CN102362152A - 用于共振地驱动微机械系统的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于共振地驱动微机械系统的装置，包括：至少一个被弹簧振动式支承的感振质量；至少一个用于驱动所述感振质量振动的驱动装置；和至少一个与所述感振质量运动耦合的元件。该装置还包括至少一个用于检测随所述感振质量的振动变化的、在运动耦合的元件与检测元件之间的关系参数的检测元件，其中，所述检测元件被设置用于在达到所述关系参数的一预给定的值时引起振动驱动装置的中断。

Description

用于共振地驱动微机械系统的装置

技术领域

本发明描述一种用于共振地驱动微机械系统的装置。

背景技术

在微系统技术中，尺寸在微米范围内的部件在用于不同应用的系统(MEMS＝微电子机械系统)中协同作用。这些微机械系统通常具有一个或多个传感器和促动器以及一控制电子装置。微机械系统相对于传统的“宏观系统”首先提供在节约成本(材料、并行制造的消耗更少)和效率(少的能量和功率需求实现自主的系统)上的优点。此外，它们提供了大的功能谱、高的功能密度、新的功能性(电的和非电的功能的集成)。因为通过集成和微型化可以充分利用新的物理效应并且短的信息路径导致短的反应时间。此外，它们大多数具有比传统的系统更高的可靠性，主要由于取消了插头和电缆。

在传感器或者促动器和电子装置协同工作的地方，到处可想到微机械系统的应用。最大的应用领域之一是惯性传感器，例如陀螺仪、加速度和斜度传感器。此外，它们应用在机动车领域用于触发安全气囊并且用于侧滑和倾翻检测。尤其单轴或者多轴的微机械的转动率传感器被应用于最不同的应用领域(在机动车领域中例如用于ESP，导航和倾翻感测＝ROSE；在消费品领域例如用于稳定图像，运动检测和导航)。这些传感器的一常用的实现方式利用了利里奥利效应：悬挂在弹簧上的质量通过一驱动机构在第一方向上被置于振动运行中，由此在存在转动率时在第二方向上利里奥利力作用在该质量上。该力既垂直于驱动方向也垂直于存在的转动率作用并且例如在第三方向上引起质量的运动或者振荡。

由DE 195 23 895公知了一种加速度传感器，该加速度传感器尤其构造为利里奥利-转动率传感器。在一实施方式中，该利里奥利-转动率传感器也被设计用于检测直线加速度。对此，一附加的电子的位置调节装置配置给一振动结构，该振动结构由感振质量构成并且可旋转振动地被悬挂，该电子的位置调节装置检测和衰减作用在振动结构上的直线加速度。该电子的位置调节装置由设置在振动质量上的梳形结构构成，这些梳形结构与其他的梳形结构作呕那个，使得这两个梳形结构之间的电容可通过电压加载测量。在振动结构通过一直线加速度偏移时，在这些梳形结构的各个指部之间的距离变化，由此生成电容变化，该电容变化借助位置调节电子装置检测。通过静电学的作用，通过施加在梳形结构上的电压变化，可将在这些梳形结构之间的距离调节到一预给定的额定值上。该用于距离调节的电压大小同时提供了关于作用在振动结构上的直线加速度的大小的消息。

为了驱动转动率传感器，通常由一电路生成周期的电压变化曲线(例如正弦或者矩形脉冲)，电压变化曲线然后通过在传感器上的电容的驱动结构转换成周期的驱动力，周期的驱动力使该结构(即感振质量)处于振动中。为了将传感器驱动到它的机械共振频率上，有利的是，适当地选择和/或调节驱动力的激励频率。在共振频率的情况下，在感振质量的通过驱动力引起的运动速度与驱动力之间不存在相位偏移。

为了能够控制振幅，转动率传感器在分析处理电路中通常也配有还具有用于检测驱动运动的元件以及相应的调整电路。在如今可利用的传感器中，该驱动电路然而占据一相对较大的空间，即有源的电路面积的约0％至40％。

