[发明专利]微机电传感器及其操作方法

说明书

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彼此进行相对运动。

图1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1、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11₁～11₄的电极系统11。

可以通过电极11₁～11₄激励谐振器10以产生振荡。此外，可以通过电极11₁～11₄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11₁～11₄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Δq，来确定谐振器10的运动。由电荷放大器1将与电荷转移成比例的信号S₇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S₈，数字信号S₈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S₃～S₆施加于电极11₁～11₄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，尽管其传感器电极的数量少。

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：

至少一个可动电极，

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/改变可动电极的施力、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。

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。