利用具有混合振動(dòng)和擺動(dòng)操作的移動(dòng)敏感元件的傳感器以及控制這樣的傳感器的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及傳感器，包括：臺(tái)架；沿傳感軸可移動(dòng)的第一主體；相對(duì)于所述第一主體沿傳感軸對(duì)稱安置的兩對(duì)第二主體；用于檢測(cè)第一主體相對(duì)于臺(tái)架的位置、沿振動(dòng)軸振動(dòng)所述第二主體并檢測(cè)所述第二主體的振動(dòng)頻率的換能器；以及用于將每個(gè)第二主體表面靜電耦合連接到第一主體的裝置，以便第一主體沿傳感軸相對(duì)于臺(tái)架的移動(dòng)分別導(dǎo)致所述第二主體對(duì)的一個(gè)第二主體對(duì)和另一個(gè)第二主體對(duì)的靜電力矩的增加和減少。本發(fā)明還涉及用于控制這樣的傳感器的方法。
【專利說(shuō)明】利用具有混合振動(dòng)和擺動(dòng)操作的移動(dòng)敏感元件的傳感器以及控制這樣的傳感器的方法
[0001]本發(fā)明涉及可用于檢測(cè)加速度、壓力或更具體而言振動(dòng)可以引起可移動(dòng)主體相對(duì)于臺(tái)架移動(dòng)的任何物理量的傳感器。本發(fā)明特別適用于用在慣性加速度傳感器的應(yīng)用中，并且特別是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)型的傳感器。
[0002]具有振動(dòng)諧振器的加速度傳感器通常包括通過(guò)振動(dòng)元件被連接到支架的激振體(或測(cè)試質(zhì)量塊)，所述振動(dòng)元件通常是沿傳感器的傳感軸延伸的梁的形式。所述傳感器具有用于將所述梁設(shè)定到以梁的諧振頻率振動(dòng)并用于檢測(cè)在所述梁的振動(dòng)頻率中的振動(dòng)的換能器。在施加給所述支架的加速度的影響下，激振體在所述梁上施加軸向力來(lái)收縮或牽弓1:這導(dǎo)致梁的剛性的變化并且因而導(dǎo)致在其諧振頻率中的變化。
[0003]這樣，從梁的諧振頻率中的小的變化推導(dǎo)出加速度測(cè)量，因而導(dǎo)致相對(duì)大的測(cè)量偏差。在加速度的影響下，力被施加給諧振器，諧振器改變了其諧振頻率:所導(dǎo)致的變形是相對(duì)小的，并且類似于由溫度的變化或由在裝配中的應(yīng)力松弛產(chǎn)生的干擾變形。
[0004]為了消除這種偏差和其他不期望的共模影響(非線性、溫度敏感性、……)，通過(guò)用以音叉配置的兩個(gè)梁來(lái)取代單個(gè)梁來(lái)差別化執(zhí)行所述測(cè)量，這些梁經(jīng)受了要么由這兩個(gè)梁所共有的激振體要么由兩個(gè)激振體(每個(gè)連接到這些梁的相應(yīng)一個(gè)梁)所施加的相反符號(hào)的應(yīng)力。
[0005]為了限制這種測(cè)量偏差，已經(jīng)提議實(shí)現(xiàn)平行于梁的機(jī)械剛性的靜電剛性，這樣，在加速度的影響下激振體修改了靜電剛性。
[0006]在使用這種原理的傳感器中，以這樣的方式借助于附連到音叉的每個(gè)振動(dòng)梁的梳狀電極獲得靜電剛性:在加速度的影響下測(cè)試主體改變梳狀電極之間的氣隙并因而改變了所述電極所生成的靜電剛性。剛性中的變化導(dǎo)致梁的振動(dòng)頻率中的變化。所述梁具有不同的振動(dòng)頻率，并且這兩個(gè)頻率之間的差是加速度的量度。
[0007]這樣，變化幅度的增加使得減小測(cè)量偏差成為可能。
[0008]本發(fā)明的目的是提供允許傳感器的性能被更好改進(jìn)的手段。
