JP5259598B2 - 微小電気機械センサ及び微小電気機械センサの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械センサ及び上記センサの操作方法に関するものである。

微小電気機械センサは、多くの技術製品の基礎となる。微小電気機械センサは、例えば航行の分野において価値があり、コリオリの角速度計として用いられている。微小電気機械センサの機能性は、コリオリの角速度計についての例を介して以下に示されるだろう。

コリオリの角速度計は、振動をもたらされる質点系を有している。上記質点系は一般的に、最初に互いに独立している複数の振動モードを有している。コリオリの角速度計の操作状態において、即ち微小電気機械センサの操作状態において、質点系特有の振動モードは人工的に励起される。この振動モードを以下では“励起振動”と称する。

コリオリの角速度計が回転すると、質点系の上記励起振動からエネルギを取り出してそれを上記質点系のさらに別の振動モードに伝達するコリオリ力が発生する。上記さらに別の振動モードを以下では“読み取り振動”と称する。

コリオリの角速度計の回転運動を決定するために、上記読み取り振動は受け取られ（tapped off）、対応する読み取り信号は、コリオリの角速度計の回転に関する測定値を表す、生じた読み取り振動の振幅で変化するか否かを確かめるために審査される。コリオリの角速度計は、開ループ系及び閉ループ系の両方として実行されてもよい。閉ループ系では、上記読み取り振動の振幅は、対応する制御ループにより絶えず固定された値−好ましくは０に再設定され、復帰力が測定される。

コリオリの角速度計の（より一般には微小電気機械センサの）質点系（これ以降はさらに“共振器”と称する）は、この事例においては様々な方法で構成されてもよい。例えば、１つの構成要素で具現化された質点系を用いることが出来る。代りとして、ばね系を介して互いに連結された２つの振動器に上記質点系を分けることも出来、互いに相対的な動きを行ってもよい。

周知の実施形態にかかるコリオリの角速度計２０は、図１において概略を示される。コリオリの角速度計２０は、電荷増幅器１、アナログ−デジタル変換器２、信号分離箇所３、復調器４，５、制御系６、変調器７、ドライバ８，９、共振器１０及び電極系１１を備えている。電極系１１は、４つの電極１１_１〜１１_４を有している。

共振器１０は、電極１１_１〜１１_４による振動効果で励起されることが可能である。その上、共振器１０のばね定数は、共振器１０に設けられる電極（“移動可能な中央電極”）における電荷転送量Δｑを測定することにより決定される。電荷の転送は、電極１１_１〜１１_４により生成される電界の中での共振器１０の動きにより引き起こされる。上記電荷転送量に比例する信号Ｓ₇は、電荷増幅器１によりアナログ−デジタル変換器２へ出力され、アナログ−デジタル変換器２により対応する信号Ｓ₈に変換される。信号Ｓ₈は、信号分離箇所３へ供給される。この信号から、復調器４，５、制御系６、変調器７及びドライバ８，９が動作することにより信号Ｓ₃〜Ｓ₆が生成される。信号Ｓ₃〜Ｓ₆は、電極１１_１〜１１_４へ供給され、補償されるコリオリ力により引き起こされる共振器１０のゆがみを確実なものとする。コリオリの角速度計２０の詳細な機能性に関しては、例えば特許明細書ＤＥ １０３ ２０ ６７５が参照される。

基礎となる本発明の目的は、例えば静電センサまたは圧電センサである微小電気機械センサの具体例を挙げることである。上記微小電気機械センサは、センサ電極が少数であるにもかかわらず広い機能性を有することが可能である。

上記目的を達成するために、本発明は請求項１に係る微小電気機械センサを提供する。その上本発明は、請求項１１に係る微小電気機械センサの操作方法を提供する。本発明の好ましい構成及び開発概念は、独立請求項において示される。

