CN102353367A - 旋转速率传感器、传感器装置、用于运行旋转速率传感器的方法和用于运行传感器装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种旋转速率传感器、一种传感器装置、一种用于运行旋转速率传感器的方法和一种用于运行传感器装置的方法，该旋转速率传感器具有衬底和振动质量，其中该振动质量可利用驱动单元被激励至相对于衬底的工作振动并且振动质量相对于衬底的科里奥利偏转是可检测的，其中所述旋转速率传感器还具有中断接口，驱动单元被配置用于在中断接口上出现中断信号时降低工作振动的频率和/或振幅。

Description

旋转速率传感器、传感器装置、用于运行旋转速率传感器的方法和用于运行传感器装置的方法

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的旋转速率传感器。 

背景技术

这种旋转速率传感器通常是公知的。例如由文献DE 195 19 488 A1已知一种具有第一和第二振动质量的旋转速率传感器，其中，利用激励器件将第一和第二振动质量分别激励至工作振动，第一振动质量的第一科里奥利偏转和第二振动质量的第二科里奥利偏转分别利用分析处理器件被检测并且为了确定旋转速率相应被差分地分析处理。在此它涉及所谓的有源传感器，因为为了测量科里奥利偏转第一和第二振动质量必需持续地被激励至工作振动。因此当不存在要被测量的旋转速率时旋转速率传感器也消耗能量。 

发明内容

与现有技术相比按照并列权利要求的按照本发明的旋转速率传感器、按照本发明的传感器装置、按照本发明的用于运行旋转速率传感器的方法和按照本发明的用于运行传感器装置的方法的优点是，只要在旋转速率传感器上出现中断信号，则旋转速率传感器的能耗降低。以有利的方式将中断信号通过中断接口直接施加在旋转速率传感器本身上，由此直接引起工作振动的频率和/或振幅的降低以减小旋转速率传感器的能耗，而无需附加的外部的控制单元、如微控制器或处理器来接通旋转速率传感器的节能模式。通过这种方式一方面节省这种外部控制单元的能耗，另一方面显著更快地(尤其无需通过外部的控制单元的绕道路径)引起旋转速率传感器上的能耗降低。此外可能的是，外部的控制单元在时间上在旋转速率传感器之前已经置于节能模式中，由此可进一步降低总能耗。在此有利地将中断 接口相对简单地、成本有利地且结构空间紧凑地集成到旋转速率传感器中。工作振动的频率和/或振幅的降低在本发明的意义上尤其意味着，旋转速率传感器从运行模式被置于节能模式、尤其“睡眠模式”或者“低能耗模式”中，在睡眠模式中完全关停工作振动(频率和振幅基本等于零)，在低能耗模式中工作振动以降低的能耗工作(频率和/或振幅与正常运行模式相比降低)。中断信号优选由外部部件产生，外部部件尤其包括无源传感器，由此通过外部部件引起的能耗小于通过旋转速率传感器在运行模式中引起的能耗。无源传感器包括例如加速度传感器，当没有测量到加速力和/或测到的加速力不超过确定的阈值时，加速度传感器在中断接口上产生中断信号。通过这种方式优选保证，不出现可由旋转速率传感器测到的旋转速率并因此有理由将旋转速率传感器置于节能模式中，在此不会“忽略”要测量的旋转速率。该旋转速率传感器优选包括微机械的旋转速率传感器，其中衬底包括半导体衬底、尤其是硅。中断接口优选包括旋转速率传感器的连接管脚，它起到电触点并且尤其起到简单的插接触点的作用。 

本发明的有利扩展结构和改进方案可由从属权利要求以及借助于附图的描述得出。

按照一种优选的实施形式规定，旋转速率传感器具有电路单元，该电路单元与中断接口并且与驱动单元功能耦联，其中，电路单元被配置用于检测中断信号并且电路单元被这样地配置用于根据中断信号控制驱动单元，使得在检测到中断信号时降低工作振动的频率和/或振幅。以有利的方式通过电路单元这样控制驱动单元，使得旋转速率传感器的能耗在检测到中断信号时无延迟地被降低。在此电路单元尤其利用简单且特别低能耗的电和/或电子的电路实现，但是变换地也可以设想使用ASIC(Application Specified Integrated Circuit)和/或微控制器作为电路单元。驱动单元优选包括例如呈指形电极驱动器和/或电容板驱动器形式的电容式驱动器，使得由驱动单元利用静电的交互作用驱动振动质量(seismischen Masse)至工作振动。在此优选利用驱动单元的电极与振动质量的配对电极之间的交变电压感应出静电的交互作用。该电路单元特别优选配置用于降低交变电压的频率和/或振幅和/或关断交变电压，只要在中断接口上检测到中断信号。 