发明内容

根据本发明提出一种用于共振地驱动微机械系统的装置，该装置包括至少一个被弹簧振动式支承的感振质量、至少一个驱动感振质量振动的驱动装置和至少一个与感振质量运动耦合的元件。此外，该装置包括至少一个用于检测一随感振质量的振动变化的、在运动耦合的元件和检测元件之间的关系参数的检测元件，其中，该检测元件被设置用于在达到关系参数的一预给定的值时引起振动驱动装置的中断。根据本发明的装置适合用于共振地驱动微机械系统，该情况不意味本发明局限于共振的驱动。该关系参数及其预给定的值(在该预给定的值时发生振动驱动装置的中断)也完全可以这样地选择，使得感振质量不以它的共振频率振动。

根据本发明的装置以有利的方式能够将驱动电路减至最少，而不舍弃已调节的振幅和共振频率。在此，该提出的驱动装置方案几乎完全地舍弃有源的电路结构并且因此比传统的驱动装置所需的面积明显更少。用于控制和调节驱动振幅的真正的驱动检测也在MEMS侧更加面积有效地实现。

本发明其他的有利构型由在从属权利要求中提到的其他特征得出。

附图说明

本发明在下面根据实施例参考附图被详细地解释。

附图举例地示出根据本发明的用于共振地驱动微机械系统的装置的一种实现可能性。

具体实施方式

因此，该装置包括至少一个被弹簧振动式支承的感振质量。这在附图中通过一质量元件10实现，该质量元件通过弹簧元件11被振动支承地固定在衬底锚固件12上(或者在其他可运动的结构上)。

此外，根据本发明的装置包括至少一个用于驱动感振质量10振动的驱动装置。这在附图中例如通过一驱动装置8，9；4实现，该驱动装置至少在感振质量10的一侧上具有用于驱动感振质量10振动的电容的梳形驱动装置8、9。该梳形驱动装置8、9被加载一对于感振质量10的偏移(在y方向上)足够的电压4。该梳形驱动装置8、9具有设置在感振质量10上的第一梳形电极9，该第一梳形电极与第二梳形电极8无接触地作用，该第二梳形电极与感振质量10的振动机械地去耦合。

根据本发明的装置还包括至少一个与感振质量10运动耦合的元件7。该运动元件7在附图中通过一突起实现，该突起侧向地从感振质量10延伸出来。该运动元件可由与感振质量10相同的材料构成并且与质量10优选一体地制成或者与质量10材料锁合地连接。但运动耦合的元件7也可由与感振质量10不同的材料构成。该运动耦合的元件7的材料然后可以优选的方式针对与下面描述的检测元件的协同作用进行协调。元件7的材料尤其可以是导电的，例如由金属制成。

此外，根据本发明的装置包括至少一个用于检测随感振质量10的振动变化的、在运动耦合的元件7与检测元件6之间的关系参数的检测元件6。所述检测元件6被设置用于在达到关系参数的一预给定的值时引起振动驱动装置4的中断5。除了在运动耦合的元件7与检测元件6之间的距离，作为关系参数可以考虑其他任意参数，例如这两个元件之间的相对运动状态(速度、加速度)或者电磁的相互作用，只要它们经历可与感振质量10的振动相关的变化即可。在此提出，该检测元件6与感振质量10的振动以及与运动耦合的元件7的振动机械地去耦合，使得检测元件6的位置表示用于感振质量10的和运动耦合的元件7的振动运动的绝对参考点。在附图中，被检测元件6检测的关系参数是在运动耦合的元件7与检测元件6之间的距离D。该检测元件6被设置用于在达到一在运动耦合的元件7和检测元件6之间的预给定的距离值时引起电容的梳形驱动装置8、9的电压供电装置4的中断。对此，该检测元件6作用在开关5上，该开关在预给定的中断条件存在时中断在电压供电装置4和电容的梳形驱动装置8、9之间的电连接。由此消除感振质量10上的偏移力，使得该质量10由于弹簧11的回复弹簧力回到它的静止位置中(并且可从那里沿着相反的偏移方向y过振动)。

相对于传统的驱动装置，在根据本发明的装置情况下驱动装置的同步(Taktung)通过传感元件本身(或者通过感振质量10的运动本身)实现。由此可舍弃用于驱动感振质量10振动的有源电路结构，由此又需要明显更小的有源电路面积。此外，对于根据本发明的驱动装置的功能足够的是仅提供直流电压。电压供电装置4优选是直流电压源。尤其有利地，根据本发明的驱动原理与用于转动率检测的分析处理方法结合，该分析处理方法在基带中工作并且舍弃了产生用于分析处理目的驱动频率的多倍。