本発明の微小電気機械センサは、
−少なくとも１つの移動可能な電極と、
−個別に駆動可能であり、対応する電極信号が供給されるための複数の電極を備え、移動可能な電極と離間して配置されている電極構成とを備え、
上記電極信号は、力の適用、ばね定数及び上記移動可能な電極の読み取り係数の、設定または変更のために静電気的に用いることが可能であり、
−上記電極構成に接続され、上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号を供給され、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関してもたらされる設定及び／または変更を定義する電極信号生成ユニットをさらに備え、
上記電極信号生成ユニットは、いわば上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号に依存して各々の電極信号を生成し、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数が、互いに独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、複数の上記電極信号を互いに整合させる。

本発明の基礎となる本質的な見識は、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数が、互いに独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、任意の所望の電極構成に関する上記電極信号が互いに整合され、これにより上記微小電気機械センサに最大限の融通性を与えるということである。これに関連して、“任意の所望の電極構成”は、少なくとも３つの電極に関する、任意の所望の空間的な構成を意味する。

既に上述したように、上記微小電気機械センサの上記質点系（これ以降はさらに“共振器”と称する）は、様々な方法で構成されてもよい。例えば、１つの構成要素で具現化された質点系を用いることが出来る。代りとして、ばね系を介して互いに連結された２つの振動器に上記質点系を分けることも出来、互いに相対的な動きを行ってもよい。

一実施形態において、本発明の微小電気機械センサは、上記移動可能な電極において生じる電荷の転送を検出する電荷転送ユニットが設けられており、上記移動可能な電極の瞬時の動きは、検出された上記電荷の転送に基づき評価ユニットにより決定される。

一実施形態において、上記電極信号生成ユニットは、上記移動可能な電極において検出された上記電荷の転送が、上記移動可能な電極の動きと上記読み取り係数の値とから生じるただ１つの電荷転送成分を含むような方法で、いわば上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号に依存して各々の電極信号を生成する。この事例において、上記読み取り係数は、上記移動可能な電極の動きの読み取りに関するゲイン係数として解釈されるべきである。

上記電極構成は、偶数の電極または奇数の電極を含んでもよい。その上、個々の電極の寸法及び構成は、互いに異なってもよい。１つの好ましい実施形態において、上記電極構成は、例えば２つの電極対に分類される４つの（好ましくは同一の）電極を含んでいる。
複数の上記電極は、第１の軸に関して軸方向に対称に構成される。上記第１の軸は、第２の軸に関して軸方向に対称に、かつ互いに２つの上記電極対を分離する。上記第２の軸は、各々の電極対の、複数の上記電極を互いに分離する。有利な方法では、上記移動可能な電極は、対称である２つの軸の交点に関して中心対称に構成される。

上記移動可能な電極が共振器の一部として表現される実施形態において、上記移動可能な電極は、振動効果で励起されることが可能であり、上記微小電気機械センサは、例えばコリオリの角速度計として用いることが可能である。

２つの移動可能な電極、２つの電極構成及び２つの電極信号生成ユニットを含む実施形態において、両方の移動可能な電極は、２つの読み取り係数の内、対応する選ばれたものにより、互いに個別に読み取られ、（力の適用による影響を受ける）動き及びばね定数を、互いに個別に設定することが出来る。

本発明はさらに、移動可能な電極と、移動可能な電極と離間して配置され、個別に駆動可能であり、対応する電極信号が供給されるための複数の電極を備えている電極構成とを備える微小電気機械センサの操作方法を提供する。本発明の微小電気機械センサの操作方法は、
−いわば、力の適用に関する信号、ばね定数に関する信号及び読み取り係数に関する信号に依存し、上記力の適用、上記ばね定数及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関して行われる設定及び／または変更を定義する電極信号を生成する工程と、
−上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数を静電気的に設定及び／または変更するために、対応する上記電極に上記電極信号を適用する工程とを含み、
複数の上記電極信号が、いわば上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号に依存して生成され、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数が、互いに独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、複数の上記電極信号を互いに整合させる。

