CN103003704A - 感测旋转及加速度两者的微机电系统装置 - Google Patents

感测旋转及加速度两者的微机电系统装置 Download PDF

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Abstract

一种MEMS装置包括悬置于衬底上面的验证质量块、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳。在操作期间，将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到所述验证质量块，并将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述验证质量块以振荡方式移动。一种惯性感测系统进一步包括感测元件，所述感测元件经配置以检测与AC信号耦合的旋转信息及与DC信号耦合的加速度信息。

Description

感测旋转及加速度两者的微机电系统装置
技术领域
本发明大体来说涉及半导体制造与微机电系统(MEMS)的领域。更具体来说，本发明涉及用于通过使用同一验证质量块来同时感测旋转及线性加速度两者的系统及方法。
背景技术
惯性传感器是能够感测及/或产生运动的传感器。惯性传感器可含有微机电系统(MEMS)的装置。此类装置的实例包含能够感测加速度的加速计(例如，MEMS加速计)及能够感测旋转的回转仪(例如，MEMS回转仪)。然而，常规MEMS加速计不能够感测旋转，且类似地常规MEMS回转仪不能够感测加速度。
具体来说，典型的MEMS加速计由静态验证质量块、弹簧及附接到其的一组梳齿构成。举例来说，如图1中所示，典型的MEMS加速计可包含验证质量块102、弹簧104、梳齿105及锚定件110。锚定件110坐落于衬底100上，且所有其它部件悬置于衬底100上面且为可移动的。当沿Y轴的方向施加线性加速度时，验证质量块102由于验证质量块102的惯性而产生的惯性力致使感测梳105变形且继而改变梳齿105的电容。可接着以电子方式评估梳齿105的所得电容改变以获得加速度信息。此常规MEMS加速计不能够感测旋转。
典型的MEMS回转仪由静态验证质量块、弹簧、一组驱动梳齿及一组感测梳齿构成。举例来说，如图2中所示，典型的MEMS回转仪可包含验证质量块202、弹簧204、可移动框架203、驱动梳齿206及感测梳齿205。锚定件210坐落于衬底200上，且所有其它部件为可移动的且悬置于衬底200上面。在操作期间，将AC电压施加到驱动梳齿206，从而将验证质量块202致动成振荡。更具体来说，由206产生的静电力驱动可移动框架203及验证质量块202沿着X轴以振荡方式移动。当将围绕Z轴的旋转施加到所述系统时，由移动的验证质量块202产生科里奥利(Coriolis)力且所述弹簧沿Y轴的方向变形，从而导致感测梳205的电容改变。可通过使用读出电子装置评估感测梳205的电容改变来获得旋转信息。所述装置可由两个子验证质量块构成，所述两个子验证质量块沿相反方向移动，以便减小由线性加速度导致的旋转信号误差。此常规MEMS回转仪不能够感测加速度。
MEMS芯片可通过半导体制作方法制成且可具有上文所描述的单个或多个装置。当在单个芯片中实施多个装置时，可实现多个惯性信号，例如，旋转与加速度或沿多个轴的加速度。六个自由度的感测系统需要两类装置(即，用于感测旋转的回转仪及用于感测加速度的加速计)。每一类可具有感测多个轴信息的共享装置，举例来说，单个回转仪感测两个或三个轴旋转，且加速计感测两个或三个轴加速度。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种包括MEMS装置的惯性感测系统，其中所述MEMS装置包括悬置于衬底上面的验证质量块、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳。在操作期间，将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到所述验证质量块，并将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述验证质量块以振荡方式移动。
本发明的另一实施例提供一种感测加速度及旋转的方法，其包括：提供MEMS装置，所述MEMS装置包括悬置于衬底上面的一个或一个以上验证质量块、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳；将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到所述一个或一个以上验证质量块；及在操作期间，将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述一个或一个以上验证质量块以振荡方式移动。
本发明的另一实施例提供一种惯性感测装置，其包括：一个或一个以上验证质量块；一个或一个以上移动框架；一个或一个以上第一固定锚定件，其附接到衬底；一个或一个以上驱动梳，所述一个或一个以上驱动梳中的每一者包括多个第一梳齿及多个第二梳齿；及一个或一个以上感测梳，所述一个或一个以上感测梳中的每一者包括多个第三梳齿及多个第四梳齿，其中所述一个或一个以上移动框架中的每一者通过第一弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的对应一者，所述一个或一个以上移动框架中的每一者经由第二弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上第一固定锚定件中的对应一者，所述多个第一梳齿直接附接到所述一个或一个以上移动框架中的对应一者，且所述多个第四梳齿直接或经由第二可移动框架附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者，其中所述第二可移动框架经由第三弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者。
