用于运行微机械惯性传感器的方法和微机械惯性传感器技术

本发明专利技术涉及一种用于运行微机械惯性传感器的方法以及一种微机械惯性传感器，该微机械惯性传感器尤其构造为加速度传感器。微机械加速度传感器能够具有弹动地受支承的质量体以及柔性的止挡结构和固定结构。固定结构包括固定的电极，并且止挡结构紧固在固定结构上。止挡结构包括作用元件和电极。在质量体从初始位置偏移出时，质量体贴靠到作用元件上。通过将电压施加到固定的电极上，静电力在固定的电极与止挡结构的电极之间起作用，以便使具有作用元件的止挡结构向固定的电极的方向且远离质量体地运动。量体地运动。量体地运动。

Method for running micro mechanical inertial sensor and micro mechanical inertial sensor

【技术实现步骤摘要】
用于运行微机械惯性传感器的方法和微机械惯性传感器


[0001]本专利技术涉及一种用于运行微机械惯性传感器的方法。此外，本专利技术还涉及一种微机械惯性传感器。

技术介绍

[0002]公开文献US 2018 113147 A1公开了一种用于运行微机械惯性传感器的方法和一种微机械惯性传感器。

技术实现思路

[0003]本专利技术的任务在于，给出一种改进的用于运行微机械惯性传感器的方法和一种优化的微机械惯性传感器。
[0004]这个任务通过本专利技术的主题来解决。本专利技术的其他有利的构型在优选实施方式中给出。
[0005]本专利技术能够结合智能手机和平板电脑用于如下应用：
[0006]屏幕定向；显著运动(significant motion)；仪器定向；活动性识别、手势识别和情景识别(Kontexterkennung)；图像稳定；内部区域中的SLAM(同时进行的定位和地图创建，SLAM：simultaneous localization and map building)；冲击识别和自由掉落识别；运动控制。
[0007]本专利技术能够结合可穿戴设备、可听设备、AR和VR用于如下应用：
[0008]信息的显示；计步；活动性识别、手势识别和情景识别；卡路里计算；入耳识别；睡眠监控；老年人护理；室内导航；位置跟踪；低功耗传感机构、实时运动识别、头部运动跟踪；精确的传感器数据融合。
[0009]本专利技术能够结合无人机、游戏和玩具用于如下应用：
[0010]取向；万向节式悬挂装置；高度稳定(altidude stabilization)；飞行控制；运动跟踪、运动控制、平衡；活动性识别和手势识别。
[0011]本专利技术能够结合机器人用于如下应用：
[0012]导航；边界探测；动态路径规划；室内的/内部区域中的SLAM；空气质量监控；堵塞识别。
[0013]本专利技术能够结合智能家居用于如下应用：导航；边界探测；动态路径规划；室内SLAM/内部区域SLAM；空气质量监控；堵塞识别：入侵控制；空气质量监控；霉菌识别；温湿调节；地板水平识别；室内导航。
[0014]本专利技术还能够在工业化环境中用于如下应用：
[0015]水位检测；资产跟踪(asset tracking)；导航和控制；运动跟踪和位置跟踪；能源管理；预防性维护。
[0016]提出一种用于运行微机械惯性传感器的方法以及一种微机械惯性传感器。微机械惯性传感器能够借助MEMS技术制造(MEMS：Micro
‑
Electro
‑
Mechanical
‑
Systems，微电子机
械系统)，并且能够具有至少一个弹动地受支承的质量体以及至少一个柔性的止挡结构和至少一个固定结构。另外，微机械惯性传感器包括微机械结构元件和分析处理单元，该分析处理单元具有分析处理电子机构。微机械惯性传感器优选构造为微机械加速度传感器，从而使得微机械结构元件构造为加速度元件。替代地，微机械结构元件还能够构造为转速元件，从而使得惯性传感器形成转速传感器。固定结构包括固定的电极，并且止挡结构紧固在固定结构上。止挡结构包括作用元件和电极。在质量体从初始位置偏移出时，质量体贴靠到作用元件上。通过将电压施加到固定的电极上，在固定的电极与止挡结构的电极之间作用有静电力，以便使带有作用元件的止挡结构向固定的电极的方向且远离质量体地运动。
[0017]微机械惯性传感器优选构造为MEMS传感器并且尤其构造为加速度传感器，并且能够由半导体材料、尤其是由经掺杂的硅制成。在此，质量体、弹动的支承装置、止挡结构、固定结构以及固定的电极和止挡结构的电极能够由经掺杂的硅制成。能够考虑的是，加速度传感器的各个区域(例如导体电路或者构造有电极的区域)的掺杂比其他区域的掺杂高。此外，电极能够以铝层或者可类比的金属层或者说导电区的形式构造。加速度传感器能够包括所提到的微机械部件以及具有分析处理电子机构的分析处理单元，该分析处理电子机构优选构造为分析处理电路(ASIC：专用集成电路)。尤其是，质量体以及固定的电极能够以梳状结构或者简单的板的形式构造，其中，梳状结构和/或板能够形成电容器。
