号S24送至第二加法级35 和第三加法级36。在第二加法级35中，将信号S24与信号S2Q相加，
而在第三加法级36中，将信号S2o的负值与信号S24相加。将加法
级35、 36的输出信号S2s、 S26送至平方根单元37、 38,平方根单 元37、 38分别确定信号S2s、 826的平方根。将平方根单元37、 38 的输出信号S27、 S28送至第四 第七加法级39 42,由此，信号
S27、 S28分别与信号Su相加以及从信号S22分别减去信号S27、 S28。
将相应的输出信号S29 S32送至数字/模拟转换器43 46,数字/模 拟转换器43 46将(迄今为止数字的)信号转换成模拟信号u。i、 u。2、 uul、 Uu2并将它们施加于相应的电极31广3U。在本发明中， 信号U。p U。2、 IM和Uu2表示电极信号，并且可以根据施力信号
S20(=f)、弹性常数信号S"(二Aco)和读出因子信号S23(^m)将它们 表示为下
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，电极信号u。pu。2表示存在于位于轴A上方的电极31"
312处的电极信号，且U^、 Uu2表示存在于位于轴A下方的电极
313、 314处的电极信号。可动电极29的连接为虚拟地；测量从 可动电才及29流出的电荷。
图3a和3b示出如何能够以复用方法组合两个可动的、电连接的电极29和50。以在图3b中示出的方式切换的控制信号m!和 m2交替地使各可动电极29、 50对于电荷放大器70可见。可以分 别选择压力fi和f2以及匹配Ac^和A①2。
图3a和3b示出与电连接至至少一个可动电极29的第二可动 电极50相互隔开的电4及布置51,所述电才及布置包括第 一 第四 电极51广514。第一电极5h和第三电极5l3以及第二电极5h和第 四电极514分别形成电极对。电极对的电极相对于轴A2成轴对称 布置。此外，电才及对通过垂直于轴A2的轴D2相对于;f皮此成轴对 称地相互分开。
此外，可以看到第二电极信号生成单元52,可以为电极信 号生成单元52提供第二施力信号^:(还表示为"f2")、第二弹性常 数信号K还表示为"AC02")和第二读出因子信号^(还表示为 "m2")。在第二平方单元53中对第二读出因子信号[求平方值， 并将由此获得的信号^的负值送至第八加法级54，在第八加法
级54中，将信号5的负值与第二弹性常数信号^;相加。将第八
加法级54的输出信号送至第九加法级55和第十加法级56。在 第九加法级55中，将信号5与信号S相加，而在第十加法级56 中，将信号^的负值与信号^相加。将加法级55、 56的输出信 号5、 ^送至第二平方根单元57、 58,第二平方根单元57、 58 分别确定信号S、 S的平方根。将第二平方根单元57、 58的输 出信号^、 ^送至第十一 第十四加法级59 62，由此，将信号
s、 ^分别与信号相加以及从信号^分别减去信号^;、 ^。
将相应的输出信号^ ^送至第二数字/模拟转换器63 66，第 二数字/模拟转换器63 66将(迄今为止数字的)信号转换成模拟 信号S、 、 ^、 并将它们施加于相应的电极51广514。
在本发明中，信号^、 ^、 ^和C表示电极信号，并且可以
根据第二施力信号&、第二弹性常数信号^;和第二读出因子信号^将它们表示为如下
u0l = #032 +f2+m2 (5)
uo2 =-7^2 _m〗+f2+m2 (6) uui "Ak>2 -m;_f2 -m2 (7)
uu2 =_^032 -m;_f2 -m2 (8)
其中，电极^、 ^表示存在于位于轴A2上方的电极5h、 512处的电极信号，并且^、表示存在于位于轴A2下方的电 极513、 514处的电^1信号。
在下面的说明中将详细解释本发明的其它方面。 如果在用于测量加速度或旋转速率的(电容)微机电传感器 的操作期间能够满足如下要求，则是有利的
1. 期望能够将规定的静电生成力施加在可动电极上(力 矩器功能(torq雨function))。
2. 期望能够将规定的静电生成力施加至相同的可动电极 上。弹性常数通常为负的并且倾向于使正的机械弹性 "软化"到预定程度，由此使得能够实现机械振荡器的 自然谐振的规定调谐。
