[发明专利]利用具有混合振动和摆动操作的移动敏感元件的传感器以及控制这样的传感器的方法

说明书

本发明涉及可用于检测加速度、压力或更具体而言振动可以引起可移动主体相对于台架移动的任何物理量的传感器。本发明特别适用于用在惯性加速度传感器的应用中，并且特别是微机电系统(MEMS)型的传感器。

具有振动谐振器的加速度传感器通常包括通过振动元件被连接到支架的激振体(或测试质量块)，所述振动元件通常是沿传感器的传感轴延伸的梁的形式。所述传感器具有用于将所述梁设定到以梁的谐振频率振动并用于检测在所述梁的振动频率中的振动的换能器。在施加给所述支架的加速度的影响下，激振体在所述梁上施加轴向力来收缩或牵引：这导致梁的刚性的变化并且因而导致在其谐振频率中的变化。

这样，从梁的谐振频率中的小的变化推导出加速度测量，因而导致相对大的测量偏差。在加速度的影响下，力被施加给谐振器，谐振器改变了其谐振频率：所导致的变形是相对小的，并且类似于由温度的变化或由在装配中的应力松弛产生的干扰变形。

为了消除这种偏差和其他不期望的共模影响(非线性、温度敏感性、……)，通过用以音叉配置的两个梁来取代单个梁来差别化执行所述测量，这些梁经受了要么由这两个梁所共有的激振体要么由两个激振体(每个连接到这些梁的相应一个梁)所施加的相反符号的应力。

为了限制这种测量偏差，已经提议实现平行于梁的机械刚性的静电刚性，这样，在加速度的影响下激振体修改了静电刚性。

在使用这种原理的传感器中，以这样的方式借助于附连到音叉的每个振动梁的梳状电极获得静电刚性：在加速度的影响下测试主体改变梳状电极之间的气隙并因而改变了所述电极所生成的静电刚性。刚性中的变化导致梁的振动频率中的变化。所述梁具有不同的振动频率，并且这两个频率之间的差是加速度的量度。

这样，变化幅度的增加使得减小测量偏差成为可能。

本发明的目的是提供允许传感器的性能被更好改进的手段。

为此，本发明提供一种传感器，包括：台架；通过第一悬挂装置被连接到台架以沿传感轴可移动的第一主体，所述第一悬挂装置限定了悬挂平面；围绕所述第一主体沿传感轴对称安置的两个谐振器并且每个谐振器包括一对第二主体，每个所述第二主体通过第二悬挂装置被连接到台架以便沿基本上垂直于传感轴的振动轴是可移动的，并且所述第二主体通过第三悬挂装置彼此相连；被连接到控制单元的换能器构件，用于检测第一主体相对于台架的位置，用于将第二主体设定为沿振动轴振动，并用于检测第二主体的相应的振动频率；以及以这样的方式将每个第二主体连接到第一主体的表面静电耦合装置：第一主体沿传感轴相对于台架的移动导致第二主体对的一个第二主体对的静电耦合的增加以及另一第二主体对的静电耦合的减少。

这样，这些谐振器具有相对大的等效质量以及Q-因子和相对低的谐振频率。当第一主体在外部动作的影响下移动时，它导致谐振器中的一个谐振器的静电刚性增加而另一谐振器的静电刚性减少，因此，增加了谐振器的一个谐振器的谐振频率同时减少了另一个谐振器的谐振频率。作为移动的结果所引起的静电刚性变化还使得传感器对温度或对装配中的应力松弛的敏感度与如果所述变化是施加力的结果而将有的敏感度相比是更不敏感的。具有通过移动改变谐振器的振动频率的单个第一主体的传感器的安排使得具有单个输入同时在给定大小的情况下对于这两个谐振器中的每个还具有相对大的测试质量块成为可能。该安排也使得可能具有表面静电耦合装置，即通过所述装置第一主体的移动导致表面面积中的变化，表面面积中的变化导致静电耦合中的变化，其变化(在第一阶)比气隙的变化更加线性并因此更易使用。这导致传感器的性能中的改进。第一主体的移动的测量也代表了外部动作。这样，本发明的传感器将摆动操作模式和振动操作模式合并，这可以特别用于实现测量冗余。因此，本发明的传感器提供了通过第一主体结合换能器可用的附加功能，所述换能器使得开环摆动操作模式可用，它能提供允许传感器的性能被更进一步改进的测量。

本发明还提供了一种控制这样的传感器的第一方法。该方法包括检测第一主体的移动以便确定第一测量值的步骤，以及检测谐振器的频率中的变化以便确定第二测量值的步骤。

这样，获得了两个值，第一个值是通过摆动操作模式获得而第二个值是通过振动操作模式获得。这两种操作模式对于同一干扰并不敏感，并且因此它有利于依据外部条件优先考虑这些操作模式中的一个或另一个操作模式。

在使用这些可测量值的基本方法中，所述方法包括将第一测量值和第二测量值的平均保留为最终测量值的步骤。

本发明还提供了一种控制传感器的第二方法。该方法包括使得第一主体执行预定移动的步骤，以及处理来自谐振器的换能器构件的信号以便确定测量值的步骤。