在附图中，该运动耦合的元件7如此地安装在感振质量10上，使得当质量10(并且由此运动耦合的元件7)在正的y方向上从静止位置足够偏移时运动耦合的元件7到达检测元件6的附近(即在运动耦合的元件7和检测元件6之间的距离小于一预给定的值)，由此开关5打开并且由此电极8和9之间的电压输入被切断。但一样好的是，可基于在运动耦合的元件7和检测元件6之间的增大的距离来运行该系统。对此例如该运动耦合的元件7可以设置在检测元件6的另一侧上(在图中也就是在检测元件6之上)。然后在感振质量10的静止位置中该运动耦合的元件7最初位于检测元件7的附近。随着感振质量10在正的y方向上(在图中也就是向上)的偏移增大，然后在运动耦合的元件7和检测元件7之间的距离增大。然后如果该距离超过一预给定的值，那么开关5打开并且由此电极8和9之间的电压输入被切断。

为了借助运动耦合的元件7和检测元件6检测感振质量10的偏移以便中断驱动电压4，可以利用元件6和7的不同的物理效应和与其相协调的构型和布置。

一方面例如可应用动栅(Moving Gate)原理：在此，该检测元件6实施为场效应晶体管(FET)，其中，用于开关FET的电场通过以下方式改变，即位于合适电势上的该元件7在感振质量10偏移时被引导到FET的通道区域上。换言之，用于开关FET的电场和振动驱动装置的与此相关的中断通过以下方式被影响，即该运动耦合的元件7通过感振质量10的振动引导至FET的通道区域上。

另一可行性包括隧道效应的利用：该元件7在水平或者垂直方向上设有一隧道尖端。该隧道尖端的配对件被这样地安装在固定的检测元件6中，使得这两个尖端在期望的偏移的情况下这样程度地靠近，使得一足够的隧道电流可以流过，该隧道电流引起开关5的开关。换言之，该检测元件6和该运动耦合的元件7分别具有一隧道尖端，这些隧道尖端构成用于电流的隧道桥，在两个隧道尖端预给定地接近时一预给定的隧道电流流过该隧道桥，该隧道电流引起中断开关5的开关，优选引起振动驱动装置的中断。

另一可行性在于，检测元件6和运动耦合的元件7形成一通过在它们之间变化的距离D而变化的电容。达到电容的预给定的阈值引起中断开关5的开关，优选引起振动驱动装置的中断。与传统的驱动检测不同，这里有利地对阈值的定性检测是足够的。然而电容检测相对于两种其他方法造成细微更高的电路消耗。

为了实现不同的驱动振幅并且为了使起振过程变得容易，替代仅一个关断的检测元件6可以应用多个这样的检测元件，这些检测元件通过相应的布线例如在校准传感器时被激活。

替代如在附图中示出的单侧的驱动装置，也可考虑结构的两侧的驱动装置，其中，然后也必须在每侧上实现相应驱动梳的关断。优选在感振质量10的相反的侧上以与第一梳形驱动装置8、9类似的方式设置第二梳形驱动装置，其中，第二梳形驱动装置的驱动和驱动中断相对于第一梳形驱动装置的驱动和驱动中断相位偏移180°地实现。

在电压供电装置的单纯中断是不够的并且没有足够快地导致梳形电极8与梳形电极9电磁地去耦合的情况下，可对电极进行放电。因此，根据本发明的装置优选包括一用于在电容的梳形驱动装置8、9的电压供电装置中断时或者之后紧接着对第一梳形电极9和/或第二梳形电极8放电的放电装置。

除了在附图中示范性选择的电容的驱动装置，例如也可能的是，以压电的、磁性的或者热弹性的工作方式实现用于驱动感振质量10振动的驱动装置。

微机械系统，如在本发明中提及的一样，例如可以涉及单轴或多轴的微机械转动率传感器、微镜或微镜阵列，或者涉及共振器。除了直线驱动的共振系统也可以驱动旋转的振荡器。除了在衬底平面(＝图面)中的驱动，垂直于衬底面的振动运动也是可行的。

如前面提及的一样，本发明十分适合尤其在转动率传感器中节省电路面积。

在下面权利要求中的附图标记和对附图的参考仅用于更容易地理解申请材料并且绝不认为权利要求的主题局限于一个在附图中示出的或者在说明书中描述的实施方式。

Claims (15)