3. 期望能够通过可设置的读出因子而使得电极的挠度可 测量(传感器功能(pick-off function))。
4. 一个目的是使得在操作期间，测量信号有可能不包含 依赖于挠度和读出因子的分量以外的任何其它分量。
假定设置了具有可动电极的电容器。电极可在启动点 (actuation point)移动挠度x。则电容依赖fx:C=C(x)。它是从如 下能量定理中得出的在启动点向电容器施加电压U的情况下，静电力
F = ^^ (9)
起作用。差动电容器是具有公共启动点的两个电容器，其中
d(X"C2(-X) (10)
为真。则近似如下的情况
d(x) = Co(l + otx + OC2X2) (11)
并且由此
C2(x) = C0(l - alX + a2x2) (12) 如果在电容器中存在电压Ui和U2,则在可动电极的启动点的 力变为
F = ^^ + HI^ (13) 2 dx 2 dx
将(11)和(12)代入，得出
F = (Uf -U)o^Co + 2x(Uf + U;)a2C。 (14)
因此，力包括不依赖于x的部分，以及与x成比例且与弹性常
数相对应的部分。不依赖于x的部分与Uf-U〗成比例，并且弹性
常数与U +U〖成比例。
在四个电容器的情况下，其中
C0l(x) = C。2(x) = C0(l + ap + a2x2) (15)
Cul(x) = Cu2(x) = Cu(l - + a2x2) (16)
相应地，对于力，下面的等式为真
F = + "022 - K -"〗Xo + 2《+ "022 -《-《)"2C0 (17)
这里，因此，不依赖于距离的项与以下成比例U^+U。22—!^—U^ (18) 并且弹性常数与以下成比例
U>U 2 (19)
不依赖于距离的部分适合于施加期望的力(复位、力矩器)， 并且弹性常数在与弹性质量系统相互作用中使得能够将后者调 谐至期望的谐振频率。
对于电荷，下面的等式为真
Q = C0lU0l + Co2Uo2 + CulUul + Cu2Uu2 (20) 代入(15)和(16),并忽略二次项，得出
Q = 2C0(Uol + Uo2 + Uul + Uu2) (21)
+ 2C0(Uol + Uo2 - Uul - Uu2)oclX (22)
第 一 项生成不依赖于x的串扰(crosstalk)(并且通常是不想要 的)，而第二部分与x成比例，并且因此适合于读出挠度x。如果 考虑了二次项，则
Q = 2C0(Uol + Uo2 + Uul + Uu2)(l + a2x2) (23)
+ 2C0(Uol + Uo2 - Uul - Uu2)o^x (24)
并且该二次项连同常数项一起成为零(在使串扰为O，即令U。, + U。2 + Uul + Uu2 = O的情况下)。
利用根据本发明的传感器和根据本发明的传感器，使得要 求1.) 3.)能够相互独立地得到满足。因此，使得以下两点均成 为可能，即，能够在未生成读出信号的情况下施加力，以及相 应地，对于不同于0的读出因子，不施加力成为必然的结果。
对于一般的电极布置，如果考虑了以下的规则，则可以建 立与等式类似的系统
全部电极上的电荷总是具有这样的量级，使得1) 总计在电荷放大器输入处，不存在不依赖于挠度X的
项，
2) 总计在电荷放大器输入处，存在依赖于挠度X并且具有 可设置的增益因子的部分，
3) 在可动电极上，存在不依赖于挠度X的、可设置的力效
应，
4) 在可动电极处，存在可以根据弹性常数进行设置的静
电弹性。
如果例如将可设置的读出因子配置为具有与电极振荡相同 的频率的正弦载波，则读出因子可用于实现例如"向下转换
(down-converting)检测器"。在这种情况下，将振荡向下转换至 频率O,这产生了相位感测解调器。此外，通过可设置的读出因 子，可以通过以下程序来读出时分复用方法中的多个振荡器的 读出函数，即，总是仅将一个振荡器的读出因子设置为不同于0 的值，并因此利用通用电荷放大器按时间顺序总是仅检测 一 个 振荡器的运动，其中所述多个振荡器的可动电极电连接。基于 电容测量的读出函数