[0009]為此，本發(fā)明提供一種傳感器，包括:臺(tái)架;通過(guò)第一懸掛裝置被連接到臺(tái)架以沿傳感軸可移動(dòng)的第一主體，所述第一懸掛裝置限定了懸掛平面；圍繞所述第一主體沿傳感軸對(duì)稱安置的兩個(gè)諧振器并且每個(gè)諧振器包括一對(duì)第二主體，每個(gè)所述第二主體通過(guò)第二懸掛裝置被連接到臺(tái)架以便沿基本上垂直于傳感軸的振動(dòng)軸是可移動(dòng)的，并且所述第二主體通過(guò)第三懸掛裝置彼此相連;被連接到控制單元的換能器構(gòu)件，用于檢測(cè)第一主體相對(duì)于臺(tái)架的位置，用于將第二主體設(shè)定為沿振動(dòng)軸振動(dòng)，并用于檢測(cè)第二主體的相應(yīng)的振動(dòng)頻率；以及以這樣的方式將每個(gè)第二主體連接到第一主體的表面靜電耦合裝置:第一主體沿傳感軸相對(duì)于臺(tái)架的移動(dòng)導(dǎo)致第二主體對(duì)的一個(gè)第二主體對(duì)的靜電耦合的增加以及另一第二主體對(duì)的靜電耦合的減少。
[0010]這樣，這些諧振器具有相對(duì)大的等效質(zhì)量以及Q-因子和相對(duì)低的諧振頻率。當(dāng)?shù)谝恢黧w在外部動(dòng)作的影響下移動(dòng)時(shí)，它導(dǎo)致諧振器中的一個(gè)諧振器的靜電剛性增加而另一諧振器的靜電剛性減少，因此，增加了諧振器的一個(gè)諧振器的諧振頻率同時(shí)減少了另一個(gè)諧振器的諧振頻率。作為移動(dòng)的結(jié)果所引起的靜電剛性變化還使得傳感器對(duì)溫度或?qū)ρb配中的應(yīng)力松弛的敏感度與如果所述變化是施加力的結(jié)果而將有的敏感度相比是更不敏感的。具有通過(guò)移動(dòng)改變諧振器的振動(dòng)頻率的單個(gè)第一主體的傳感器的安排使得具有單個(gè)輸入同時(shí)在給定大小的情況下對(duì)于這兩個(gè)諧振器中的每個(gè)還具有相對(duì)大的測(cè)試質(zhì)量塊成為可能。該安排也使得可能具有表面靜電耦合裝置，即通過(guò)所述裝置第一主體的移動(dòng)導(dǎo)致表面面積中的變化，表面面積中的變化導(dǎo)致靜電耦合中的變化，其變化(在第一階)比氣隙的變化更加線性并因此更易使用。這導(dǎo)致傳感器的性能中的改進(jìn)。第一主體的移動(dòng)的測(cè)量也代表了外部動(dòng)作。這樣，本發(fā)明的傳感器將擺動(dòng)操作模式和振動(dòng)操作模式合并，這可以特別用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量冗余。因此，本發(fā)明的傳感器提供了通過(guò)第一主體結(jié)合換能器可用的附加功能，所述換能器使得開環(huán)擺動(dòng)操作模式可用，它能提供允許傳感器的性能被更進(jìn)一步改進(jìn)的測(cè)量。
[0011]本發(fā)明還提供了一種控制這樣的傳感器的第一方法。該方法包括檢測(cè)第一主體的移動(dòng)以便確定第一測(cè)量值的步驟，以及檢測(cè)諧振器的頻率中的變化以便確定第二測(cè)量值的步驟。
[0012]這樣，獲得了兩個(gè)值，第一個(gè)值是通過(guò)擺動(dòng)操作模式獲得而第二個(gè)值是通過(guò)振動(dòng)操作模式獲得。這兩種操作模式對(duì)于同一干擾并不敏感，并且因此它有利于依據(jù)外部條件優(yōu)先考慮這些操作模式中的一個(gè)或另一個(gè)操作模式。
[0013]在使用這些可測(cè)量值的基本方法中，所述方法包括將第一測(cè)量值和第二測(cè)量值的平均保留為最終測(cè)量值的步驟。
[0014]本發(fā)明還提供了一種控制傳感器的第二方法。該方法包括使得第一主體執(zhí)行預(yù)定移動(dòng)的步驟，以及處理來(lái)自諧振器的換能器構(gòu)件的信號(hào)以便確定測(cè)量值的步驟。