[0018]在质量体从初始位置偏移出时，质量体能够贴靠到止挡结构的作用元件上。在此，该接触能够导致所谓的“粘接”或者说“粘附”。“粘接/附着”应理解为，这些结构在机械接触之后不再彼此分离，因为在这些结构的界面上产生附着力/粘附力，该附着力/粘附力大于质量体的被偏移的弹簧的或者说弹动的支承装置的复位力。粘接效应是原子层上的过程，该过程由原子或者分子之间的化学键合或者说范德华力造成。
[0019]通过将电压施加到固定的电极上，能够有利地产生静电力，该静电力能够克服粘附力，其方式是，该静电力导致具有作用元件的止挡结构向固定的电极的方向且远离质量体地运动，其中，质量体由于从初始位置偏移出和由此产生的来自于弹动的支承装置的复位力而又向初始位置的方向返回运动。在此充分利用如下情况：除了接触力、即上文提到的在两个表面接触时起作用的粘附力之外，在微机械加速度传感器中在相互靠近的半导体表面之间、尤其是在电极之间还出现远程的力。这些远程的力在止挡结构的电极的半导体材料的表面电荷和固定的电极的半导体材料的表面电荷之间引起静电相互作用、即根据库仑定律的静电吸引力。
[0020]借助所提出的具有作用元件的止挡结构，尤其不需要使用高电压来施加必需的静电力。在此，几伏特范围中的所施加的电压(例如3.5V)就足够了。尤其是，固定的电极与止挡结构的电极之间的电位能够相应于传感器的探测电极之间的平均接地电位。平均接地电位能够是0V，但是优选具有上文提到的3.5V的值。探测电极能够构造为固定的电极和/或能够安装在质量体上。
[0021]在当前情况下在固定的电极与止挡结构的电极之间作用的静电力F能够通过用于作用到板式电容器的板上的静电力的公式来表达：
[0022]F＝0.5ε0dC/dxU2＝0.5ε0A/x2U2[0023]其中，dC/dx是电极间距变化时的电容变化，A是电极的或者说电容器板的面积，U是电压，x是电极的或者说板的间距，并且ε0是真空中的电场常数。
[0024]在此，所提出的止挡结构能够特别有利地减小间距x(与已知的加速度传感器相比，在所述已知的加速度传感器的情况下，x能够相应于探测电极之间的间距并且能够处在大约1至3μm的数量级中)。由于静电力与1除以电极间距的平方成比例，因此例如在所提出的加速度传感器的情况下在止挡结构的电极与固定的电极之间的小的间距x(例如在100nm的数量级中)能够有助于增大该力。此外，静电力不作用在能够运动的传感器质量(即弹动地受支承的质量体)上，而是作用在柔性的止挡结构上。
[0025]在另一种实施方式中，质量体以这样的方式能够运动地受支承：使得由于质量体从初始位置偏移出，复位力以使质量体向初始位置的方向返回的方式作用到质量体上。在质量体向初始位置的方向返回运动之后，将电压施加到固定的电极上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于运行微机械惯性传感器的方法(100、200、300、400、500)，所述微机械惯性传感器具有至少一个弹动地受支承的质量体(615、715、815、915、1015)以及至少一个柔性的止挡结构(620、720、820、920、1020)和至少一个固定的电极(635、735、835、935、1035)，其中，所述止挡结构(620、720、820、920、1020)包括作用元件(625、725、825、925)和电极(630、730、830、930、1030)，其中，在所述质量体(615、715、815、915、1015)从初始位置偏移出的情况下，所述质量体(615、715、815、915、1015)贴靠到所述作用元件(625、725、825、925)上，并且其中，通过将电压(799、899、999、1099)施加到所述固定的电极(635、735、835、935、1035)上，使得在所述固定的电极(635、735、835、935、1035)与所述止挡结构(620、720、820、920、1020)的电极(630、730、830、930、1030)之间作用有静电力(795、895、995、1095)，以便使具有所述作用元件(625、725、825、925)的止挡结构(620、720、820、920、1020)向所述固定的电极(635、735、835、935、1035)的方向且远离所述质量体(615、715、815、915、1015)地运动。2.