本発明は、図面を参照した以下の典型的な実施形態においてよりに詳細に示される。

図１は、周知の微小電気機械センサ（コリオリの角速度計）の基礎外略図である。

図２は、本発明に係る、１つの移動可能な電極を備える微小電気機械センサの実施形態を示す図である。

図３ａは、本発明に係る、２つの移動可能な電極を備える微小電気機械センサの他の実施形態を示す図である。

図３ｂは、２つの読み取り係数の適用に関する時間特性の概略を示すタイミングチャートである。

周知の微小電気機械センサ（コリオリの角速度計）の基礎外略図である。 本発明に係る、１つの移動可能な電極を備える微小電気機械センサの実施形態を示す図である。 本発明に係る、２つの移動可能な電極を備える微小電気機械センサの他の実施形態を示す図である。 ２つの読み取り係数の適用に関する時間特性の概略を示すタイミングチャートである。

図２は、本発明に係る微小電気機械センサ３０の好ましい実施形態からの抜粋である。図２に示される抜粋は、変調器７、ドライバ８，９、共振器１０及び電極１１_１〜１１_４を備える図１のコリオリの角速度計２０の“全体像（ensemble）”と概要を比較される。

図２は、移動可能な電極２９と離間して配置された電極構成３１を示す。移動可能な電極２９は、例えば図示しない共振器の一部であってもよく、上記電極構成は、第１〜第４の電極３１_１〜３１_４を含んでいる。第１及び第３の電極３１₁，３１₃、並びに第２及び第４の電極３１₂，３１₄は、それぞれが電極対を形成している。電極対の複数の電極は、軸Ａに関して軸方向に対称に構成される。複数の上記電極対は、軸Ａと垂直である軸Ｂにより、互いに関して軸方向に対称かつ互いに分離される。移動可能な電極２９は、例えば図２における対称な２つの軸Ａ，Ｂの交点Ｓに関して中心対称に配置されている。

電極信号生成ユニット３２がさらに示されてもよい。電極信号生成ユニット３２は、（さらに“ｆ”として示される）力の適用に関する信号Ｓ₂₀、（さらに“Δω”として示される）ばね定数に関する信号Ｓ₂₁、及び（さらに“ｍ”として示される）読み取り係数に関する信号Ｓ₂₂を供給される。読み取り係数に関する信号Ｓ₂₂は、２乗ユニット３３により２乗され、これにより得られた信号Ｓ₂₃が、第１の加算器３４に負の符号を付されて供給される。上記信号Ｓ₂₃は、ばね定数に関する信号Ｓ₂₁と加算される。第１の加算器３４の出力信号Ｓ₂₄は、第２及び第３の加算器３５，３６に供給される。第２の加算器３５において、出力信号Ｓ₂₄は力の適用に関する信号Ｓ₂₀と加算されるが、第３の加算器３６において、負の符号を付された力の適用に関する信号Ｓ₂₀は、出力信号Ｓ₂₄と加算される。第２及び第３の加算器３５，３６の出力信号Ｓ₂₅，Ｓ₂₆は、根ユニット３７，３８に供給される。根ユニット３７，３８はそれぞれ、第２及び第３の加算器３５，３６の出力信号Ｓ₂₅，Ｓ₂₆の内の１つから根を算出する。根ユニット３７，３８の出力信号Ｓ₂₇，Ｓ₂₈は、第４〜第７の加算器３９〜４２に供給される。第４〜第７の加算器３９〜４２により、根ユニット３７，３８の出力信号Ｓ₂₇，Ｓ₂₈は、それぞれ読み取り係数に関する信号Ｓ₂₂と一度加算されると共にそれぞれ読み取り係数に関する信号Ｓ₂₂と一度減算される。対応する出力信号Ｓ₂₉〜Ｓ₃₂は、デジタル−アナログ変換器４３〜４６に供給される。デジタル−アナログ変換器４３〜４６は、（これまではデジタルであった）信号をアナログ信号ｕ_o1，ｕ_o2，ｕ_u1，ｕ_u2に変換し、アナログ信号ｕ_o1，ｕ_o2，ｕ_u1，ｕ_u2を対応する電極３１_１〜３１_４に供給する。アナログ信号ｕ_o1，ｕ_o2，ｕ_u1，ｕ_u2は、本発明の意図する電極信号を表し、力の適用に関する信号Ｓ₂₀（＝ｆ）、ばね定数に関する信号Ｓ₂₁（＝Δω）、及び読み取り係数に関する信号Ｓ₂₂（＝ｍ）により以下に示す（１）式〜（４）式で表される。