[0015]這樣，可能校準(zhǔn)和/或測(cè)試傳感器。
[0016]在閱讀了下面的對(duì)本發(fā)明的特定的非限制性實(shí)施例之后，本發(fā)明的其他特征以及優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
[0017]對(duì)附圖作出參考，在附圖中:
[0018]圖1是本發(fā)明的傳感器的示意平面圖；以及
[0019]圖2是圖1中區(qū)域II的放大詳細(xì)視圖。
[0020]以其在測(cè)量加速度的應(yīng)用在此描述本發(fā)明。無(wú)疑，然而本發(fā)明并不局限于此應(yīng)用。
[0021]在該示例中的本發(fā)明的傳感器是MEMS類型的，并且它是通過(guò)蝕刻晶片來(lái)制造的，所述晶片包括由電絕緣層分隔開的至少半導(dǎo)體層和導(dǎo)電層，被稱為絕緣體上硅(SOI)晶片。該制造方法本身是已知的。
[0022]本發(fā)明的傳感器包括給予整體標(biāo)記I的臺(tái)架。臺(tái)架I具有安置在底部3之上的矩形框架形式的側(cè)壁2。
[0023]在本示例中被稱為激振“體”的第一主體4通過(guò)將主體4連接到臺(tái)架I的側(cè)壁2的第一懸掛裝置5被安裝在臺(tái)架上。懸掛裝置5定義了懸掛平面P，并且它們被安置以使得主體4沿懸掛平面P中包含的傳感軸X是可移動(dòng)的。
[0024]主體4是矩形板形式的，所述矩形板具有在其內(nèi)形成的矩形形狀的兩個(gè)腔6.1和6.2，這些腔在傳感軸X上是彼此對(duì)齊的并且由部分7彼此間隔開。
[0025]給予整體標(biāo)記10.1和10.2的兩個(gè)諧振器中的每個(gè)被容納在腔6.1和6.2的相應(yīng)一個(gè)腔中，并且這樣它們沿傳感軸X相對(duì)于激振體4對(duì)稱安置。
[0026]每個(gè)諧振器10.1,10.2包括一對(duì)第二主體11.1、12.1、11.2、12.2，每個(gè)通過(guò)第二懸掛裝置13.1、13.2被連接到臺(tái)架I的底部3。第二懸掛裝置13.1、13.2被安置，使得主體11.1、12.1、11.2、12.2中的每個(gè)主體可以沿振動(dòng)軸Y.1、Y.2振動(dòng)，該振動(dòng)軸基本上垂直于傳感軸X。主體11.1、12.1通過(guò)第三懸掛裝置14.1被連接在一起。主體11.2,12.2通過(guò)第三懸掛裝置14.2被連接在一起。主體和懸掛裝置以這樣的方式被安置:主體4和懸掛裝置5具有約I千赫茲(kHz)到約3kHz的諧振頻率，并且諧振器10.1和10.2具有高的諧振頻率，在本示例中，位于約1kHz到約20kHz的范圍中。
[0027]懸掛裝置是由葉片形成，所述葉片可平行于懸掛平面P彈性變形，但在沿與懸掛平面P垂直的軸上呈現(xiàn)出高度剛性，以便消除主體的移動(dòng)出懸掛平面P的自由度。第三懸掛裝置14.1、14.2包括以菱形安置的可彈性變形條帶15，具有平行于振動(dòng)軸Y并由連接到主體
11.1、12.1的第一頂點(diǎn)限定的第一對(duì)角線以及平行于傳感軸并由通過(guò)(以第二頂點(diǎn)沿傳感軸X可單獨(dú)移動(dòng)的方式)形成鏈接的葉片16連接到臺(tái)架I的底部3的第二頂點(diǎn)限定的第二對(duì)角線。
[0028]傳感器包括鏈接到控制單元8的換能器構(gòu)件。
[0029]第一換能器單元9被連接在臺(tái)架I的側(cè)壁2和第一主體4之間，并且它們以傳統(tǒng)方式安置以檢測(cè)第一主體4相對(duì)于臺(tái)架I的位置并相對(duì)于臺(tái)架I移動(dòng)第一主體4。相同的換能器構(gòu)件可以被控制以便交替發(fā)揮這兩個(gè)功能，或者一個(gè)換能器構(gòu)件可以被專用于移動(dòng)功能，而一個(gè)換能器構(gòu)件可以被專用于檢測(cè)功能。
