CN111183112B - 具有干扰模式的抑制的mems设备以及相应的运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS设备以及一种相应的运行方法。所述MEMS设备配备有能振动的微机械系统(100)，该能振动的微机械系统能够以多个使用模式激励，其中，所述能振动的微机械系统(100)具有至少一个系统部件(1)，该系统部件由于所述使用模式的叠加能够以至少一个寄生干扰模式激励。设置有补偿装置(50)，所述补偿装置构型成，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用(W)施加到所述系统部件(1)上来抵抗所述寄生干扰模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS设备以及相应的运行方法。
背景技术
虽然也能够使用任意的光学设备和系统，但本发明和基于本发明的问题参照微机械转速传感器设备来阐释。
很长时间以来，具有能振动的微机械结构的转速传感器(回转仪)使用在汽车领域和用于测量元件的消费电子部件中。此外，这种能振动的微机械结构使用在微镜的当前发展中，所述微镜使用在例如用于激光雷达的微投影仪和微扫描仪中。
具有两个敏感轴的转速传感器例如在WO 2009/059639 A1中公开。具有共振运行的微镜例如在WO 2013/091939 A1中公开。
这些应用和类似应用使用能振动的微机械结构，所述能振动的微机械结构具有振动模式(固有模式或使用模式)，所述振动模式用于常规的功能。转速传感器例如使用驱动模式，以便将探测结构置于共振振动中。然后该转速传感器又借助于探测模式探测在测量出现的科里奥利加速度期间的转速。微镜使用确定的振动模式，以便使微镜以确定的方式偏移。
在此，能振动的微机械结构的驱动静电地或压电地进行，但也已知另外的驱动、如电磁的或动力的驱动。
但是，如在上面提到的系统或类似系统中使用的能振动的微机械结构除了希望的使用模式(例如用于驱动和探测)之外原则上具有(可数的)无穷多的振动模式，在所述振动模式中的一些振动模式可能导致不希望的、干扰的效应。
因此，转速传感器总是又示出在其偏移行为方面的不希望的特性、如所谓的偏移跃迁。当除了使用模式之外也激励出一个或多个另外的寄生干扰模式时，所述寄生干扰模式由于其振动方式导致在探测信号中的干扰，那么出现这些效应。在微镜中例如会出现：微镜的较大偏移在确定的情况下是不可能的，因为驱动能量进入到另外的寄生干扰模式中并且激励出干扰振动。这些干扰振动甚至可能会导致不期望的机械撞击或在最差的情况下会导致结构断裂。
至今通过以下方式避免所述缺点：在能振动的微机械结构的设计中防止寄生干扰模式刚好定位在驱动频率的整数倍数上。由此避免寄生干扰模式通过驱动频率的谐波(整数倍)的激励。但在实践中必须强调说明，由于制造公差不能保证，驱动频率的倍数保持没有寄生干扰模式。寄生干扰模式的频率在制造公差上的统计分配经常这样宽，使得在多个样本上在一些样本中仍然遇到寄生干扰模式的共振频率并且在确定情况下在这些样本中激励出寄生干扰振动并且引起相应的问题。
同样地，在任何设计中也可能在模式谱中存在内部共振。三模式(三波)混合和四模式(四波)混合例如属于此。尤其当所述模式的振动频率满足确定的、被称为内部共振条件的数学关系时，这些内部共振可以通过非线性激励出。对于三模式混合的示例，内部共振条件通过f1+f2≌f3得出，其中，f1、f2和f3表明振动模式的共振频率。数学条件满足得越差，寄生模式通过非线性的激励越难发生。因此能够得到设计措施，但所述设计措施由于制造公差又不能防止出现寄生干扰模式。
发明内容
基于本发明的思想在于，借助于补偿装置抵抗不希望的寄生振动，所述补偿装置将电磁相互作用施加到一个或多个相关的系统部件上。
在这方面，电磁相互作用理解为用于静力的和动力的、电的、磁性的或电磁的相互作用的广义术语。
本发明实现根据权利要求1所述的MEMS设备以及根据权利要求13所述的相应的运行方法。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。
基于本发明的思想在于，补偿装置设置在易受干扰模式影响的系统部件的区域中，所述补偿装置这样构型，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用施加到系统部件上来抵抗寄生干扰模式，系统部件相对于所述寄生干扰模式是易受影响的。
根据优选扩展方案，补偿装置具有用于产生直流电压的直流电压产生装置和一个或多个电极，所述电极这样构型，使得通过所述电极可以将静电场施加到系统部件上。这种补偿装置能够容易地集成。