附图说明
图1是图解说明常规MEMS加速计的示意图。
图2是图解说明常规MEMS回转仪的示意图。
图3是图解说明根据本发明的非限制性实例的MEMS装置的示意图。
图4是图解说明根据本发明的非限制性实例的能够同时感测旋转及加速度的系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及用于使用单个MEMS装置同时感测旋转及加速度两者的系统及方法。相比之下，除至少一个MEMS回转仪以外，常规系统还需要至少一个MEMS加速计来实现等效的功能。
制造根据本发明的系统的成本可显著低于用于制造常规系统的成本，因为实现相同功能(例如，同时感测旋转及加速度两者)所需的装置的数目减少。此外，可使用同一感测电路作为用于感测旋转及加速度两者的读出电子装置，从而进一步减少系统的成本。
本发明的一个实施例提供一种包括MEMS装置的惯性感测系统，其中所述MEMS装置包括悬置于衬底上面的验证质量块、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳。在操作期间，将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到一个或一个以上验证质量块，并将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述一个或一个以上验证质量块以振荡方式移动。在一些实施例中，所述AC调制电位信号可具有第一频率，且所述AC致动电位具有不同于所述第一频率的第二频率。所述第一频率可高于所述第二频率。在一些实施例中，所述第一频率可为约100K Hz到约10M Hz，例如，约500KHz到约5M Hz，例如约1M Hz。所述第二频率可为约1K Hz到约100K Hz，例如约5KHz到约50K Hz，例如约10K Hz。所述DC致动电位及所述AC调制电位应大到足以通过静电力来使所述验证质量块移动。在一些实施例中，所述DC致动电位可高于约1伏，例如高于约5伏，例如高于约10伏。
所述惯性感测系统可进一步包括感测元件，所述感测元件经配置以检测与AC信号耦合的旋转信息及与DC信号耦合的加速度信息。
在一些实施例中，可首先在所述第一频率下解调来自驱动梳的输出信号。在此解调之后的输出仍含有含有旋转信息及加速度信息的信号的混频。
可接着通过使用第一低通滤波器移除经解调输出信号中的AC分量从所述输出信号中分离出加速度信息。同时，可(例如)通过使用带通滤波器、处于第二频率下的第二解调器及第二低通滤波器从经解调输出信号中分离出旋转信息。所述带通滤波器移除经解调输出信号中的DC信号及具有比所述第二频率高的频率的分量。接着由第二解调器在第二频率下解调带通滤波器的输出。可接着由第二低通滤波器移除解调器的输出中的高频率谐波。
在一些实施例中，所述MEMS装置可包括一个或一个以上验证质量块、一个或一个以上移动框架、附接到衬底的一个或一个以上第一固定锚定件、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳。所述一个或一个以上驱动梳中的每一者包括多个第一梳齿及多个第二梳齿。所述一个或一个以上感测梳中的每一者包括多个第三梳齿及多个第四梳齿。所述一个或一个以上移动框架中的每一者通过第一弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的对应一者。所述一个或一个以上移动框架中的每一者经由第二弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上第一固定锚定件中的对应一者。所述多个第一梳齿直接附接到所述一个或一个以上移动框架中的对应一者，且所述多个第四梳齿直接或经由第二可移动框架附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者。所述第二可移动框架经由第三弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者。
在一些实施例中，所述MEMS装置进一步包括附接到所述衬底的一个或一个以上第二固定锚定件及附接到所述衬底的一个或一个以上第三固定锚定件。所述多个第二梳齿直接附接到所述一个或一个以上第二固定锚定件中的对应一者，且所述多个第三梳齿直接附接到所述一个或一个以上第三固定锚定件中的对应一者。
附上如图3到图4中所示的非限制性实例以图解说明本发明的上述实施例。出于简单性的目的，下文描述作为非限制性实例的具有单个验证质量块的装置来进行说明。然而，所属领域的技术人员将理解所述装置可包括多个验证质量块。图式并非按照比例且打算为说明性而非限制性。可包括所要的额外及/或替代组件。
参考图3，所述装置可包含通过固定锚定件310悬置于支撑衬底(未展示)上面的验证质量块302、驱动梳301、移动框架303及感测梳305。
驱动梳301中的每一者包括叉指式第一梳齿307及第二梳齿306。感测梳305中的每一者包括叉指式第三梳齿308及第四梳齿309。叉指式梳齿306与307之间及叉指式梳齿308与309之间的间隙独立地选自约几微米到约十微米，例如但不限于约1微米到约3微米。