[0030]第二換能器構(gòu)件17.1、17.2被連接在第二主體11.1、12.1、11.2、12.2中的每個(gè)和臺(tái)架I的底部3之間，并且它們以傳統(tǒng)方式被安置以允許第二主體11.1、12.1、11.2、12.2沿振動(dòng)軸Y.1、Y.2振動(dòng)并檢測(cè)第二主體11.1、12.1、11.2、12.2的相應(yīng)的振動(dòng)頻率。相同的換能器構(gòu)件可以被控制以便交替發(fā)揮這兩個(gè)功能，或者一個(gè)換能器構(gòu)件可以被專用于建立振動(dòng)的功能，而一個(gè)換能器構(gòu)件可以被專用于檢測(cè)功能。
[0031]換能器構(gòu)件以梳狀電極形式被制成。
[0032]傳感器還具有以這樣的方式將每個(gè)第二主體11.1、12.1、11.2、12.2連接到第一主體4的表面靜電耦合裝置:第一主體4沿傳感軸X相對(duì)于臺(tái)架I的移動(dòng)導(dǎo)致第二主體對(duì)11.1、
12.1、11.2、12.2中的一第二主體對(duì)的靜電耦合增加，而另一第二主體對(duì)11.1、12.1、11.2、12.2的靜電耦合減少。
[0033]表面靜電耦合裝置18.1,18.2被連接在所述部分7和第二主體11.1、12.1、11.2、12.2之間，并且它們是梳狀電極的形式，所述梳狀電極使得它們的梳齒平行于傳感軸X延伸。這樣，第二主體11.1、12.1、11.2、12.2的每個(gè)被提供有梳狀電極之一，并且部分7還具有面對(duì)第二主體11.1，12.1，11.2，12.2的每個(gè)梳狀電極的梳狀電極，以便所述面對(duì)的電極的梳齒是在彼此之間安置的這樣，彼此面對(duì)的這兩個(gè)梳狀電極的梳齒呈現(xiàn)出面對(duì)表面，所述表面平行于傳感軸并定義了當(dāng)所述電極經(jīng)受電壓時(shí)由它們提供的靜電耦合的值。如果部分7相對(duì)于臺(tái)架I移動(dòng)，梳齒的面對(duì)表面面積就增加或減少，這取決于考慮中的諧振器，因而導(dǎo)致討論中的諧振器的靜電耦合中的增加或減少，并且這導(dǎo)致討論中的諧振器的在其剛性中的增加或減少。
[0034]換能器的電極和靜電耦合裝置的電極通過(guò)由控制單元8控制的連接裝置被連接到至少一個(gè)電壓源，以便將電壓有選擇性地施加到所述電極。這些連接裝置和電壓源本身是已知的，并且不在此更詳細(xì)描述。
[0035]可以理解，在施加到臺(tái)架I的加速度的影響下，第一主體4移動(dòng)，因而導(dǎo)致在靜電耦合中的變化(并因而導(dǎo)致在諧振器10.1、10.2的靜電剛性中的變化)，這導(dǎo)致在諧振器10.1、10.2的諧振頻率中的變化。
[0036]通過(guò)已知方式，控制單元8包括包含計(jì)算機(jī)程序的存儲(chǔ)器和安置為執(zhí)行所述程序的處理器。所述程序允許傳感器控制方法被執(zhí)行。
[0037]這樣，所述發(fā)明還涉及當(dāng)和其他傳感器一起被安裝在(作為示例)車輛中以便為車輛的導(dǎo)航單元或駕駛單元提供測(cè)量時(shí)，控制這種傳感器的方法。
[0038]這些方法的第一方法包括下述步驟:
[0039]借助于第一換能器構(gòu)件9檢測(cè)第一主體4的移動(dòng)，以便確定第一加速度值;以及
[0040]借助于第二換能器17.1,17.2檢測(cè)諧振器10.1,10.2的頻率中的變化，以便確定第二加速度值。
[0041]這樣，通過(guò)使用傳感器作為擺動(dòng)加速度計(jì)獲得第一值，而通過(guò)使用傳感器作為振動(dòng)加速度計(jì)獲得第二值。