按照一种优选的实施形式规定，旋转速率传感器被配置用于当在中断 接口上的中断信号消失时接通工作振动和/或将频率和/或振幅提高到初始值。以有利的方式，只要在中断接口上不再出现中断信号，就将旋转速率传感器从节能模式中重新唤醒并且返回到其运行模式中，在该运行模式中由旋转速率传感器精确地检测旋转速率。例如只要外部部件和尤其加速度传感器检测到相应的加速度信号，该加速度信号充分证实要被测量的旋转速率的存在性，就实现这个唤醒过程，以便将旋转速率传感器置于运行模式中。 

按照一种优选的实施形式规定，旋转速率传感器具有数据接口，其中旋转速率传感器通过数据接口与工作处理器连接，其中旋转速率传感器优选配置用于通过数据接口将与科里奥利偏转有关的输出信号输出到工作处理器，其中数据接口特别优选与中断接口无关。以有利的方式在旋转速率传感器的运行模式中将由旋转速率传感器测到的输出信号传导到工作处理器，输出信号尤其与出现的旋转速率成比例。在此中断接口和数据接口优选相互独立或相互分开，使得中断信号由外部部件不必强制地通过工作处理器传导到旋转速率传感器，而是取而代之直接施加在旋转速率传感器上。数据接口优选是数字的数据接口。中断接口的结构与数据接口无关的构造的优点是，不必通过数据接口传递附加的信息并因此不限制数据接口的带宽。工作处理器优选包括微控制器，它被设置用于应用或继续处理旋转速率信息。 

本发明的另一内容是传感器装置，具有按照本发明的旋转速率传感器和一个传感器，其特征在于，旋转速率传感器通过中断接口与该传感器耦联，其中该传感器配置用于根据传感器信号通过中断接口输出中断信号。因此该传感器起到上述的外部部件的作用。传感器信号以有利的方式用作旋转速率存在或缺失的指标。因此根据传感器信号例如尤其在一定的时间间隔上确定旋转速率的缺失并接着产生中断信号，通过中断信号将旋转速率传感器从运行模式置于节能模式中。相反，在检测到旋转速率时，通过关断中断信号使旋转速率传感器从节能模式返回到运行模式中。特别优选该传感器包括无源传感器，它比在运行模式中的旋转速率传感器具有更低的能耗，使得传感器装置的总能耗在旋转速率传感器的节能模式期间相对低。 

按照一种优选的实施形式规定，该传感器被配置用于根据传感器信号与传感器阈值的比较通过中断接口输出中断信号和/或该传感器包括加速度传感器和/或接近传感器。以有利的方式所述传感器包括加速度传感器，其中传感器信号包括由加速度传感器测得的加速度值，它用作旋转速率的存在或缺失的指标，使得当没有检测到加速力和/或测到的加速力不超过确定的阈值时，在中断接口上产生中断信号。中断接口尤其与加速度传感器的“ANY-MOTION”输出端耦联。 

本发明的另一内容是一种用于运行旋转速率传感器的方法，其中利用驱动单元激励振动质量到工作振动并且检测振动质量垂直于工作振动的科里奥利偏转，其中当在旋转速率传感器的中断接口上检测到中断信号时，降低工作振动的频率和/或振幅。以有利的方式如同上面已经详细描述地那样，只要在中断接口上出现中断信号，就使旋转速率传感器从运行模式置于节能模式中。通过这种方式与现有技术相比能以简单的方式和方法降低旋转速率传感器的能耗，无需附加的耗能的外部控制单元、例如微控制器或处理器来接通旋转速率传感器的节能模式。 

按照一种优选的实施形式规定，利用电路单元监控中断接口出现中断信号并且利用电路单元这样控制驱动单元，使得在检测到中断信号时降低工作振动的频率和/或振幅，其中工作振动的频率和/或振幅优选这样多地降低，使得停止工作振动。因此以有利的方式持久地由电路单元监控中断接口，使得节能模式以“睡眠模式”或者“低能耗模式”形式被接通，在该睡眠模式中工作振动完全关断(频率和振幅基本等于零)，在低能耗模式中工作振动以降低的能耗工作(频率和/或振幅与正常的运行模式相比降低)。 

按照一种优选的实施形式规定，只要不再检测到中断信号，就再接通工作振动和/或将工作振动的频率和/或振幅再提高到初始值。只要中断信号消失或中断(例如由传感器或外部部件)，则以有利的方式尤其利用电路单元使旋转速率传感器从节能模式返回到运行模式。 