第一梳齿307直接附接到移动框架303中的对应一者。第二梳齿306直接附接到第二固定锚定件310b中的对应一者。第三梳齿308直接附接到第三固定锚定件310c中的对应一者。第四梳齿309直接附接到对应验证质量块302。任选地，第四梳齿309经由对应第二可移动框架(未展示)附接到对应验证质量块302，所述对应第二可移动框架又经由对应第三弹簧(未展示)附接到对应验证质量块302。
移动框架303中的每一者通过第一弹簧304中的对应一者附接到验证质量块302且经由第二弹簧314中的对应一者附接到第一固定锚定件310a中的对应一者。
所述衬底可包括此项技术中已知的任何适合衬底材料，例如包含硅、IV-IV化合物、III-V化合物、II-VI化合物的半导电材料或者例如玻璃、塑料、金属或陶瓷的任何其它半导电或非半导电材料。如果需要，那么所述衬底可包含制作于其上的集成电路。
验证质量块302、驱动梳301、移动框架303及感测梳齿305可由导电的任何适合材料制成，例如但不限于包含硅、IV-IV化合物、III-V化合物、II-VI化合物的半导体材料或者包含如钨、铜、铝、钽、钛、钴、氮化钛或其合金的金属材料。
验证质量块302、驱动梳301、移动框架303及感测梳齿305可具有独立地选自几微米到数十微米的相同或不同厚度。在一些实施例中，验证质量块302、驱动梳301、移动框架303及感测梳齿305可具有大约1微米到100微米(例如大约5微米到50微米，例如10微米到30微米)的同一厚度。
转到图4，根据本发明非限制性实例的读出电路连接到图3中所示的用于同时感测旋转及线性加速度两者的MEMS装置。
电路组件402经配置以将DC致动电位施加到验证质量块302。此DC致动电位可为具有大于系统的其它电压源的电压的恒定偏压。举例来说，所述DC致动电位可高于约1伏，例如高于约5伏，例如大约10伏。
电路组件404经配置以将AC致动电位施加到驱动梳301的一侧。所述AC致动电位可具有约1K Hz到约100K Hz(例如，约5K Hz到约50K Hz，例如约10K Hz)的低频率(F2)。在一些实施例中，所述AC致动电位可由反馈电控制电路产生。
电路组件403经配置以与所述DC致动电位串联地施加具有约100K Hz到约10M Hz(例如，约500K Hz到约5M Hz，例如约1M Hz)的高频率(F1)的AC调制电位。在一些实施例中，所述AC调制电位可具有低于DC致动电位及/或AC调制电位的电压。
DC致动电位与AC致动电位的组合产生足够静电力来使验证质量块302移动。如果施加于驱动梳301上的致动电位具有适当相位，那么可将验证质量块302驱动成沿着x轴的方向振荡。
在将围绕z轴的旋转施加到装置的情况下，产生垂直于振荡的为fc＝2mΩ×v的科里奥利力，其中m是验证质量块的质量，Ω是旋转，且v是由所述振荡导致的验证质量块的速度。此科里奥利力使验证质量块302移动，从而改变感测梳305的两侧之间的间隙，此又改变感测梳305的电容。
如果同时将线性加速度施加到所述装置，那么除由旋转产生的科里奥利力以外，验证质量块302还经历为f＝2mΩ×v+ma的线性加速度力，其中a是加速度。
由于具有F1(～MHz)的调制频率比致动频率(～10kHz)高得多，因此总体输出信号变为
Figure BPA00001421735700061
其中VSin(wt)是高频率调制信号，而w处于～MHz的范围中。
感测梳305的输出含有经调制AC信号分量(含有旋转信息)与DC信号分量(含有加速度信息)的混频。在此非限制性实例中，感测缓冲器405连接到感测梳305以放大从MEMS装置采集的信号。
处于频率F1下的解调器406连接到感测缓冲器405的输出。在此解调之后，解调器406的输出信号仍为含有加速度信息及旋转信息的信号分量与例如w频率的谐波的其它AC信号的混频。
为了从总体输出信号中分离出所述信号分量且继而检索旋转信息及加速度信息，需要两种类型的解调。
由于科里奥利信号是由施加于验证质量块302上的旋转及验证质量块302的振荡两者诱发，因此通过振荡频率F2对其进行调整(v呈振荡方式)。因此，在以F2进行解调之后，可在DC带下检索到旋转信号Ω。在此非限制性实例中，将解调器406的输出馈送到带通滤波器(BPF)407，从而输出仅含有处于频率F2下的科里奥利信号的信号。第二解调器409在频率F2下工作，且输出处于DC带下的经降频转换科里奥利信号及处于更高频率下的其它谐波。此外，包含另一LPF 410以消除高频率谐波并输出科里奥利(旋转)信号作为最终的DC输出。
可仅通过由LPF对来自解调器406的输出的混频进行滤波以消除AC分量而获得仅含DC加速度的信号。举例来说，如图4中所示，将解调器406的另一输出馈送到LPF 408，LPF 408对所有AC信号(包含F1、F2及这两个频率的谐波)进行滤波且仅输出处于DC带中的加速度信号。
当然，信号处理可为模拟或数字的，且通过提供类似功能的任何其它方法/电路来实现。可在细节上特别是在部件的形状、大小及布置的问题上做出改变，此并不超出本发明的范围。
基于本发明的教示内容，预期所属领域的技术人员将能够易于实践本发明。相信本文中所提供的对各种实施例的描述提供对本发明的充分了解及细节以使得所属领域的技术人员能够实践本发明。虽然未具体描述某些支持电路及制作步骤，但此些电路及协议为众所周知的，且此些步骤的特定变化形式在实践本发明的情景下不提供任何特定优点。此外，相信具备本发明教示内容的所属领域的技术人员将能够在不进行过度实验的情况下实施本发明。
前述细节描述仅已描述了本发明的许多可能实施方案中的几种。出于此原因，本详细说明打算作为说明性而非限制性说明。可基于本文中所阐述的说明对本文中所揭示实施例做出各种变化及修改形式，此并不背离本发明的范围及精神。打算仅由以上包含所有等效内容的权利要求书来界定本发明的范围。