それ故に、電極信号ｕ_o1，ｕ_o2は、軸Ａの上方に位置する電極３１₁，３１₂で示される電極信号を表し、電極信号ｕ_u1，ｕ_u2は、軸Ａの下方に位置する電極３１₃，３１₄で示される電極信号を表す。移動可能な電極２９は仮想接地に接続され、移動可能な電極２９からの電荷の転送が測定される。

図３は、移動可能であり、電気的に接続された２つの電極２９，５０が、どのようにして多様な方法で結合されるかを示している。図３ｂにおいて示されるタイミングにおいて切り替えられる制御信号ｍ₁，ｍ₂は、複数の移動可能な電極２９，５０が電荷増幅器７０に交互に接続されるようにする。そのために、力の影響ｆ₁，ｆ₂及び整合Δω₁，Δω₂は独立して選択される。

図３は、第２の移動可能な電極５０に対して離間して配置された電極構成５１を示す。第２の移動可能な電極５０は、少なくとも１つの移動可能な電極２９と電気的に接続されている。上記電極構成は、第１〜第４の電極５１_１〜５１_４を含んでいる。第１及び第３の電極５１₁，５１₃、並びに第２及び第４の電極５１₂，５１₄は、それぞれが電極対を形成している。電極対の複数の電極は、軸Ａ₂に関して軸方向に対称に構成される。複数の上記電極対は、軸Ａ₂と垂直である軸Ｂ ₂により、互いに関して軸方向に対称かつ互いに分離される。

第２の電極信号生成ユニット３２がさらに示されてもよい。電極信号生成ユニット３２は、（さらに“ｆ₂”として示される）第２の力の適用に関する信号バーＳ₂₀、（さらに“Δω₂”として示される）第２のばね定数に関する信号バーＳ₂₁、及び（さらに“ｍ₂”として示される）第２の読み取り係数に関する信号バーＳ₂₂を供給される。第２の読み取り係数に関する信号バーＳ₂₂は、２乗ユニット５３により２乗され、これにより得られた信号バーＳ₂₃が、第８の加算器５４に負の符号を付されて供給される。上記信号バーＳ₂₃は、第２のばね定数に関する信号バーＳ₂₁と加算される。第８の加算器５４の出力信号バーＳ₂₄は、第９及び第１０の加算器５５，５６に供給される。第９の加算器５５において、出力信号バーＳ₂₄は第２の力の適用に関する信号バーＳ₂₀と加算されるが、第１０の加算器５６において、負の符号を付された力の適用に関する信号バーＳ₂₀は、出力信号バーＳ₂₄と加算される。第９及び第１０の加算器５５，５６の出力信号バーＳ₂₅，バーＳ₂₆は、
根ユニット５７，５８に供給される。根ユニット５７，５８はそれぞれ、第９及び第１０の加算器５５，５６の出力信号バーＳ₂₅，バーＳ₂₆の内の１つから根を算出する。根ユニット３７，３８の出力信号バーＳ₂₇，バーＳ₂₈は、第１１〜第１４の加算器５９〜６２に供給される。第１１〜第１４の加算器５９〜６２により、根ユニット５７，５８の出力信号バーＳ₂₇，バーＳ₂₈は、それぞれ読み取り係数に関する信号バーＳ₂₂と一度加算されると共にそれぞれ読み取り係数に関する信号バーＳ₂₂と一度減算される。対応する出力信号バーＳ₂₉〜バーＳ₃₂は、デジタル−アナログ変換器６３〜６６に供給される。デジタル−アナログ変換器６３〜４６は、（これまではデジタルであった）信号をアナログ信号バーｕ_o1，バーｕ_o2，バーｕ_u1，バーｕ_u2に変換し、アナログ信号バーｕ_o1，バーｕ_o2，バーｕ_u1，バーｕ_u2を対応する電極５１_１〜５１_４に供給する。アナログ信号バーｕ_o1，バーｕ_o2，バーｕ_u1，バーｕ_u2は、本発明の意図する電極信号を表し、力の適用に関する信号バーＳ₂₀、ばね定数に関する信号バーＳ₂₁、及び読み取り係数に関する信号バーＳ₂₂により以下に示す（５）式〜（８）式で表される。

