(57)【要約】【課題】駆動手段と検出手段とを組み合わせたセンサを提供すること。【解決手段】少なくとも１つの駆動／検出手段（Ｃｎ）と、駆動ユニット（２２０）と、評価ユニット（３００）とを有するセンサにおいて、第１の動作状態において上記の駆動／検出手段（Ｃｎ）と駆動ユニット（２２０）とが接続され、第２の動作状態において上記の駆動／検出手段（Ｃｎ）と評価ユニット（３００）とが接続されるようにする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの駆動／検出手段（Ｃｎ）と、駆動ユニット（２２０）と、評価ユニット（３００）とを有するセンサにおいて、
第１の動作状態にて前記の駆動／検出手段（Ｃｎ）と、駆動ユニット（２２０）とが接続され、
第２の動作状態にて前記の駆動／検出手段（Ｃｎ）と、評価ユニット（３００）とが接続されることを特徴とする、
少なくとも１つの駆動／検出手段と、駆動ユニットと、評価ユニットとを有するセンサ。
【請求項２】
前記センサは、アクティブに振動状態に励振させることできるサイズモ質量体（４０）を有する、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記の駆動／検出手段（Ｃｎ）は、サイズモ質量体（４０）に接続されている、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記センサは、マイクロメカニカル方式で構成される測定センサ、例えば回転速度センサである、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記の駆動／検出手段（Ｃｎ）は、例えば櫛形構造を有するコンデンサである、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記の駆動ユニットおよび評価ユニットは、周期的に交替して駆動／検出手段に接続される、
請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記の駆動ユニットおよび評価ユニットは、少なくとも１つの電気回路である、
請求項１に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの駆動／検出手段と、駆動ユニットと、評価ユニットとを有するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブに振動するマイクロメカニカルセンサ、例えば、回転速度センサは、センサを振動させるために通例、櫛形構造を使用する。この励振はたいてい共振状態で行われ、システムの高い品質が十分に利用できるようにする。
【０００３】
上記の櫛形構造は、固定部分と、運動すべきサイズモ質量体（seismische Masse）に固定されている可動部分とからなる。振動を励起させるため、２つの櫛部分の間に電圧が加えられ、これによって発生する静電気力により、引力が生じて２つの櫛が互いの中に引っ張られるのである。第２の櫛ペアに切り換えることによって、逆方向への運動が開始される。
【０００４】
センサの感度は、このように形成される振動の振幅に直接比例するため、これをできる限り一定に維持しなければならず、これによって一定の感度も保証されるようにする。このために一般的には別の櫛形構造ないしは櫛ペアが使用される。これらの櫛形構造ないしは櫛ペアは、挿入深さに影響されて変化するそのキャパシタンスの変化を介して、振動の振幅を測定する。この情報により、制御ループを介して上記の振動の一定の振幅を保証することができるのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、駆動手段と検出手段とが組み合わされたセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は、本発明の請求項１によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、少なくとも１つの駆動／検出手段と、駆動ユニットと、評価ユニットとを有するセンサを出発点としている。本発明の核心部分は、第１の動作状態において上記の駆動／検出手段が駆動ユニットに接続され、第２の動作状態において上記の駆動／検出手段が評価ユニットに接続されることである。
【０００８】
本発明では、有利にも、上記の組み合わせられた駆動／検出手段が、駆動ユニットまたは評価ユニットに選択的に接続されることによって２重の機能を果たすことができ、ひいてはこの手段を、これまで従来技術において実現されていた個別機能の場合に比べて半分だけセンサに設ければよいのである。ここでこの個別機能は、駆動のための少なくとも１つの駆動／検出手段の機能および評価のための少なくとも１つの駆動／検出手段の機能である。