根据另外的优选扩展方案，直流电压产生装置是能控制的、能调节的或能设定的。这可以提高在非线性中的精度。
根据另外的优选扩展方案，补偿装置具有用于产生交流电压的交流电压产生装置和一个或多个电极，所述电极这样构型，使得通过所述电极可以将电动力场施加到系统部件上。
根据另外的优选扩展方案，交流电压产生装置是能控制的、能调节的或能设定的。这可以调高在非线性中的精度。
根据另外的优选扩展方案，所述电极垂直于系统部件的振动方向地布置。这样有效的相互作用面可以大地构型。
根据另外的优选扩展方案，所述电极平行于系统部件的振动方向地布置。所以距离可以小地选择。
根据另外的优选扩展方案，系统部件具有一个或多个对应电极，所述对应电极与所述电极相互作用。
根据另外的优选扩展方案，对应电极模制到系统部件上。因此可以在系统部件上形成附加的电极面。
根据另外的优选扩展方案，对应电极作为涂层施加到系统部件上。
根据另外的优选扩展方案，系统部件是弹簧装置或梁装置。
根据另外的优选扩展方案，直流电压产生装置和/或交流电压产生装置可以与系统部件的振动偏移或振动速度成比例地控制。这样能够建立有效的反馈。
附图说明
下面基于实施方式参照附图阐释本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1用于阐释基于本发明的作用原理的示意性示图；
图2a)、b)根据本发明的第一实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图；
图3根据本发明的第二实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图；
图4根据本发明的第三实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图；
图5根据本发明的第四实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图；
图6根据本发明的第五实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图；和
图7根据本发明的第六实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。
图1示出用于阐释基于本发明的作用原理的示意性示图。
在图1中，附图标记100通常表明能振动的微机械系统，该能振动的微机械系统能够以多种使用模式激励，例如转速传感器或微镜，其中，能振动的微机械系统100具有功能块10和系统部件1。系统部件1例如是分离元件、如弹簧或梁或功能块10的多个构件的组合。
在系统部件1的区域中设置有补偿装置50，该补偿装置这样构型，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用W施加到系统部件1上来抵抗寄生干扰模式，系统部件1相对于所述寄生干扰模式是易受影响的。
如上面已经提到的那样，补偿装置50可以是静电的、电动力的、静磁的、磁动的、电静磁的或电磁动的，或者也是压电的和类似方式。在下面描述的实施方式中，为了简化示图仅将静电的和电动力的相互作用描述为电磁相互作用。
补偿装置50要么可以预先编程要么可以是能控制的或能调节的。
图2a)、b)示出根据本发明的第一实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
在图2a)、b)中，附图标记1a标明根据图1的能振动的微机械系统100的系统部件、例如微机械弹簧。SR标明振动方向，系统部件1a可以在该振动方向上受激励。
第一电极31和第二电极32在其板平面中垂直于振动方向SR地设置在系统部件1a旁边的对置侧上。
此外，设置有用于产生直流电压的直流电压产生装置30，该直流电压产生装置这样与电极31、32连接，使得通过电极31、32可以将静电场施加到系统部件1a上。直流电压产生装置30可以是能设定的或能控制的或能调节的，如通过箭头示意性示出的那样。然而这不是强制要求的，而是视为可选的。
在该第一实施方式中，直流电压产生装置30和两个电极31、32形成补偿装置51。
如由图2b)得出，对应电极S1、S2作为在系统部件1a的表面上的涂层与两个电极31、32相对置地设置。这些对应电极S1、S2要么可以通过电连接部(未示出)处于预先确定的电位上，要么可以浮动地运行。如果系统部件1a本身是能导电的，那么也可以省去对应电极S1、S2。