それ故に、電極信号バーｕ_o1，バーｕ_o2は、軸Ａ₂の上方に位置する電極５１₁，５１₂で示される電極信号を表し、電極信号バーｕ_u1，バーｕ_u2は、軸Ａ₂の下方に位置する電極５１₃，５１₄で示される電極信号を表す。

本発明のさらに別の実施形態は、以下の記載により示される。

回転の加速度または回転速度の測定に関して、（これらを測定可能である）微小電気機械センサの動作中に、以下の要求が満足される場合は、上記測定に有利である。
１．定義され、電気的に生成された力を、移動可能な電極に及ぼすことが出来るように意図されている（トルカ（torquer）機能）。
２．定義され、電気的に生成されたばね力を、上記同一の移動可能な電極に及ぼすことが出来るように意図されている。ばね定数は一般に負であり、機械的な振動器の固有振動を定義されたように同調させることを可能にするために、正のばね特性を有する（positive）機械的なばねをある程度まで“よりソフトに（softer）”するように意図されている。
３．上記移動可能な電極のゆがみは、設定される読み取り係数により測定可能となるように意図されている（もぎ取り（pick-off）機能）。
４．１つの意図は、測定中に測定信号が、上記ゆがみ及び上記読み取り係数に依存する成分以外のさらに別のいかなる成分も含まないことを可能とすることである。

移動可能な電極を有している容量が設けられると考える。上記移動可能な電極は、作動点におけるゆがみｘにより移動できる。このとき上記容量はゆがみｘに依存し、Ｃ＝Ｃ（ｘ）となる。上記作動点において上記容量に電圧Ｕが供給される事例において、以下に示す（９）式で表される静電力Ｆは、その効果を生じる。

別の容量は、共通の作動点を備える２つの容量である。ここで、以下に示す（１０）式が成立する。
Ｃ₁（ｘ）＝Ｃ₂（−ｘ） （１０）
上記事例においては、以下に示す近似式（１１）が成立する。
Ｃ₁（ｘ）＝Ｃ₀（１＋ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²） （１１）
そして以下に示す近似式（１２）が成立する。
Ｃ₂（ｘ）＝Ｃ₀（１−ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²） （１２）
複数の上記容量において電圧Ｕ₁，Ｕ₂が印加されており、上記移動可能な電極の上記作用点における静電力Ｆは、以下に示す（１３）式で示される。

近似式（１１），（１２）を（１３）式に代入すると以下に示す（１４）式となる。
Ｆ＝（Ｕ₁ ²−Ｕ₂ ²）ａ₁Ｃ₀＋２ｘ（Ｕ₁ ²＋Ｕ₂ ²）ａ₂Ｃ₀ （１４）
従って、上記静電力Ｆは、ｘから独立している部分とｘに比例しばね定数に対応する部分とから成り立つ。ｘから独立している上記部分はＵ₁ ²−Ｕ₂ ²に比例し、上記ばね定数はＵ₁ ²＋Ｕ₂ ²に比例する。