【０００９】
また有利にも上記のセンサは、アクティブに振動状態に励振させることのできるサイズモ質量体を有する。このような質量体では有利にも駆動と検出とを組み合わせることができる。それは駆動および検出が同じ相互作用を用いるからである。駆動することにより、上記の駆動／検出手段によって力が及ぼされ、この力が質量体を加速させて移動させる。上記のサイズモ質量体に外力が加わると同様にこの質量体が加速して移動する。これは評価ユニットにより、駆動／検出手段が用いられることによって測定および評価することができる。
【００１０】
ここで上記の駆動／検出手段は有利にはサイズモ質量体に接続されている。
【００１１】
本発明の殊に有利な実施形態では、上記のセンサは、マイクロメカニカル方式で構成される測定センサ、例えば、回転速度センサである。多くのマイクロメカニカルセンサは、アクティブに移動可能なサイズモ質量体を有する。例えば、マイクロメカニカル回転速度センサは、アクティブに移動可能なサイズモ式振動質量体を有しており、その移動はコリオリ加速度で検出される。
【００１２】
本発明の殊に有利な実施形態では、上記の駆動／検出手段は、例えば櫛形構造を有するコンデンサである。このような櫛形構造は、相異なって充電されたコンデンサ板の静電気的な引力を利用することにより、有利にも駆動に利用することができる。その一方で移動、殊に駆動振動の振幅は、発生する櫛形構造の容量変化により、有利かつ簡単に決定することができる。
【００１３】
構造素子の別の有利な実施形態では、駆動ユニットおよび評価ユニットが周期的に交替して駆動／検出手段に接続される。これはサイズモ式質量体を励振して周期的な振動状態にするという基本的な考え方に合致し、またこれを有利に実現することができる。
【００１４】
駆動ユニットおよび評価ユニットが少なくとも１つの電気回路であることも有利である。電気回路は、センサのマイクロメカニカル機能部分に容易に組み込むことができる。静電気的に駆動する際には電気回路は駆動ユニットおよび評価ユニットに殊に有利である。
【００１５】
別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１６】
本発明では、同一の櫛形を振動の励起に対しても、その検出に対しても共に使用している。これはつぎのようにして行われる。すなわち、振動の半周期中に上記の櫛形の半分を駆動に使用し、これに対して別の半分をこの振動の検出に使用することによって行われる。第２の半周期において役割分担は逆転して、前に検出した櫛形を駆動櫛形として使用し、またその逆を行うのである。本発明は回転振動にも、直進運動の振動にも共に使用可能である。
【００１７】
共鳴振動子を駆動するために駆動櫛および検出櫛の別個のペアはもはや不要であり、２つの櫛形ペアが同時に２つの役割を果たすのである。これによって以下の利点が得られる。すなわち半数の櫛形構造しか必要でない。それは各櫛形構造において２つの駆動の役割が同程度に行われるからである。ここでは、センサを接触接続するための２つのコンタクト面（ボンディングパッド）を省略することも可能である。この結果、櫛形およびボンディングパッドに対してチップ面が節約して使用される。択一的には櫛形の個数をそのままにする場合には、本発明のセンサにおいて２倍の数の駆動櫛形が利用可能になる。これにより、択一的なまたは組み合わせることもできる、センサの２つの有利な実施形態が得られる。第１にはセンサに閉じ込められる内圧（通例、数ヘクトパスカルである）を上げることができる。それは強力な駆動力により、比較的高い気圧に抗して振動質量体を駆動することもできるからである。またこのことからセンサに封入する（Verkappen）際のプロセス管理が簡単になる。それは封入時に気圧をできる限り低く維持したいという要求また後の動作における封入の密閉度に対する要求が低くなり得るからである。第２には、より多くの駆動器が得られる場合、評価チップに供給しなければならない所要の駆動電圧を低減することができる。これにより、評価チップにおける回路を単純化して小さくすることでができる。さらにこれにより、評価回路を含むチップの面積が節約される。
【実施例】
【００１８】
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明において詳述する。
【００１９】