在运行中，通过补偿装置51实现系统部件1a的共振频率的适配，由此消除或者强烈地减小寄生干扰模式的影响。尤其地，通过静电相互作用，系统部件1a的刚性变低并且引起的共振频率变小。所述共振频率可以这样设定，使得共振频率不再是工作频率的倍数或不满足内部的共振条件，因此不能实现产生干扰振动的激励。
图3示出根据本发明的第二实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
在根据图3的第二实施方式中，替代于直流电压产生装置30设置有用于在电极31、32上产生交流电压的交流电压产生装置40，所述电极这样构型，使得通过电极31、32可以将电动力场施加到系统部件1a上。
如在第一实施方式中那样，交流电压产生装置40改变呈弹簧形式的系统部件1a的刚性，以便使共振频率移动来消除干扰模式。
交流电压产生装置40也能够可选地是能设定的或能控制的或者说能调节的，但也可以设定为凭经验或通过模拟确定的恒定值。
在该示例中，交流电压产生装置40和两个电极31、32形成补偿装置52。
此外，在第一实施方式和第二实施方式中，如在下面描述的实施方式中那样可能的是，直流电压产生装置30或交流电压产生装置40这样能调节地构型，使得所施加的直流电压或交流电压相对于系统部件1a的干扰的寄生振动的偏移成比例或相对于所述寄生振动的速度成比例。为此，可以设置另外的(未示出的)电极来感测所述偏移或速度。
图4示出根据本发明的第三实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
在第三实施方式中，系统部件1b是梁，该梁通过弹簧101、102与根据图1的其余的能振动的微机械系统100连接。在这里，电极通过附图标记31‘、32‘标明，并且在系统部件1b上也可以设置有相应的对应电极(未示出)。在第三实施方式中，补偿装置53又包含直流电压产生装置30，如上面已经描述的那样。
图5示出根据本发明的第四实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
与第三实施方式不同，在第四实施方式中设置有类似于第二实施方式中的交流电压产生装置40作为补偿装置54的部分。第四实施方式在其他方面相应于第三实施方式。
图6示出根据本发明的第五实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
根据图6，系统部件1a又是弹簧，但在弹簧的自由端部上设置有电极31“，该电极以它的板平面平行于振动方向SR，由此直流电压产生装置30的静电场垂直于振动方向SR地起作用。
在第五实施方式中，补偿装置55通过直流电压产生装置30和电极31“形成。
在该第五实施方式中有利的是，在(呈弹簧形式的)系统部件1a的平行于振动方向SR的布置中，关于系统部件1a的距离相对于上面的实施方式可以是小的，这导致强烈的静电引力。
在第五实施方式中，所述距离可以较小得选择。但当第五实施方式中的引力仍然不够时，所述引力可以通过一起运动的对应电极增大，如在下面描述的那样。
图7示出根据本发明的第六实施方式的MEMS设备的示意性部分横截面视图。
在图7中，附图标记31“‘标明与直流电压产生装置30连接的电极。相比于第五实施方式，模制到系统部件1a上的对应电极32“‘可以扩大地构造，从而提高引力。
在第六实施方式中，补偿装置56通过直流电压产生装置和电极31“‘、32“‘形成。
第六实施方式的构造在其他方面与第五实施方式的构造相同。
尽管已经参照优选实施例描述本发明，但本发明不局限于此。尤其地，所提到的材料和拓扑仅是示例性的并且不局限于所阐释的示例。
如上面已经提到的那样，除了静电的和电动力的相互作用之外也可以应用另外的电磁相互作用，其中，例如将压电层或磁性层或者电流流经的导体施加到能振动的微机械结构的相应的系统部件上。
本发明也不局限于所示出的系统部件，而是可以应用任意的单件式或多件式的系统部件。
待消除的干扰共振的获取要么可以在校准方式中凭经验实现，要么可以通过相应的模拟实现。
本发明也不仅能够应用在转速传感器或微镜上，而是可以应用在任意的能振动的微机械系统上。
Claims (15)
1.MEMS设备，该MEMS设备具有：
能振动的微机械系统(100)，该能振动的微机械系统能够以多个使用模式激励；
其中，所述能振动的微机械系统(100)具有至少一个系统部件(1；1a；1b)，该系统部件由于所述使用模式的叠加而能够以至少一个寄生干扰模式激励；