容量が４つの場合は、以下に示す近似式（１５），（１６）が成立する。
Ｃ_o1（ｘ）＝Ｃ_o2（ｘ）＝Ｃ ₀ （１＋ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²） （１５）
Ｃ_u1（ｘ）＝Ｃ_u2（ｘ）＝Ｃ ₀ （１−ａ₁ｘ＋ａ₂ｘ²） （１６）
同様に、静電力Ｆに関して以下に示す（１７）式が成立する。
Ｆ＝（Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ²−Ｕ_u1 ²−Ｕ_u2 ²）ａ₁Ｃ₀＋２ｘ（Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ² ＋Ｕ_u1 ² ＋Ｕ_u2 ²）ａ₂Ｃ₀ （１７）
従って、距離から独立した項は、（Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ²−Ｕ_u1 ²−Ｕ_u2 ²） （１８）に比例する。そしてばね定数は、（Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ²＋Ｕ_u1 ²＋Ｕ_u2 ²） （１９）に比例する。

距離から独立した上記項は、所望の力（復帰力、トルク）を加えるのに適切である。また、ばね定数は、ばね質量系との相互作用において、所望の回転周波数において上記ばね質量系を回転させることを可能とする。

電荷Ｑについて以下に示す（２０）式が成立する。
Ｑ＝Ｃ_o1Ｕ_o1＋Ｃ_o2Ｕ_o2＋Ｃ_u1Ｕ_u1＋Ｃ_u2Ｕ_u2 （２０）
近似式（１５），（１６）を（２０）式に代入すると、以下の式で示されるように、無視する項及び２次の項が生じる。
Ｑ＝２Ｃ₀（Ｕ_o1＋Ｕ_o2＋Ｕ_u1＋Ｕ_u2） （２１）
＋２Ｃ₀（Ｕ_o1＋Ｕ_o2−Ｕ_u1−Ｕ_u2）ａ₁ｘ （２２）
上記式の第１の項（２１）は、ｘから独立した漏話であり、一般に望ましくない。第２の部分（２２）はｘに比例し、それ故にゆがみｘの読み取りに適切である。上記２次の項を考慮に入れると、電荷Ｑは以下の式で表される。
Ｑ＝２Ｃ₀（Ｕ_o1＋Ｕ_o2＋Ｕ_u1＋Ｕ_u2）（１＋ａ₂ｘ²） （２３）
＋２Ｃ₀（Ｕ_o1＋Ｕ_o2−Ｕ_u1−Ｕ_u2）ａ₁ｘ （２４）
上記２次の項は、（漏話を０にする場合、即ち（Ｕ_o1＋Ｕ_o2＋Ｕ_u1＋Ｕ_u2）＝０とする場合）、定数項と共に消滅する。

上述した要求１〜３は、本発明に係る微小電気機械センサ及び本発明に係る操作方法を用いて互いに独立して満足することが出来る。それ故に、読み取り信号を生成せずに力を加えることと、逆に読み取り信号を生成せずに０ではない読み取り係数を加えることとの両方が可能である。但し、必要な結果でなければならない力が加えられることはない。

一般的な電極構成に関して、以下に示す規定が考慮に入れられる場合に、類似した系を方程式で確立することが出来る。

全ての電極における電荷は、常に以下の規定を満足するような大きさを有している。
１．電荷増幅器の入力における電荷の大きさの総和に関して、ゆがみｘから独立した項が無い。
２．電荷増幅器の入力における電荷の大きさの総和に関して、ゆがみｘに依存し、ゲイン係数を設定可能な部分が有る。
３．上記移動可能な電極において設定可能であり、ゆがみｘから独立した力の効果が有る。
４．上記移動可能な電極においてばね定数を設定可能である静電ばねがある。