以下に示した実施形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００２０】
図１は従来技術による回転速度センサのマイクロメカニカル機能部分を示している。この回転速度センサは概略断面図で示されている。ここで図示されているのは支持体１０，振動バネ３０を有するハブ２０，および振動質量体４０である。ハブ２０は支持体１０に接続されている。このハブは振動バネ３０を介して振動質量体４０にも接続されている。この回転速度センサは櫛形構造ＣＡ１，ＣＡ２を有しており、これらは振動Ｖを駆動するために使用される。振動状態に励振させることのできるサイズモ質量体、すなわち振動質量体４０の駆動は、例えばＣＡ１である駆動構造体の２つの櫛が、相異なる電位に充電される２つの電極となることによって行われる。相補的な櫛は、静電気による引力により、互いの中に引っ張られ、これによって振動質量体４０が移動する。さらに回転速度センサは、櫛形構造ＣＤ１，ＣＤ２を有しており、ここでこれらは駆動振動の振幅を検出するのに有利であり、またそれらの信号は一般的にこれらの振幅の制御に使用されるのである。最後にこの回転速度センサは、コンデンサ構造ＣＳ１，ＣＳ２は有しており、ここでこれは、作用するコリオリの力ＦＣによる振動質量体の移動を測定するために使用される。
【００２１】
回転速度センサの動作中、振動質量体４０は、ハブ２０の周りの球面路において振動Ｖする。この回転速度センサは、回転軸Ω周りの回転を正確に検出する。Ωの周りでこのようにセンサが回転すると、法則通りにコリオリの力ＦＣが発生し、この力は、振動方向に対して垂直の、矢印によって示した方向に振動質量体４０を移動させる。コリオリの力ＦＣの向きは、振動質量体４０の回転振動Ｖの向きと共に都度変化する。
【００２２】
図２に示されているのは、図１による回転速度センサのマイクロメカニカル機能部分の概略平面図である。ここでは駆動櫛ＣＡ１１，ＣＡ１２，ＣＡ２１，ＣＡ２２および検出櫛ＣＤ１１，ＣＤ１２，ＣＤ２１，ＣＤ２２が示されている。駆動櫛ＣＡ１１，ＣＡ１２は振動質量体４０を＋Ｖ方向に駆動するのに使用される。駆動櫛ＣＡ２１，ＣＡ２２は振動質量体４０を−Ｖ方向に駆動するのに使用される。検出櫛ＣＤ１１，ＣＤ１２，ＣＤ２１，ＣＤ２２は、２つの方向＋Ｖ，−Ｖにおける駆動移動の振幅を測定するのに使用される。このコンデンサ状の櫛形構造ＣＤ１１，ＣＤ１２，ＣＤ２１，ＣＤ２２の容量は、櫛相互の挿入深さに依存し、ひいてはコンデンサ板の相互の重なり面積に依存する。電極ＣＴ１およびＣＴ２は検査電極である。検査電極ＣＴ１およびＣＴ２に電圧を加えることによって、コリオリの力ＦＣの方向に振動質量体４０を移動させることできる。これによってコリオリの力ＦＣの作用をシミュレーションして、振動質量体４０の移動の可否を検査することができる。したがってこのセンサの機能を検査することができるのである。
【００２３】
図３は、従来技術による回転速度センサの電気接続を概略的に示している。ここではマイクロメカニカル部分１００を有する容量式回転速度センサが示されており、このセンサは回転振動を駆動するための駆動櫛ＣＡ１およびＣＡ２と、駆動移動の振幅を検出するための検出櫛ＣＤ１およびＣＤ２とを有する。この回転速度センサは、評価ユニット３００を有しており、この評価ユニットは２つの容量−電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）３１０および３２０と、差動増幅器３３０とを有する。さらにこの回転速度センサには、位相および振幅制御部２１０と駆動ユニット２２０とを有する駆動器２００が含まれている。
【００２４】
図１および２に示した実施例による共振形センサが動作する際には、一般的に別個の櫛または櫛ペアが、駆動に対して（ＣＡ１，ＣＡ２）および駆動検出に対して（ＣＤ１，ＣＤ２）使用される。振動の第１半周期中、例えば駆動ユニット２２０により、出口２２１に駆動電圧ＵＡが供給される。駆動電圧ＵＡは、振動質量体４０と、図３に示した櫛ＣＡ１との間に加えられて、振動質量体４０は静電気的な引力により、＋Ｖ方向に移動する。この際にこれらの櫛形構造は互いに入り込む。これによって検出櫛ＣＤ１およびＣＤ２の挿入深さも変化する。櫛形構造ＣＤ２の位置固定部分および振動体４０の相応する対向部分も互いに入り込み、これによって比較的大きな容量が形成される。その一方で櫛形構造ＣＤ１は引っ張られて比較的小さな容量が形成される。これらの容量変化は、検出されて、実質的に容量に比例する信号３１１および３２１が評価ユニット３００に供給される。