通常具有如下效果当通过电压U接通读出因子时，不仅存在 依赖于挠度Ax的分量，而且另外同时还存在相当大的依赖于静 电容Co的部分。如下面基于图2中的术语所示，根据本发明的方 法抑制了该不期望的部分。
根据等式(18)，作用于可动电极29上的力与以下成比例。
《+《2 -《-"2 二 4/ (26) 由此满足了要求1。根据等式(19),由静电弹性导致的失谐
(detuning)与以下成比例。《+《+《+《=(27) 由此满足了要求2。根据等式(21),读出因子与以下成比例。
wol +W。2_wMl- 2 = 4m (28) 由此满足了要求3。此外，根据等式(22)，
"。i + "。2 + "d + " 2 = 0 (29) 由此，最终满足了要求4。对于正确的函数，必须执行标注 (dimensioning), 以4匕4吏4寻总是<formula>formula see original document page 17</formula>
因此，本发明描述了具有分割电极(split electrode)的微机 电传感器(MEMS传感器)的操作方法。根据本发明的方法允许， 在包括多个以电的方式耦合的可动电极的系统中，相互独立地 设置激励力、谐振调谐和读出因子。因此，复用操作中的读出 处理可以完全与激励处理(激励振荡的生成)，以及调谐处理(例 如，从激励振荡至读出振荡的频率调谐，以获得双共振谐振 (double-resonant resonator》无关。
权利要求
1.一种微机电传感器(30)，包括至少一个可动电极(29)，电极布置(311～314)，其与所述可动电极(29)隔开并且具有多个电极，其中，能够分开驱动所述多个电极并且能够向所述多个电极施加相应的电极信号(uo1，uo2，uu1，uu2)，所述电极信号能够用于静电设置/改变谐振器的施力、弹性常数和读出因子，电极信号生成单元(32)，其连接至所述电极布置(311～314)，并且能够被提供施力信号(f)、弹性常数信号(Δω)和读出因子信号(m)，这些信号定义所述可动电极(29)的施力、弹性常数和读出因子将要产生的设置/变化，其中，所述电极信号生成单元(32)以依赖于所述施力信号、所述弹性常数信号和所述读出因子信号(f，Δω，m)的方式生成各电极信号(uo1，uo2，uu1，uu2)，并且使所述电极信号(uo1，uo2，uu1，uu2)相互匹配，从而能够将所述谐振器的施力、弹性常数和读出因子相互独立地设置/改变为特定的期望值。
2. 根据权利要求1所述的微机电传感器(30),其特征在于， 电荷转移单元，其检测在所述可动电极(29)上所发生的电荷转移，以及评价单元，其基于所检测到的电荷转移确定所述可动电极 (29)的瞬时运动。
3. 根据权利要求2所述的微机电传感器(30),其特征在于， 所述电极信号生成单元以依赖于所述施力信号、所述弹性常数信号和所述读出因子信号(f， Aco， m)的方式生成各电极信 号(u。,， U。2， uul， uu2),从而使得所述电荷转移仅包含源于所述可 动电极(2 9)的运动和所述读出因子的值的电荷转移分量。
4. 根据权利要求1至3中任 一 项所述的微机电传感器(3 0)，其特征在于，所述电极布置(31广314)包含四个电极。
5. 根据权利要求4所述的微机电传感器(30),其特征在于， 将所述四个电极(31广3l4)分成两个电才及对(3h, 313; 312，314),其中，所述电极被配置成相对于将所述两个电极对(3h， 313; 312， 3U);波此分开的第一轴(B)成轴对称，并且相对于将各 个所述电极对(3h， 313; 312， 314)中的电极彼此分开的第二轴(A) 成轴对称。
6. 根据权利要求5所述的微机电传感器(30),其特征在于， 所述可动电极(29)被配置成相对于所述两个对称轴(A、 B)的交点(S)成中心对称。
7. 根据权利要求5所述的微机电传感器(30)，其特征在于， 通过如下等式给出所述电极信号(u。！， U。2, uul， uu2):其中，(A(D)表示所述弹性常数信号的值，(m)表示所述读出 因子信号的值，(f)表示所述施力信号的值，(uQl， U。2)表示位于所述第二轴上方的电极信号的值，且(Uui, U。2)表示位于所述第二轴下方的电极信号的值。