例えば上記読み取り係数が上記移動可能な電極の振動による同一の周波数を有する正弦波状の搬送波として構成されている場合を考える。この場合、上記読み取り係数は設定可能であり、例えば“ダウンコンバートを行う検出器”を実現するために用いられる。この事例において、上記振動の周波数は０ヘルツにダウンコンバートされ、位相検波器を導く。その上、設定される読み取り係数により、複数の振動器の複数の読み取り機能は、以下の処理により時分割多重方式で読み込むことが出来る。複数の振動器それぞれが有する移動可能な電極は、電気的に接続される。上記処理とは、１つの振動器の読み取り係数だけが、０ではない値に常に設定される事例における処理である。上記事例は、唯一の振動器の動きが共通の電荷増幅器により時間的連続において常に検出される事例である。

容量の測定に基づく上記読み取り機能は以下に示す（２５）式で表され、上記読み取り係数が電圧Ｕにより切り替えられる場合に、ゆがみΔｘに依存する成分が生じるだけでなく、静止した容量Ｃ₀に依存する相当大きい部分を同時に生じるという効果をかなり一般的に有している。

本発明に係る微小電気機械センサの操作方法は、図２の学術用語を元に以下に示されるように、この望ましく無い部分を抑制する。

方程式（１８）に係る、移動可能な電極２９において作用する力は、Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ²−Ｕ_u1 ²−Ｕ_u2 ²＝４ｆ （２６）に比例する。その結果要求１が満足される。

方程式（１９）に係る、静電ばねによる微調整（detuning）は、Ｕ_o1 ²＋Ｕ_o2 ²＋Ｕ_u1 ²＋Ｕ_u2 ²＝４Δω （２７）に比例する。その結果要求２が満足される。

方程式（２１）に係る、上記読み取り係数は、Ｕ_o1＋Ｕ_o2−Ｕ_u1−Ｕ_u2＝４ｍ （２８）に比例する。その結果要求３が満足される。

方程式（２２）により、Ｕ_o1＋Ｕ_o2＋Ｕ_u1＋Ｕ_u2＝０ （２９）となり、第４の要求が最後に満足される。

補正機能に関して、設計は常に｜ｆ｜＜Δω−ｍ² （３０）となるように行われる。

それ故に、本発明は、分離された電極を備える微小電気機械センサ（ＭＥＭＳセンサ）の操作方法を示す。本発明に係る微小電気機械センサの操作方法は、複数の電気的に結合された移動可能な電極を含んでいる系において、励起力、振動の調整及び読み取り係数を互いに個別に設定することが可能である。それ故に、多重化操作中の読み取り処理は、励起処理（励起振動の生成）及び（双共振子の共振器を得るために、例えば励起振動の周波数を読み取り振動の周波数へ調整する）調整処理と完全に独立させることが可能である。

Claims (11)

1. 少なくとも１つの移動可能な電極と、
   個別に駆動可能であり、対応する電極信号が供給されるための複数の電極を備え、上記移動可能な電極と離間して配置されている電極構成とを備え、
   上記電極信号は、力の適用、ばね定数及び共振器の読み取り係数の、設定または変更のために静電気的に用いることが可能であり、
   −上記電極構成に接続され、上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記読み取り係数に関する信号を供給され、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関してもたらされる設定及び／または変更を定義する電極信号生成ユニットをさらに備え、
   上記電極信号生成ユニットは、上記力の適用に関する信号，上記ばね定数に関する信号及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号に依存して各々の電極信号を生成し、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記共振器の上記読み取り係数が、互いに独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、複数の上記電極信号を互いに整合させることを特徴とする微小電気機械センサ。
2. 上記移動可能な電極において生じる電荷の転送を検出する電荷転送ユニットと、
   検出された上記電荷の転送に基づき、上記移動可能な電極の瞬時の動きを決定する評価ユニットとを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械センサ。
3. 上記電極信号生成ユニットは、上記電荷の転送が、上記移動可能な電極の動きと上記読み取り係数の値とから生じるただ１つの電荷転送成分を含むような方法で、いわば上記力の適用に関する信号，上記ばね定数に関する信号，及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関する信号に依存して各々の電極信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の微小電気機械センサ。
4. 上記電極構成は、４つの電極を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械センサ。
5. 上記４つの電極は、２つの電極対に分類され、
   複数の上記電極は、第１の軸に関して軸方向に対称に構成され、
   上記第１の軸は、第２の軸に関して軸方向に対称に、かつ互いに２つの上記電極対を分離し、
   上記第２の軸は、各々の電極対の、複数の上記電極を互いに分離することを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械センサ。
6. 上記移動可能な電極は、対称である２つの軸の交点に関して中心対称に構成されることを特徴とする請求項５に記載の微小電気機械センサ。
7. 上記電極信号は、以下の方程式
   

