[发明专利]容性传感器和执行器

说明书

技术领域

本发明涉及一种容性传感器和执行器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的振荡质量，其中在该振荡质量上固定了带有梳齿的梳状电极并且在基底上固定了带有梳齿的梳状电极，这些梳齿被布置成平行于振荡质量的偏移方向并且梳状地啮入彼此之中。

背景技术

传感器在许多技术领域中是已知的。尤其是微机械传感器例如在汽车技术、工业技术和医药技术中、但是还在消费电子的其他领域中尤其被用作加速度传感器、转速传感器或者压力传感器。在此，广泛流行的尤其是容性传感器。

容性传感器基于弹簧质量系统，其中例如通过出现的加速度力或压力来使振荡质量迎着预定的复位力相对于基底偏移。在此，与振荡质量相连接的电极和固定在基底上的电极构成电容器。通过振荡质量相对于基底的偏移并且由此通过电极彼此之间的偏移，使得尤其是这些电极的重叠区域的大小发生变化。这些电极的运动或偏移会影响从内部形成的电容器的电容，因为电容尤其根据这些电极的重叠区域的大小以及电极之间的间距来发生变化。

因此，容性传感器基于一个电容器或大量电容器的电容变化，该电容变化是通过电极彼此之间的运动触发的。电容变化可以容易地以电气方式来分析并且因此使得能够计算所出现的力，例如加速度或压力。

此类装置可以同样被用作执行器。与用于检测运动的传感器不同，执行器适用于产生静电力和调节行程。为此，在电容器上施加电压，该电压产生静电力并使电极彼此之间运动并且因此实现电极的调节行程或者固定在电极上的部件的调节行程。

使用所谓的梳状电极来构成容性传感器或执行器是已知的。这些电极是通过各个电极的梳状地啮入彼此之中的梳齿构成的，这些梳齿形成多个平板电容器的系统。在此，平板电容器并且因此梳状电极具有以下特性：其具有非线性的特征曲线，通过电压与静电力或偏移之间的传递函数来描述该非线性的特征曲线。为了在偏移程度方面为较小的偏移获得较大的灵敏度或者为较大的偏移获得较小的灵敏度，可以希望具有此类非线性的特征曲线。然而对于现有技术中的平板电容器而言，预先规定特征曲线的径迹，以使得动态范围极大地受限。

此外，通常希望获得电压与偏移之间的线性关系。为了达成该线性关系，使用差动电容器是已知的。差动电容器基本上由两个平板电容器组成，这两个平板电容器具有共同的中间电极。该中间电极在此处用作可移动的振荡质量。如果中间电极关于两个相邻的外部电极移动，那么这两个电容器的电容就会如以上所描述的那样发生变化。在此，差动电容器的特征在于，可以通过平板电容器的平行结构来实现特征曲线的线性化。

然而，此类差动电容器的缺点在于，需要附加的电极，这对于微机械领域中的传感器或执行器而言是不利的，因为仅能困难地实现必需的尺寸。

发明内容

本发明的主题是一种容性传感器和一种容性执行器，其具有至少一个可偏移地固定在基底上的振荡质量，其中在该振荡质量上固定了带有梳齿的梳状电极并且在该基底上固定了带有梳齿的梳状电极，其中这些梳齿被布置成平行于该振荡质量的偏移方向并且梳状地啮入彼此之中，其中通过优化至少一个梳状电极的几何形状尤其至少一个梳齿的几何形状来调节该传感器的特征曲线和该执行器的特征曲线。

通过优化至少一个梳状电极的，尤其是至少一个梳齿的几何形状来调节传感器的特征曲线或执行器的特征曲线，可以藉由在梳状电极中使用经专门优化的梳齿来任意地选择特征曲线的径迹。由此可以一方面匹配并任意扩大非线性的特征曲线的动态范围。以此方式可以实现例如与极其不同的作用力或分析系统的匹配。

另一方面，还可以实现特征曲线的通常希望的线性化。经线性化的特征曲线尤其在根据本发明的执行器中是有利的。如果在电容器上施加电压，那么由此产生的力并且因此偏移或调节行程会遵循线性的变化，这极大地简化了根据本发明的执行器的使用。

对于根据本发明的传感器以及根据本发明的执行器而言，通过优化尤其是至少一个梳齿的几何形状，特征曲线将因此遵循希望的传递函数。根据所要求的任务(即，线性度的匹配或动态范围的匹配)来实现此函数的设计并且因此实现几何形状的优化。

在此，可以将根据本发明的传感器和执行器的尺寸设计得非常小，以使得能够无问题地将它们用作微机械的传感器和执行器。

在本发明的一个实施方式的范围内，通过至少一个梳齿的预定的高度轮廓来优化至少一个梳状电极的几何形状。此实施方式可以特别准确地与相应的任务相匹配。