8.根据权利要求7所述的微机电传感器(30)，其特征在于，如下关系式为真
9.根据权利要求1至8中任一项所述的微机电传感器(30)，其特征在于，所述可动电极(2 9)实现为谐振器的 一 部分。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的微机电传感器(30), 其特征在于，第二可动电极(50),其电连接至所述至少一个可动电极(29)，第二电极布置(51广514),其与所述第二可动电极(50)隔开 并且具有另外的多个电极，其中，能够分开驱动所述另外的多 个电极并且能够向所述另外的多个电极施加相应的电极信号^， ^;， ^;)，所述电极信号能够用于静电设置/改变所述第二可动电极(50)的施力、弹性常数和读出因子，第二电极信号生成单元(52),其连接至所述第二电极布置 (5h 514),并且能够被提供第二施力信号(f2)、第二弹性常数信 号(Aco2)和第二读出因子信号(m2),这些信号定义谐振器的施 力、弹性常数和读出因子将要产生的设置/变化，其中，所述第二电极信号生成单元(52)以依赖于所述第二 施力信号、所述第二弹性常数信号和所述第二读出因子信号(f2,A 2，m2)的方式生成各电极信号((^;， ^;, ^;, ^)),并且使所述电极信号(U。h U。2， Uul， Uu2)相互匹配，从而能够不依赖于所述至少一个可动电极(29)的施力、弹性常数和读出因子，而将所 述第二可动电极(50)的第二施力、第二弹性常数和第二读出因 子相互独立地设置/改变为特定的期望值。
11. 一种微机电传感器(30)的操作方法，所述微机电传感 器(30)具有至少一个可动电极(29)和电极布置(3h 314),所述电 极布置(31i 3U)与所述可动电极(29)隔开并且具有多个电极， 其中，能够分开驱动所述多个电极并且能够向所述多个电极施 加相应的电极信号(u。n u。2， uul, uu2),所述操作方法包括以下步 4骤以依赖于施力信号(f)、弹性常数信号(Aco)和读出因子信号 (m)的方式生成所述电极信号(u。i， U02， Uub Uu2)， 其中，这些信 号定义所述可动电极(29)的施力、弹性常数和读出因子将要产 生的设置/变化，向相应的电才及施加所述电极信号(U。！， U。2, Uul, Uu2),从而静电设置/改变所述可动电极(29)的施力、弹性常数和读出因子，其中，以依赖于所述施力信号(f)、所述弹性常数信号(Aco) 和所述读出因子信号(m)的方式生成各电极信号(iM, u。2, uul, uU2)，并且使所述电极信号相互匹配，从而将所述可动电极(29) 的施力、弹性常数和读出因子相互独立地设置/改变为特定的期 望值。
全文摘要
一种微机电传感器(30)，包括至少一个可动电极(29)，电极布置(31₁～31₄)，其与可动电极(29)隔开并且具有多个电极，其中，能够分开驱动多个电极并且能够向多个电极施加相应的电极信号(u_o1，u_o2，u_u1，u_u2)，电极信号能够用于静电设置/改变谐振器的施力、弹性常数和读出因子，电极信号生成单元(32)，其连接至电极布置(31₁～31₄)，并且能够被提供施力信号(f)、弹性常数信号(Δω)和读出因子信号(m)，这些信号定义可动电极(29)的施力、弹性常数和读出因子将要产生的设置/变化，其中，电极信号生成单元(32)以依赖于施力信号、弹性常数信号和读出因子信号(f，Δω，m)的方式生成各电极信号(u_o1，u_o2，u_u1，u_u2)，并且使电极信号(u_o1，u_o2，u_u1，u_u2)相互匹配，从而能够将谐振器的施力、弹性常数和读出因子相互独立地设置/改变为特定的期望值。
文档编号G01C19/56GK101517359SQ200780034372
公开日2009年8月26日 申请日期2007年8月8日 优先权日2006年9月15日
发明者冈特·斯帕林格 申请人:诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司