信号３１１は、容量電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）３１０に、また信号３２１は容量電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）３２０に供給される。これらのＣ／Ｕ変換器ではそれぞれ上記の容量に比例する信号が電圧信号に変換される。Ｃ／Ｕ変換器３１０からの電圧信号３３１およびＣ／Ｕ変換器３２０からの電圧信号３３２は差動増幅器３３０に供給され、この差動増幅器はこれらの電圧信号から駆動器２２０に対する制御信号３３３を生成する。制御信号３３３は、位相および振幅制御部２１０に供給される。位相および振幅制御部２１０は、位相および振幅情報を有する駆動制御信号２１１を形成し、これは駆動ユニット２２０に供給される。駆動制御信号２１１に基づいて駆動ユニット２２０は出力側に適切な駆動電圧２２１を供給する。この時、櫛ＣＡ２は機能していない。
【００２５】
振動の第２半周期中、駆動ユニット２２０により、出力側２２２において駆動電圧ＵＡが供給される。駆動電圧ＵＡは、振動質量体４０と、図３に示した櫛ＣＡ２との間に加えられ、ひいては振動質量体４０は、静電気による引力により、−Ｖ方向に移動する。この際に櫛形構造は互いに入り込む。これによって検出櫛ＣＤ１およびＣＤ２の挿入深さも変化する。櫛形構造ＣＤ１の位置固定部分および振動体４０の相応する対向部分が互いに入り込み、ひいては比較的大きな容量を形成するのに対して、櫛形構造ＣＤ２は引っ張られて、比較的小さな容量を形成する。これらの容量変化は検出され、実質的に容量に比例する信号３１１および３２１として評価ユニット３００に供給される。評価はここでもすでに上に説明したのと同じように行われる。この時、櫛ＣＡ１は機能していない。
【００２６】
図４には本発明によるセンサの電気接続が回転速度センサの例で概略的に示されている。ここではマイクロメカニカル機能部分１００を有する容量式回転速度センサが示されており、ここでこの機能部分は、コンデンサ櫛形構造Ｃｎの形態の駆動／検出手段を有しており、この実施例ではｎ＝１，２，３または４である。コンデンサ構造Ｃ１とＣ２ならびにＣ３とＣ４とはそれぞれ並列接続されており、また本発明ではそれぞれ共通の１構造で実現することも可能である。この回転速度センサはこの他に評価ユニット３００を有しており、この評価ユニットは２つの容量電圧変換器（Ｃ／Ｕ変換器）３１０および３２０ならびに差動増幅器３３０を有する。さらにこの回転速度センサは駆動器２００を有しており、この駆動器は、変更された駆動制御部２１５および駆動ユニット２２０を有する。この変更された駆動制御部２１５には、位相および振幅制御部と、２つのスイッチ素子４１０および４２０に対する制御部とが含まれている。
【００２７】
この実施例において第１半周期に相応する第１動作状態では、コンデンサ構造Ｃ１およびＣ２は、スイッチ素子４１０と、電圧信号２２１を導く信号線路とによって駆動ユニット２２０に接続されており、振動質量体４０を＋Ｖ方向に駆動する。ここで櫛形構造Ｃ１およびＣ２は互いに交差しており、すなわち静電気による引力によって互いの中に引っ張られるのである。同時に櫛形構造Ｃ３およびＣ４は引き離される。この際に発生する容量変化が測定される。櫛形構造Ｃ３およびＣ４は、スイッチ素子４２０により、Ｃ／Ｕ変換器３２０に接続されており、この変換器に信号３２１が供給される。容量に比例する信号３１１は印加されない。それは関連する信号線路がスイッチ素子４１０において開いているからである。このため、Ｃ／Ｕ変換器３１０は寄与しないのである。Ｃ／Ｕ変換器３１０からの（情報を含まない）電圧信号３３１およびＣ／Ｕ変換器３２０からの電圧信号３３２は差動増幅器３３０に供給され、この差動増幅器はここから駆動器２２０に対する制御信号３３３を生成する。制御信号３３３は、変更された位相および振幅制御部２１５に供給される。変更された位相および振幅制御部２１５は、位相および振幅情報を有する駆動制御信号２１１を形成し、この信号は駆動ユニット２２０に供給される。さらにスイッチ素子４１０および４２０を制御するための位相に依存する信号４３０が形成される。駆動制御信号２１１に基づいて駆動ユニット２２０は１出力側に適切な駆動電圧２２１を供給する。
【００２８】