1.用于共振地驱动微机械系统的装置，包括：

至少一个被弹簧振动式支承(11，12)的感振质量(10)，

至少一个用于驱动所述感振质量(10)振动的驱动装置(8，9；4)，

至少一个与所述感振质量(10)运动耦合的元件(7)，

至少一个用于检测随所述感振质量(10)的振动变化的、在运动耦合的元件(7)与检测元件(6)之间的关系参数的检测元件(6)，

其中，所述检测元件(6)被设置用于在达到所述关系参数的一预给定的值时引起振动驱动装置(4)的中断(5)。

2.根据权利要求1的装置，其中，所述驱动装置(8，9；4)没有与所述感振质量(10)以及与所述运动耦合的元件(7)的机械接触。

3.根据权利要求1或2的装置，其中，所述驱动装置(8，9；4)至少在所述感振质量(10)的一侧上具有用于驱动所述感振质量(10)振动的电容的梳形驱动装置(8，9)，所述梳形驱动装置能被加载一对于所述感振质量(10)的偏移(y)足够的电压(4)。

4.根据权利要求3的装置，其中，被检测元件(6)检测的所述关系参数是在运动耦合的元件(7)与检测元件(6)之间的距离(D)，并且所述检测元件(6)被设置用于当达到在运动耦合的元件(7)与检测元件(6)之间的一预给定的距离值时引起所述电容的梳形驱动装置(8，9)的电压供电装置(4)的中断(5)。

5.根据权利要求3或4的装置，其中，所述电容的梳形驱动装置(8，9)具有设置在所述感振质量(10)上的第一梳形电极(9)，所述第一梳形电极与第二梳形电极(8)无接触地作用，所述第二梳形电极与所述感振质量(10)的振动机械地去耦合。

6.根据权利要求3至5之一的装置，其中，在所述感振质量(10)的与该一侧相反的另一侧上以与权利要求3至5的所述第一梳形驱动装置类似的方式设置有第二梳形驱动装置，其中，所述第二梳形驱动装置的驱动和驱动中断相对于所述第一梳形驱动装置的驱动和驱动中断相位偏移180°地实现。

7.根据权利要求3至6之一的装置，还包括一用于在所述电容的梳形驱动装置(8，9)的电压供电装置(4)中断(5)时或者之后紧接着对所述第一梳形电极(9)和/或第二梳形电极(8)放电的放电装置。

8.根据权利要求1的装置，其中，用于驱动所述感振质量(10)振动的所述驱动装置以压电的、磁性的或者热弹性的工作方式实现。

9.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述检测元件(6)具有一场效应晶体管(FET)，其中，用于开关FET的电场和所述振动驱动装置(4)的与此相关的中断(5)能通过以下方式被影响，即位于适当电势上的所述运动耦合的元件(7)通过所述感振质量(10)的振动被引导到FET的通道区域上。

10.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述检测元件(6)和所述运动耦合的元件(7)分别具有一隧道尖端，这些隧道尖端形成用于电流的隧道桥，在两个隧道尖端预给定地接近时一预给定的隧道电流流过所述隧道桥，该隧道电流引起所述中断开关(5)的开关，优选引起所述振动驱动装置的中断。

11.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述检测元件(6)和所述运动耦合的元件(7)形成一通过它们之间变化的距离(D)而变化的电容，其中，达到电容的预给定的阈值会引起所述中断开关(5)的开关，优选引起所述振动驱动装置的中断。

12.根据上述权利要求之一的装置，其中，设置有多个用于所述感振质量(10)的振动的不同驱动振幅的检测元件(6)。

13.根据上述权利要求之一的装置，其中，该/这些检测元件(6)与所述感振质量(10)的振动以及与所述运动耦合的元件(7)的振动机械地去耦合，使得这些/该检测元件(6)的位置表示用于所述感振质量(10)和所述运动耦合的元件(7)的振动运动的绝对参考点。

14.根据权利要求3至13之一的装置，其中，所述电压供电装置(4)是直流电压源。

15.根据上述权利要求之一的装置，其中，所述微机械系统是单轴或多轴的微机械的转动率传感器、微镜或微镜阵列，或者是共振器。

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