按照一种优选的实施形式规定，当检测不到中断信号时，根据科里奥利偏转优选产生输出信号，它通过尤其与中断接口无关的数据接口传导到工作处理器。 

本发明的另一内容是一种用于运行传感器装置的方法，该传感器装置 具有旋转速率传感器和传感器，其特征在于，通过按照本发明的用于运行旋转速率传感器的方法运行所述旋转速率传感器，其中由传感器产生中断信号，优选根据传感器信号与传感器阈值的比较产生中断信号并且特别优选当由传感器、尤其加速度传感器测到确定的加速度值时产生中断信号。因此以有利的方式尤其产生由加速度传感器测到的加速度值，它用作旋转速率的存在或缺失的指标，从而当没有测到值得一提的加速力和/或测到的加速力不超过一定的阈值时，在中断接口上产生中断信号。 

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中详细解释。附图中： 

图1示出按照本发明第一实施形式的传感器装置的示意图，和 

图2和3示出按照本发明第二实施形式的传感器装置的两个运行状态的示意图。 

在不同的图中相同的部件总是配有相同的附图标记并因此通常也只列举或提及一次。 

具体实施方式

在图1中示出按照本发明第一实施形式的传感器装置15的示意图。该传感器装置15包括仅示意地且举例地构成的微机械的旋转速率传感器1以及微机械加速度传感器10形式的无源传感器10。旋转速率传感器1包括衬底2和可相对于衬底2运动地悬挂的振动质量3(经常也称为科里奥利元件或传感器元件)。利用电容式驱动单元4激励振动质量3至工作振动5，该工作振动在本示例中平行于衬底2的主延伸平面100取向。为此驱动单元4包括与衬底固定的指形电极结构4’，振动质量3的构造为指形电极的配对电极4”嵌入指形电极结构之间。在振动质量3的每个侧面上分别在指形电极4’与配对电极4”之间施加的交变电压由于指形电极结构4’与配对电极4”之间的静电的交互作用而在振动质量3上产生驱动力，由此感应出工作振动。如果现在出现旋转速率17，它垂直于工作振动5并平行于主延伸平面100取向，则在振动质量3上作用垂直于主延伸平面100的科里奥利力，由此引起振动质量3垂直于主延伸平面100的科里奥利偏转6。科里奥利偏 转6是要被测量的旋转速率17的尺度，并且利用面状电极元件14电容地被测量，面状电极元件例如设置在振动质量3与衬底2之间。取决于科里奥利偏转6的输出信号13通过数据接口12被发送到工作处理器6，该工作处理器被设置用于继续处理输出信号13。数据接口12尤其包括数字接口，使得输出信号13作为数字数据传输到工作处理器11。如果没有旋转速率17出现并且尤其在一定的时间间隔上没有测到旋转速率17，则为了节能应当将旋转速率传感器1从所述的运行模式通过降低工作振动5的频率和/或振幅置于节能模式中。节能模式尤其包括“睡眠模式”或者“低能耗模式”，在睡眠模式中工作振动5完全关断(频率和振幅基本等于零)，在低能耗模式中工作振动5以降低的耗能工作(频率和/或振幅与正常运行模式相比降低)。为此旋转速率传感器1具有中断接口7，它例如以附加的连接管脚或类似部件的形式实现。中断接口7与电路单元9耦联，电路单元在出现中断信号8方面有时或连续地检验中断接口7。电路单元9还与驱动单元4耦联，其中驱动单元4由电路单元9这样控制，使得旋转速率传感器1被置于节能模式中，即只要在中断接口7上检测到中断信号8，则降低工作振动5的频率和/或振幅或者置为零。接着使旋转速率传感器1优选这样长时间地保持在节能状态中，只要在中断接口7上存在中断信号8。如果中断接口7在以后的某时刻又没有中断信号8，则使旋转速率传感器1重新被置于运行模式中，即，这样控制驱动单元4，使得工作振动5再接通和/或使工作振动5的频率和/或振幅再返回到初始值。在此中断信号8由无源传感器10(也称为外部部件)接通或关断，它优选包括微机械的加速度传感器。由加速度传感器测到的加速度值以传感器信号的形式与传感器阈值进行比较。当加速度值低于传感器阈值(尤其对于一定的时间间隔)时，产生中断信号8，因为在这种情况下也不出现由旋转速率传感器1要测量的旋转速率17。在加速度值超过传感器阈值的情况下中止中断信号8，由此旋转速率传感器1可以执行旋转速率测量。可以设想，原则上旋转速率传感器1也可以不同于在图1中举例示出的旋转速率传感器1。例如可以设想通过差分工作的具有两个振动质量3的旋转速率传感器1和/或通过多通道的旋转速率传感器1实现，它用于测量垂直于主延伸平面100和/或垂直于工作振动5的附加旋转速率。此外可以设想以平板电容驱动器或类似装置的形式 实现驱动单元4。 

