CN102356300B - 驱动频率可调的mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，驱动频率可调的MEMS传感器包括：质量块；被配置为在平面内驱动质量块的质量块驱动部件；支撑质量块的多个非线性弹簧；第一调谐器，其可操作地连接到所述多个非线性弹簧，以便响应于微调电压而修改所述多个非线性弹簧的应力状态；以及微调电路，与所述第一调谐器电耦合，以便提供微调电压。

Description

驱动频率可调的MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及半导体装置，具体涉及包含传感器元件的装置。

背景技术

在过去，由于微机电系统(MEMS)装置所展现的灵敏度、空间和时间分辨率及较低的功率要求，MEMS已经被证明在许多应用中是有效的解决方案。结果，已经开发了诸如加速度计、陀螺仪和压力传感器之类的基于MEMS的传感器，以用于各种应用中。

MEMS陀螺仪可以被配置为回转质量装置或振动装置，二者都依赖于科里奥利效应，以便在由传感器测量的装置中产生角度变化。线性振荡装置相对于依赖于回转质量的装置具有许多优势。在线性装置中，引导被称为科里奥利质量块(Coriolis mass)的由弹簧支撑的质量块进行线性振荡运动。随着MEMS装置旋转，科里奥利质量块相对于感应电极旋转。科里奥利质量块的脱离平面旋转从而改变了在感应电极与科里奥利质量块之间的电容，其提供了旋转角速度的指示。

因为线性装置包括振荡质量块，这种装置展现出共振驱动频率(f_dr)。f_dr随在驱动平面中影响科里奥利质量块运动的传感器的多个部件而变化。因此，f_dr随支撑科里奥利质量块的多个机械弹簧以及用以赋予振荡运动的部件而变化。通常，科里奥利质量块的振荡由梳齿装置来实现。

在梳齿装置中，使科里奥利质量块上的板与基部部件上的板交错。随着将电压施加到基部部件板上，将科里奥利质量块移位。科里奥利质量块上的梳齿驱动的力在整个质量块的振荡运动中相对恒定。因此，f_dr上的梳齿驱动的影响是可忽略不计的。这样，线性MEMS陀螺仪的f_dr主要随驱动平面中机械弹簧而变化。

因为当传感器受到旋转时，科里奥利质量块随着质量块旋转脱离平面而振荡，由传感器检测到的科里奥利质量块脱离平面的运动(检测运动)也展现了共振频率(f_det)。f_det随通过脱离平面旋转而支撑科里奥利质量块的多个机械弹簧，以及由检测部件施加在科里奥利质量块上的力而变化。如上所述，检测部件通常是电极，其与科里奥利质量块一起构成电容器。电极在科里奥利质量块上的力随施加到电极的电压而变化，其具有与机械弹簧的符号相反符号的弹簧常数。电极对科里奥利质量块的影响不可忽略不计。

将f_dr与f_det相匹配有助于优化MEMS传感器的信噪比(SNR)。然而，制造工艺不允许在传感器装置中对多个力进行充分的控制，以便在共振频率之间提供预期的一致性。因此，因为可以通过修改施加的电压而容易地修改检测电极对科里奥利质量块的影响，通常用机械部件的f_det比f_dr高的机械部件来构成MEMS装置。结果，可以修改f_det的电气部件以便将f_det调谐到f_dr。

已经开发了使用微调(trim)或电极电压(U_DF)来调谐f_det的多种方案。在一个方案中，提供了分离的感应(检测)和微调电极，并将恒定U_DF施加到微调电极。可替换地，可以作为时间复用信号将微调电压施加到用于检测科里奥利质量块脱离平面运动的同一电极。

尽管以多个已知方案来修改f_det是有效的，但上述多个方案需要在装置的检测侧增加电压。在传感器的检测侧增加电压增加了为允许检测到科里奥利质量块脱离平面运动而在传感器输出上所需的调节的复杂性。例如，施加脉冲化U_DF导致额外的噪声。另外，因为将U_DF施加到位于科里奥利质量块之下的电极向科里奥利质量块施加了引力，增大了科里奥利质量块中寄生机械模振动的可能性。

能够感测科里奥利质量块脱离平面运动的传感器是有用的。这种系统使f_det与f_dr相匹配的能力会是有用的。无需向装置的检测侧施加附加电压的情况下允许f_det与f_dr相匹配的装置会是有益的。

发明内容

根据一个实施例，驱动频率可调的MEMS传感器包括：质量块；被配置为在平面内驱动质量块的质量块驱动部件；支撑质量块的多个非线性弹簧；第一调谐器，其可操作地连接到所述多个非线性弹簧，以便响应于微调电压而修改所述多个非线性弹簧的应力状态；以及微调电路，与所述第一调谐器电耦合，以便提供微调电压。