根据权利要求1所述的方法(200、300、400、500)，其中，所述至少一个质量体(615、715、815、915、1015)通过以下方式能够运动地受支承：由于所述质量体(615、715、815、915、1015)从所述初始位置偏移出，复位力(780、880、980、1080)以使所述质量体向初始位置的方向返回的方式作用到所述质量体(615、715、815、915、1015)上，并且其中，在所述质量体(615、715、815、915、1015)向初始位置的方向返回运动之后，将所述电压(799、899、999、1099)施加到所述固定的电极(635、735、835、935、1035)上，所述电压引起所述固定的电极(635、735、835、935、1035)与所述止挡结构(620、720、820、920、1020)的电极(630、730、830、930、1030)之间的静电力(795、895、995、1095)，以便使具有所述作用元件(625、725、825、925)的止挡结构(620、720、820、920、1020)向所述固定的电极(635、735、835、935、1035)的方向且远离所述质量体(615、715、815、915、1015)地运动。3.根据权利要求2所述的方法(300、400、500)，其中，检查所述质量体(615、715、815、915、1015)在向初始位置的方向返回运动时是否贴靠到所述作用元件(625、725、825、925)上，并且其中，在检查结果是肯定的情况下，将所述电压(799、899、999、1099)施加到所述固定的电极(635、735、835、935、1035)上，所述电压引起所述固定的电极(635、735、835、935、1035)与所述止挡结构(620、720、820、920、1020)的电极(635、735、835、935、1035)之间的静电力(795、895、995、1095)，以便使具有所述作用元件的止挡结构(620、720、820、920、1020)向所述固定的电极的方向且远离所述质量体地运动。4.根据权利要求2或者3所述的方法(400)，其中，所述惯性传感器包括固定止挡(803)，所述固定止挡用于对所述质量体(815)从所述初始位置的最大偏移进行限制，其中，所述质量体(815)具有探测电极(897)，其中，在所述质量体(815)贴靠到所述作用元件(825)上的情况下，将电压(899)施加到所述探测电极(897)上和所述固定的电极(835)上，并且其中，通过将所述电压(899)施加到所述探测电极(897)上和所述固定的电极(835)上，
在所述探测电极(897)与所述固定的电极(835)之间作用有静电力(995)，以便使具有所述探测电极(897)的质量体(815)又向所述固定止挡(803)的方向运动并且以便增大所述复位力(880)，所述复位力克服粘附力，并且所述复位力使所述质量体(815)运动回到所述初始位置。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法(500)，其中，所述止挡结构(520)以杠杆(945)的形式构造，所述杠杆包括第一端部(950)和第二端部(955)并且在所述第一端部(950)与所述第二端部(955)之间以能够运动的方式支承在固定结构(905)上，其中，所述杠杆(945)的第一端部(950)具有第一作用元件(925)，并且所述杠杆(945)的第二端部(955)具有第二作用元件(927)，其中，将所述电压(999)施加到所述固定的电极(935)上，并且通过施加所述电压(999)，所述静电力(995)作用到所述杠杆(945)的具有所述第一作用元件(925)的第一端部(950)上，以便使所述杠杆(945)的第一作用元件(925)向所述固定的电极(935)的方向且远离所述质量体(915)地运动，其中，所述杠杆(945)的具有所述第二作用元件(927)的第二端部(955)通过所述杠杆(945)的第一端部(950)的运动而贴靠到所述质量体(915)上，并且其中，通过所述第二作用元件(927)使所述质量体(915)向初始位置的方向返回运动的力作用到所述质量体(915)上。6.一种微机械的惯性传感器，其中，所述惯性传感器具有至少一个弹动地受支承的质量体(615、715、815、915、1015)以及至少一个柔性的止挡结构(620、720、820、920、1020)和至少一个固定结构(605、705、805、905、1005)，其中，所述固定结构(605、705、805、905、1005)具有固定的电极(635、735、835、935、1035)，其中，所述止挡结构(620、720、820、...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：罗伯特，
类型：发明
国别省市：