この実施例において第２半周期に相応する第２動作状態では、コンデンサ構造Ｃ３およびＣ４は、スイッチ素子４２０と、電圧信号２２２を導く信号線路とによって駆動ユニット２２０に接続されており、振動質量体４０を−Ｖ方向に駆動する。ここで櫛形構造Ｃ３およびＣ４は互いに交差しており、すなわち静電気による引力によって互いに中に引っ張られるのである。同時に櫛形構造Ｃ１およびＣ２は引き離される。この際に発生する容量変化が測定される。櫛形構造Ｃ１およびＣ２は、スイッチ素子４１０により、Ｃ／Ｕ変換器３１０に接続されており、この変換器に信号３１１が供給される。容量に比例する信号３２１は印加されない。それは関連する信号線路がスイッチ素子４２０において開いているからである。このため、Ｃ／Ｕ変換器３２０は寄与しないのである。Ｃ／Ｕ変換器３１０からの電圧信号３３１およびＣ／Ｕ変換器３２０からの（情報を含まない）電圧信号３３２は差動増幅器３３０に供給され、この差動増幅器はここから駆動器２２０に対する制御信号３３３を生成する。制御信号３３３は、変更された位相および振幅制御部２１５に供給される。変更された位相および振幅制御部２１５は、位相および振幅情報を有する駆動制御信号２１１を形成し、この信号は駆動ユニット２２０に供給される。さらにスイッチ素子４１０および４２０を制御するための位相に依存する信号４３０が形成される。駆動制御信号２１１に基づいて駆動ユニット２２０は１出力側に適切な駆動電圧２２２を供給する。
【００２９】
このようなやり方により、この実施例において２倍個の駆動櫛が得られる。上述のようにＣ１とＣ２、ならびにＣ３とＣ４はそれぞれ並列接続されている。しかしながら本発明においてこれらはそれぞれただ１つの共通な構造で実現することも可能である。これによって櫛形構造を統合することができ、ひいてはその数を減らすことができる。
【００３０】
図５には本発明の回転速度センサの別の実施例が示されている。ここではマイクロメカニカル機能部分１００と、評価ユニット３００とを有する容量式回転速度センサが示されている。さらにこの回転速度センサには、変更された駆動制御部２１５および駆動ユニット２２０を有する駆動器２００も含まれている。図４で示したように動作状態に応じて、容量信号３２１または３１１のいずれか１つが印加されておらず、またＣ／Ｕ変換器３２０または３１０のいずか１つが機能していないために過剰になっている。したがって図４とは異なり、ここでは櫛形構造Ｃｎがスイッチ素子４１０および４２０を介して制御され、共通の１信号線路だけを介して評価ユニット３００に交替に接続される。評価ユニット３００は、上記の実施例における２つのＣ／Ｕ変換器の代わりに１つのＣ／Ｕ変換器しか含んでいない。
【００３１】
本発明は明らかに上記の実施例に制限されない。上記の他に別の実施例を考えることができる。例えば、本発明の駆動／検出手段は、直線的な振動、すなわち回転運動ではなく直進運動の振動にも使用することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】マイクロメカニカル回転速度センサの動作原理を示す図である。
【図２】回転速度センサのマイクロメカニカル機能部を示す図である。
【図３】従来技術による回転速度センサの電気接続を概略的に示す図である。
【図４】本発明による回転速度センサの電気接続を概略的に示す図である。
【図５】本発明による回転速度センサの別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  支持体、  ２０  ハブ、  ３０  振動バネ、  ４０  振動質量体、  １００  マイクロメカニカル機能部分、  ２００  駆動器、  ２１０  位相および振幅制御部、  ２１１  駆動制御信号、  ２１５  変更された駆動制御部、  ２２０  駆動ユニット、  ２２１  電圧信号、  ２２２  駆動ユニットの出力側、  ３００  評価ユニット、  ３１０，３２０  容量−電圧変換器、  ３１１，３２１  容量に比例する信号、  ３３０  差動増幅器、  ３３１，３３２  電圧信号、  ３３３  駆動器制御信号、  ４１０，４２０  スイッチ素子、  ４３０  スイッチ素子制御信号、  Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ構造、  ＣＡ１１，ＣＡ１２，ＣＡ２１，ＣＡ２２  駆動櫛、  ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＤ１，ＣＤ２  櫛形構造、  ＣＤ１１，ＣＤ１２，ＣＤ２１，ＣＤ２２  検出櫛、  ＣＳ１，ＣＳ２  コンデンサ構造、  ＣＴ１，ＣＴ２  検査電極、  ＦＣ  コリオリの力、  Ｖ  振動、  Ω  回転軸
【図１】
2005283584.tif 000003
【図２】
2005283584.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005283584.tif 000007