根据另一个实施例，一种操作微机电系统(MEMS)装置的方法包括：在具有多个非线性弹簧的基底上支撑质量块；在平面内驱动所述质量块；向第一调谐器提供微调电压；以及用所述第一调谐器修改所述多个非线性弹簧的应力状态。

在另一个实施例中，一种微机电系统(MEMS)装置包括：基底；所述基底上的电极；位于所述电极上的质量块；在所述电极上支撑所述质量块的多个非线性弹簧；驱动装置，被配置为响应于驱动信号而沿着平面驱动所述质量块；以及至少一个调谐器，物理连接到所述多个非线性弹簧中的至少一个，以便响应于微调信号而修改所述多个非线性弹簧中的所述至少一个的应力。

附图说明

图1描绘了MEMS传感器的俯视图，该MEMS传感器被配置为使用调谐器调谐线性振荡的科里奥利质量块的共振驱动频率，所述调谐器包括位于用于在感应电极之上支撑科里奥利质量块的弹簧之间的交错的梳齿；

图2描绘了图1的装置的局部透视图，示出了包括调谐器、两个非线性弹簧和锚的微调系统中的调谐器系统中的一个；

图3描绘了线性和非线性弹簧的力/位移曲线图；及

图4描绘了MEMS传感器的俯视图，该MEMS传感器被配置为使用调谐器调谐线性振荡的科里奥利质量块的共振驱动频率，所述调谐器包括位于定位在科里奥利质量块的开口内的弹簧之间的交错的梳齿。

具体实施方式

图1中示出了微机电系统(MEMS)装置100。装置100包括基底102、驱动电子电路104、感应电子电路106和微调电子电路108。驱动电子电路104连接到驱动装置110、112、114、116、118、120、122和124。

驱动装置110、112、114和116包括梳齿，所述梳齿与位于感应电极128之上的科里奥利质量块126上的梳齿交错。感应电极128连接到感应电子电路106。驱动装置118、120、122和124包括梳齿，所述梳齿与位于感应电极132之上的科里奥利质量块130上的梳齿交错。科里奥利质量块130由耦合弹簧134连接到质量块126，感应电极132连接到感应电子电路106。

质量块126的每个角都由各自的调谐器系统140、142、144或146支撑，质量块130的每个角都由各自的调谐器系统148、150、152或154支撑。调谐器系统140包括调谐器160，其通过弹簧162连接到质量块126。弹簧164位于调谐器160与锚166之间。锚166固定附接到基底102和弹簧164，以支撑质量块126。

类似地，调谐器系统142包括调谐器170，其通过弹簧172连接到质量块126。弹簧174位于调谐器170与锚176之间。锚176固定附接到基底102和弹簧174，以支撑质量块126。另外，调谐器系统144包括调谐器180，其通过弹簧182连接到质量块126。弹簧184位于调谐器180与锚186之间。锚186固定附接到基底102和弹簧184，以支撑质量块126。最后，调谐器系统146包括调谐器190，其通过弹簧192连接到质量块126。弹簧194位于调谐器190与锚196之间。锚196固定附接到基底102和弹簧194，以支撑质量块126。

类似地在电极132上支撑质量块130。具体地，调谐器系统148包括调谐器200，其通过弹簧202连接到质量块130。弹簧204位于调谐器200与锚206之间。锚206固定附接到基底102和弹簧204，以支撑质量块130。

类似地，调谐器系统150包括调谐器210，其通过弹簧212连接到质量块130。弹簧214位于调谐器210与锚216之间。锚216固定附接到基底102和弹簧214，以支撑质量块130。另外，调谐器系统152包括调谐器220，其通过弹簧222连接到质量块130。弹簧224位于调谐器220与锚226之间。锚226固定附接到基底102和弹簧224，以支撑质量块130。最后，调谐器系统154包括调谐器230，其通过弹簧232连接到质量块130。弹簧234位于调谐器230与锚236之间。锚236固定附接到基底102和弹簧234，以支撑质量块130。

图2描绘了装置100的局部透视图，示出调谐器系统140。在这个实施例中，弹簧162和弹簧164通常是卵形弹簧。如有需要，也可以使用其他对称的弹簧形状。弹簧162和164连接到调谐器160的浮动部250。浮动部250包括多个梳齿252，其与位于调谐器160的基部256和258上的梳齿254交错。基部256和258固定附接到基底102。在这个实施例中，基部256和258由导电材料制成，并由迹线260电耦合到微调电子电路108。微调电子电路108和调谐器系统140、142、144、146、148、150、152和154包括用于装置100的微调系统。