在图2和3中示出按照本发明第二实施形式的传感器装置15的两个运行状态的示意图，其中第二实施形式基本与图1中所示的第一实施形式相同。在图2中示出在运行模式中的旋转速率传感器1，在该运行模式中在中断接口7上没有中断信号8。在这个运行模式中旋转速率传感器1持久地执行旋转速率测量并且根据测到的科里奥利偏转6通过数据接口12将输出信号13传输到工作处理器11，该工作处理器尤其包括微控制器。在图3中由传感器10检测的传感器信号低于传感器阈值，由此在中断接口7上出现中断信号8。因此旋转速率传感器1通过降低工作振动5的振幅和/或频率置于节能状态中，在该节能状态中不执行旋转速率测量。因此没有输出信号13通过数据接口12发送到工作处理器11上。该事实情况通过虚线的数据接口12示意示出。 

Claims (10)

1.旋转速率传感器(1)，具有衬底(2)和能够相对于所述衬底(2)运动的振动质量(3)，其中，所述振动质量(3)能利用驱动单元(4)激励至相对于所述衬底(2)的工作振动(5)并且所述振动质量(3)垂直于所述工作振动(5)的科里奥利偏转(6)是可检测的，其特征在于，所述旋转速率传感器(1)具有中断接口(7)，其中，所述驱动单元(4)被配置用于在所述中断接口(7)上出现中断信号(8)时降低所述工作振动(5)的频率和/或振幅。

2.如权利要求1所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述旋转速率传感器(1)具有电路单元(9)，所述电路单元与所述中断接口(7)并且与所述驱动单元(4)在功能上耦联，其中，所述电路单元(9)被配置用于检测所述中断信号(8)并且所述电路单元(9)这样被配置用于根据所述中断信号(8)控制所述驱动单元(4)，使得在检测到所述中断信号(8)时降低所述工作振动(5)的频率和/或振幅。

3.如上述权利要求中任一项所述的旋转速率传感器(1)，其特征在于，所述旋转速率传感器(1)被配置用于当在所述中断接口(7)上的中断信号(8)消失时接通所述工作振动(5)和/或将所述频率和/或振幅提高到初始值，和/或所述旋转速率传感器(1)具有数据接口(12)，其中，所述旋转速率传感器(1)通过所述数据接口(12)与工作处理器(11)连接，所述旋转速率传感器(1)优选被配置用于通过所述数据接口(12)将与科里奥利偏转(6)有关的输出信号(13)输出到所述工作处理器(11)，所述数据接口(12)特别优选与所述中断接口(7)无关。

4.传感器装置(15)，具有如上述权利要求中任一项所述的旋转速率传感器(1)和一传感器(10)，其特征在于，所述旋转速率传感器(1)通过中断接口(7)与所述传感器(10)耦联，其中，所述传感器(10)被配置用于根据传感器信号通过所述中断接口(7)输出中断信号(8)。

5.如权利要求4所述的传感器装置(15)，其特征在于，所述传感器(10)被配置用于根据所述传感器信号与传感器阈值(16)的比较通过所述中断接口(7)输出中断信号(8)，和/或所述传感器(10)包括加速度传感器和/或接近传感器。

6.用于运行旋转速率传感器(1)、尤其如权利要求1至4中任一项所述的旋转速率传感器(1)的方法，其特征在于，利用驱动单元(4)将振动质量(3)激励至工作振动(5)并且检测所述振动质量(3)垂直于所述工作振动(5)的科里奥利偏转(6)，其中，当在所述旋转速率传感器(1)的中断接口(7)上检测到中断信号(8)时，降低所述工作振动(5)的频率和/或振幅。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，利用电路单元(9)在中断信号(8)的出现方面监控所述中断接口(7)并且利用所述电路单元(9)这样控制所述驱动单元(4)，使得在检测到中断信号(8)时降低所述工作振动(5)的频率和/或振幅，其中，所述工作振动(5)的频率和/或振幅优选这样程度地降低，使得所述工作振动(5)停止。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，只要在所述振动接口(7)上不再检测到所述中断信号(8)，就重新接通所述工作振动(5)和/或将所述工作振动(5)的频率和/或振幅重新提高到初始值。

9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，当检测不到中断信号(8)时，根据科里奥利偏转(6)优选产生输出信号(13)，所述输出信号通过尤其与所述中断接口(7)无关的数据接口(12)传导到工作处理器(11)。

10.用于运行具有旋转速率传感器(1)和传感器(10)的传感器装置(15)的方法，其特征在于，通过如权利要求6至9中任一项所述的方法运行所述旋转速率传感器(1)，其中，由所述传感器(10)产生所述中断信号(8)，并且优选根据传感器信号与传感器阈值(16)的比较产生所述中断信号(8)并且特别优选当低于确定的加速度值时产生所述中断信号(8)。

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