   

   

   

   

   により与えられ、
   （Δω）は上記ばね定数に関する信号の値を表し、（ｍ）は上記読み取り係数に関する信号の値を表し、（ｆ）は上記力の適用に関する信号の値を表し、
   （ｕ_o1，ｕ_o2）は、上記第２の軸の上方に横たわっている上記電極信号の値を表し、（ｕ_u1，ｕ_u2）は、上記第２の軸の下方に横たわっている上記電極信号の値を表すことを特徴とする請求項５に記載の微小電気機械センサ。
8. 

   が成立することを特徴とする請求項７に記載の微小電気機械センサ。
9. 上記移動可能な電極が共振器の一部として表現されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小電気機械センサ。
10. 少なくとも１つの上記移動可能な電極と電気的に接続される第２の移動可能な電極により特徴付けられ、
    −上記第２の移動可能な電極から離間して配置されている第２の電極構成を備え、
    上記第２の電極構成は、個別に駆動可能であり、対応する電極信号が供給されるための他の複数の電極を有し、
    上記電極信号は、力の適用、ばね定数及び上記第２の移動可能な電極の読み取り係数の、設定または変更のために静電気的に用いることが可能であり、
    −上記第２の電極構成に接続されており、第２の力の適用に関する信号、第２のばね定数に関する信号、及び第２の読み取り係数に関する信号を供給され、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記共振器の上記読み取り係数に関してもたらされる設定及び／または変更を定義する第２の電極信号生成ユニットをさらに備え、
    上記電極信号生成ユニットは、上記第２の力の適用に関する信号，上記第２のばね定数に関する信号及び上記第２の読み取り係数に関する信号に依存して各々の電極信号を生成し、上記第２の力の適用、上記第２のばね定数、及び上記第２の移動可能な電極の上記第２の読み取り係数が、互いに独立し、かつ上記力の適用、上記ばね定数、及び少なくとも１つの上記移動可能な電極の上記読み取り係数から独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、複数の上記電極信号を互いに整合させることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小電気機械センサ。
11. 少なくとも１つの移動可能な電極と、個別に駆動可能であり、対応する電極信号が供給されるための複数の電極を備え、上記移動可能な電極と離間して配置されている電極構成とを備える微小電気機械センサの操作方法であり、
    −力の適用に関する信号、ばね定数に関する信号及び読み取り係数に関する信号に依存し、上記力の適用、上記ばね定数及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数に関して行われる設定及び／または変更を定義する電極信号を生成する工程と、
    −上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数を静電気的に設定及び／または変更するために、対応する上記電極に上記電極信号を適用する工程とを含み、
    複数の上記電極信号が、上記力の適用に関する信号、上記ばね定数に関する信号、及び上記読み取り係数に関する信号に依存して生成され、上記力の適用、上記ばね定数、及び上記移動可能な電極の上記読み取り係数が、互いに独立して特定の所望値に設定及び／または変更されるように、複数の上記電極信号を互いに整合することを特徴とする微小電気機械センサの操作方法。

Images