在运行中，驱动电子电路104(图1)选择性地向驱动装置110、112、114、116、118、120、122和124施加驱动信号。作为响应，驱动装置110、112、114和116驱动质量块126进入往来于质量块130的线性振荡。另外，驱动装置118、120、122和124驱动质量块130进入往来于质量块126的线性振荡。在很大程度上，装置100的运行类似于其他陀螺仪装置。其他陀螺仪与装置100之间的主要差别是使用微调系统来修改装置100的f_dr。

具体地，微调电子电路108向调谐器系统140、142、144、146、148、150、152和154提供微调信号。参考图2和调谐器系统140，通过迹线260向调谐器160的基部256和258提供微调电压。通过基部256和258将电压传送到梳齿254，导致力施加到浮动部250的梳齿252上。施加的力使得浮动部250在箭头262的方向上偏移(be biased)。因此，弹簧164朝向锚166偏移，将弹簧164压缩。另外，弹簧162从质量块126偏离，使得弹簧162拉伸。

弹簧162的偏移使得来自调谐器160的力通过质量块126传送到其他调谐器系统142、144和146中的每一个。另外，调谐器系统148、150、152和154通过质量块130和耦合弹簧134连接到质量块126。然而因为微调系统的力平衡，质量块126和质量块130在位置上不受微调系统的影响。举例而言，由于以与前文调谐器系统140的描述基本上相同的方式使弹簧172处于压缩中，由弹簧162的压缩而施加在质量块126上的偏移与调谐器系统142中弹簧172施加在质量块126上的相等但反向的力相抵消(becountered)。

因此，调谐器系统140、142、144、146、148、150、152和154用于预压弹簧162、164、172、174、182、184、192、194、202、204、212、214、222、224、232和236。选择施加的预压量以便将f_dr调谐到f_det。在前述实施例中通过选择相对每单位外加力展现出非线性位移的弹簧来实现f_dr的修改。

示例性地，图3描绘了在施加到所选弹簧的力的量与所选弹簧产生的位移之间的关系的曲线图270。线272描绘了示例性线性弹簧的力/位移关系。给定弹簧的弹簧常数与该弹簧的力/位移曲线的一阶导数相关。因此，因为线272是线性的，该线性弹簧的弹簧常数不随着压缩弹簧而改变。

然而，示例性的非线性弹簧生成力/位移曲线274。相应地，曲线274在位置276处的导数相对较小，而曲线274在位置278处的导数相对较大。因此，通过控制施加到弹簧的预压力可以修改非线性弹簧的弹簧常数。

因此，通过选择和预压用于将科里奥利质量块支撑在电极之上的非线性弹簧，可以修改装置的f_dr以匹配装置的f_det。如果需要的话，可以通过在调谐器系统中包括多于一个调谐器来提供额外的调谐自由度，每一个调谐器都通过弹簧与调谐器系统中的其他调谐器分离。如果希望的话，用于分离调谐器的弹簧可以是非线性弹簧。

如果希望的话，可以修改调谐系统的位置。举例而言，图4描绘了MEMS装置300，其基本上类似于图1的MEMS装置100，除了调谐系统的位置。具体地，在MEMS装置300中，每一个质量块302和304分别包括开口306和308。调谐器系统310和312位于开口306和308内。调谐器系统310和312相同，参考调谐器系统312来更充分地加以说明。

调谐器系统312包括锚314和两个调谐器316与318。每一个调谐器316和318都与调谐器160、170、180、190、200、210、220和230相同。调谐器316通过弹簧320连接到开口308的一端，并通过弹簧322连接到锚314。调谐器318沿着质量块304的振荡轴通过弹簧324连接到开口308的与连接到弹簧322的一端相反的一端，并且调谐器318通过弹簧326连接到锚314。

MEMS装置30的运行类似于MEMS装置100的运行。但因为调谐器系统310和312位于质量块302和304的振荡轴上，质量块302和质量块304在位置上不受微调系统的影响。因此，微调系统的力平衡。

尽管在附图及在前说明中详细示出并描述了本发明，但其在性质上应被认为是说明性的而非限制性的。应当理解，仅仅介绍了优选实施例，并且旨在保护在本发明的精神范围内的所有变化、修改及进一步的应用。

Claims (19)

1.一种传感器装置，包括：

质量块；

质量块驱动部件，被配置为沿着振荡轴在平面内驱动所述质量块；

多个非线性弹簧，支撑所述质量块；

第一调谐器，可操作地连接到所述多个非线性弹簧，并且被配置为通过产生沿着所述振荡轴的力而响应于微调电压来修改所述多个非线性弹簧的应力状态；以及

微调电路，与所述第一调谐器电耦合，以便提供所述微调电压。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括附接到基底的第一锚，其中：