[0042]在簡(jiǎn)化版本中，所述方法隨后包括將第一加速度值和第二加速度值的平均保留為加速度值的步驟。應(yīng)該觀察到，該平均可以通過(guò)第一和第二加速度值的先驗(yàn)加權(quán)來(lái)計(jì)算。加權(quán)系數(shù)可以例如在工廠的校準(zhǔn)步驟期間一勞永逸地設(shè)定，以便考慮擺動(dòng)模式傳感器和振動(dòng)模式傳感器的相對(duì)性能，或它們可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)，諸如溫度，變化。隨后，連接到控制單元8的溫度傳感器被安置在傳感器附近，并且控制單元8包括包含了以溫度為函數(shù)的系數(shù)值的存儲(chǔ)器。
[0043]本發(fā)明還涉及控制傳感器以允許傳感器被測(cè)試或校準(zhǔn)的第二方法。
[0044]該方法包括以下步驟:
[0045]使得第一主體4通過(guò)使用第一換能器構(gòu)件9來(lái)執(zhí)行預(yù)定的移動(dòng)，該移動(dòng)類似于由加速度引起的移動(dòng)；以及
[0046]處理來(lái)自第二換能器構(gòu)件17.1,17.2的信號(hào)以便確定加速度值。
[0047]知曉預(yù)定移動(dòng)的特性(應(yīng)該觀察到第一換能器構(gòu)件9可以被用來(lái)確定該移動(dòng)的真實(shí)特性)，就可能確定第二換能器構(gòu)件17.1,17.2應(yīng)該提供的理論信號(hào)且因此確定理論加速度值。控制單元8被編程為計(jì)算此理論加速度值并將其與從由第二換能器構(gòu)件17.1、17.2實(shí)際提供的信號(hào)中所確定的加速度值相比較。這使得對(duì)傳感器的完整性且具體而言為換能器的效率和主體4的移動(dòng)性進(jìn)行驗(yàn)證成為可能。
[0048]控制單元8優(yōu)選地被安排為根據(jù)這兩個(gè)值之間的差行動(dòng)以便確定要被施加到從由第二換能器構(gòu)件17.1、17.2提供的信號(hào)中所確定的加速度值的校正因子?？刂茊卧?還被安排為使用所述比較的結(jié)果來(lái)更新傳感器的誤差模型。在一個(gè)變體中，比較的結(jié)果被用于調(diào)整要施加給傳感器的各種電極的電壓以便最小化所測(cè)得的差。
[0049]控制單元8有利地被編程為周期性地執(zhí)行這種校準(zhǔn)或測(cè)試方法。
[0050]控制單元8還被安排為控制第一換能器構(gòu)件9以便過(guò)濾掉干擾(例如由傳感器的載體所產(chǎn)生的振動(dòng))，并且例如以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行第一主體4的第一諧振模式的受控衰減的主動(dòng)懸掛。
[0051]當(dāng)然，本發(fā)明不限于所描述的實(shí)施例，而是覆蓋落在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的任何變型。
[0052]具體而言，第一主體可以是除所述形狀之外的形狀，并且例如它可以是具有在其中形成有單個(gè)腔以便容納這兩個(gè)諧振器的板型形狀。