补偿装置(50-56)，所述补偿装置构型成，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用(W)施加到所述系统部件(1；1a；1b)上来抵抗与所述寄生干扰模式的叠加，
其中，所述补偿装置(50-56)具有用于产生直流电压的直流电压产生装置(30)和一个或多个电极(31、32；31‘、32‘；31“；31“‘、32“‘)，所述电极构型成，使得通过所述电极(31、32；31‘、32‘；31“；31“‘、32“‘)能够将静电场施加到所述系统部件(1；1a；1b)上。
2.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中，所述直流电压产生装置(30)是能控制的、能调节的或能设定的。
3.MEMS设备，该MEMS设备具有：
能振动的微机械系统(100)，该能振动的微机械系统能够以多个使用模式激励；
其中，所述能振动的微机械系统(100)具有至少一个系统部件(1；1a；1b)，该系统部件由于所述使用模式的叠加而能够以至少一个寄生干扰模式激励；
补偿装置(50-56)，所述补偿装置构型成，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用(W)施加到所述系统部件(1；1a；1b)上来抵抗与所述寄生干扰模式的叠加，
其中，所述补偿装置(50-56)具有用于产生交流电压的交流电压产生装置(40)和一个或多个电极(31、32；31‘、32‘；31“；31“‘、32“‘)，所述电极构型成，使得通过所述电极(31、32；31‘、32‘；31“；31“‘、32“‘)能够将电动力场施加到所述系统部件(1；1a；1b)上。
4.根据权利要求3所述的MEMS设备，其中，所述交流电压产生装置(40)是能控制的、能调节的或能设定的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS设备，其中，所述电极(31、32；31‘、32‘)垂直于所述系统部件(1；1a；1b)的振动方向(SR)地布置。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS设备，其中，所述电极(31“；31“‘、32“‘)平行于所述系统部件(1；1a；1b)的振动方向(SR)地布置。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS设备，其中，所述系统部件(1；1a；1b)具有一个或多个对应电极(S1、S2；32“‘)，所述对应电极与所述电极(31“；31“‘、32“‘)相互作用。
8.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中，所述对应电极(32“)模制到所述系统部件(1；1a；1b)上。
9.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中，所述对应电极(S1、S2)作为涂层施加到所述系统部件(1；1a；1b)上。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS设备，其中，所述系统部件(1；1a；1b)是弹簧装置(1a)或梁装置(1b)。
11.根据权利要求2所述的MEMS设备，其中，所述直流电压产生装置(30)能够与所述系统部件(1；1a；1b)的振动偏移或振动速度成比例地控制。
12.根据权利要求4所述的MEMS设备，其中，所述交流电压产生装置(40)能够与所述系统部件(1；1a；1b)的振动偏移或振动速度成比例地控制。
13.用于具有能振动的微机械系统(100)的MEMS设备的运行方法，该能振动的微机械系统能够以多个使用模式激励，其中，所述能振动的微机械系统(100)具有至少一个系统部件(1；1a；1b)，该系统部件由于所述使用模式的叠加而能够以至少一个寄生干扰模式激励，所述运行方法具有以下步骤：
借助于补偿装置(50-56)调整所述系统部件(1；1a；1b)的共振频率，所述补偿装置构型成，使得所述补偿装置通过将电磁相互作用(W)施加到所述系统部件(1；1a；1b)上来抵抗与至少一个寄生干扰模式的叠加，其中，所述寄生干扰模式在运行期间通过在系统部件上的感测装置获取。
14.根据权利要求13所述的运行方法，其中，所述寄生干扰模式以校准方式或模拟工具获取。
15.根据权利要求13或14所述的运行方法，其中，所述感测装置包括电极或压电层、压阻层、磁性层。
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