所述多个非线性弹簧中的第一弹簧附接到所述第一锚和所述第一调谐器的第一部分；

所述多个非线性弹簧中的第二弹簧附接到所述质量块和所述第一调谐器的所述第一部分；并且

所述调谐器的第二部分固定附接到所述基底。

3.如权利要求2所述的装置，进一步包括：

第二调谐器，具有第一部分和第二部分，所述第二部分固定附接到所述基底；

第二锚，附接到所述基底；

所述多个非线性弹簧中的第三弹簧，附接到所述第二锚和所述第二调谐器的所述第一部分；以及

所述多个非线性弹簧中的第四弹簧，附接到所述质量块和所述第二调谐器的所述第一部分。

4.如权利要求3所述的装置，其中：

所述第二弹簧附接到所述质量块的第一末端部分；并且

所述第四弹簧附接到所述质量块的第二末端部分，所述质量块的所述第一末端部分在所述质量块的所述第二末端部分沿着所述振荡轴的相对侧。

5.如权利要求1所述的装置，进一步包括附接到基底的第一锚，其中：

所述多个非线性弹簧中的第一弹簧附接到所述第一锚和所述第一调谐器的第一部分；

所述多个非线性弹簧中的第二弹簧附接到所述第一调谐器的所述第一部分和第二调谐器的第一部分；并且

所述多个非线性弹簧中的第三弹簧附接到所述质量块和所述第二调谐器的所述第一部分。

6.如权利要求1所述的装置，所述第一调谐器包括：

第一多个梳齿；以及

第二多个梳齿，与所述第一多个梳齿交错。

7.一种操作微机电系统(MEMS)装置的方法，包括：

在具有多个非线性弹簧的基底之上支撑质量块；

沿着振荡轴在平面内驱动所述质量块；

向第一调谐器提供微调电压；

利用所述第一调谐器产生沿着所述振荡轴的力；以及

利用所述第一调谐器修改所述多个非线性弹簧的应力状态。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

利用所述第一调谐器将所述多个非线性弹簧中的第一弹簧朝向第一锚偏移；以及

利用所述第一调谐器使所述多个非线性弹簧中的第二弹簧偏离所述质量块。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

利用第二调谐器将所述多个非线性弹簧中的第三弹簧朝向第二锚偏移；以及

利用所述第二调谐器使所述多个非线性弹簧中的第四弹簧偏离所述质量块。

10.如权利要求9所述的方法，其中使所述第四弹簧偏离所述质量块包括：

将所述第四弹簧朝向所述第二弹簧偏移。

11.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

利用第二调谐器修改所述多个非线性弹簧的应力状态。

12.如权利要求7所述的方法，其中修改所述多个非线性弹簧的应力状态包括：

向所述第一调谐器中的第一多个梳齿施加电压。

13.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：

基底；

所述基底上的电极；

位于所述电极之上的质量块；

在所述电极之上支撑所述质量块的多个非线性弹簧；

驱动装置，被配置为响应于驱动信号而沿着振荡轴在平面内驱动所述质量块；以及

至少一个调谐器，物理连接到所述多个非线性弹簧中的至少一个，并且被配置为通过产生沿着所述振荡轴的力而响应于微调信号来修改所述多个非线性弹簧中的所述至少一个的应力。

14.如权利要求13所述的MEMS装置，其中：

所述多个非线性弹簧包括：第一弹簧，该第一弹簧支撑所述质量块的第一末端部分；以及第二弹簧，该第二弹簧支撑所述质量块的第二末端部分；并且

所述至少一个调谐器包括：第一调谐器，该第一调谐器物理连接到所述第一弹簧；以及第二调谐器，该第二调谐器物理连接到所述第二弹簧。

15.如权利要求14所述的MEMS装置，其中：

所述多个非线性弹簧包括；第三弹簧，该第三弹簧支撑所述质量块的所述第一末端部分；以及第四弹簧，该第四弹簧支撑所述质量块的所述第二末端部分。

16.如权利要求15所述的MEMS装置，其中：

所述至少一个调谐器包括：第三调谐器，该第三调谐器物理连接到所述第三弹簧；以及第四调谐器，该第四调谐器物理连接到所述第四弹簧。

17.如权利要求16所述的MEMS装置，其中：

所述第一弹簧支撑所述质量块的第一角部分；

所述第二弹簧支撑所述质量块的第二角部分；

所述第三弹簧支撑所述质量块的第三角部分；并且

所述第四弹簧支撑所述质量块的第四角部分；

18.如权利要求17所述的MEMS装置，进一步包括：

第一锚，固定附接到所述基底，并支撑所述第一弹簧；

第二锚，固定附接到所述基底，并支撑所述第二弹簧；

第三锚，固定附接到所述基底，并支撑所述第三弹簧；以及

第四锚，固定附接到所述基底，并支撑所述第四弹簧。

19.如权利要求13所述的MEMS装置，其中，所述第一调谐器包括：

第一多个梳齿；以及

第二多个梳齿，与所述第一多个梳齿交错。