[0053]本發(fā)明的傳感器可以被用于檢測(cè)任何可以被轉(zhuǎn)換成第一主體相對(duì)于臺(tái)架的移動(dòng)的量，例如加速度、壓力等等。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種傳感器，包括:臺(tái)架(I);通過(guò)第一懸掛裝置(5)被連接到所述臺(tái)架以沿傳感軸(X)可移動(dòng)的第一主體(4)，所述第一懸掛裝置(5)限定了懸掛平面(P);圍繞所述第一主體沿所述傳感軸對(duì)稱安置的兩個(gè)諧振器(10.1，10.2)并且每個(gè)諧振器包括一對(duì)第二主體(I 1.1，12.1，11.2，12.2)，每個(gè)所述第二主體通過(guò)第二懸掛裝置(13.1，13.2)被連接到所述臺(tái)架以便能夠沿基本上垂直于所述傳感軸的振動(dòng)軸(Y.1,Y.2)振動(dòng)，并且所述第二主體通過(guò)第三懸掛裝置(14.1，14.2)彼此相連；被連接到控制單元(8)的換能器構(gòu)件(9，17.1，17.2)，用于檢測(cè)所述第一主體相對(duì)于所述臺(tái)架的位置，用于將所述第二主體設(shè)定為沿所述振動(dòng)軸振動(dòng)，并用于檢測(cè)所述第二主體的相應(yīng)的振動(dòng)頻率；以及以這樣的方式將每個(gè)第二主體連接到所述第一主體的表面靜電耦合裝置(18.1，18.2):所述第一主體沿所述傳感軸相對(duì)于所述臺(tái)架的移動(dòng)導(dǎo)致所述第二主體對(duì)的一個(gè)第二主體對(duì)的靜電耦合的增加以及另一第二主體對(duì)的靜電耦合的減少。2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述諧振器(10.1，10.2)被安置在所述第一主體的部分(7)的任一側(cè)上，所述表面靜電耦合裝置(18.1，18.2)被安裝在所述部分和所述第二主體(11.1,12.1,11.2,12.2)之間。3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述第一主體(4)具有在所述傳感軸(X)上彼此對(duì)齊的兩個(gè)腔(6.1，6.2)，并且每個(gè)腔容納所述第二主體對(duì)(11.1，12.1，11.2，12.2)中的一對(duì)。4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第三懸掛裝置(14.1、14.2)包括具有菱形形狀的至少一個(gè)可彈性變形條帶(15)，所述菱形具有平行于所述振動(dòng)軸(Y)并由連接到所述主體(11.1，12.1，11.2，12.2)的第一頂點(diǎn)限定的第一對(duì)角線以及平行于所述傳感軸并由以第二頂點(diǎn)沿所述傳感軸可單獨(dú)移動(dòng)的方式的通過(guò)鏈接(16)連接到所述臺(tái)架(I)的所述第二頂點(diǎn)限定的第二對(duì)角線。5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述換能器構(gòu)件(9)也被安排為移動(dòng)所述第一主體(4)。6.—種控制根據(jù)任意前述權(quán)利要求所述的傳感器的方法，所述方法包括檢測(cè)所述第一主體(4)的移動(dòng)以便確定第一測(cè)量值的步驟，以及檢測(cè)所述諧振器的頻率中的變化以便確定第二測(cè)量值的步驟。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，包括將所述第一測(cè)量值和所述第二測(cè)量值的平均保留作為最終測(cè)量值的步驟。8.—種控制如權(quán)利要求5所述的傳感器的方法，其特征在于，包括使得所述第一主體(4)執(zhí)行預(yù)定移動(dòng)的步驟，以及處理來(lái)所述諧振器(10.1，10.2)的換能器構(gòu)件(17.1,17.2)的信號(hào)以便確定測(cè)量值的步驟。
【文檔編號(hào)】G01P15/097GK105917242SQ201480073565
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2014年10月21日
【發(fā)明人】A·金洛伊
【申請(qǐng)人】薩甘安全防護(hù)公司