Claims (19)

1.一种感测加速度及旋转的方法，其包括：
提供MEMS装置，所述MEMS装置包括：
一个或一个以上验证质量块，其悬置于衬底上面；
一个或一个以上驱动梳；及
一个或一个以上感测梳；
将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到所述一个或一个以上验证质量块；
在操作期间，将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述一个或一个以上验证质量块以振荡方式移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述AC调制电位具有第一频率，
所述AC致动电位具有第二频率，且
所述第一频率高于所述第二频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述第一频率为约100K Hz到约10M Hz，且
所述第二频率为约1K Hz到100K Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述DC致动电位及所述AC调制电位大到足以通过静电力来使所述一个或一个以上验证质量块移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述DC致动电位高于约5伏。
6.根据权利要求1所述的方法，其中当将旋转及加速度施加到所述MEMS装置时，所述一个或一个以上驱动梳的电容改变。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在所述第一频率下解调包括所述一个或一个以上驱动梳的所述电容改变的信息的输出信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括从所述经解调输出信号中分离出加速度信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在所述从所述经解调输出信号中分离出所述加速度信息的步骤期间，使用第一低通滤波器移除所述输出信号中的AC分量以从所述输出信号中分离出所述加速度信息。
10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括从所述经解调输出信号中分离出旋转信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述从所述经解调输出信号中分离出所述旋转信息的步骤期间：
使用带通滤波器移除所述经解调输出信号中的DC信号及具有比所述第二频率高的频率的分量，
使用解调器在所述第二频率下解调所述带通滤波器的输出，及
使用第二低通滤波器移除所述解调器的输出中的高频率谐波。
12.一种包括MEMS装置的惯性感测系统，其中：
所述MEMS装置包括悬置于衬底上面的验证质量块、一个或一个以上驱动梳及一个或一个以上感测梳；及
在操作期间，将与AC调制电位串联的DC致动电位施加到所述验证质量块，并将AC致动电位施加到所述一个或一个以上驱动梳，使得所述验证质量块以振荡方式移动。
13.根据权利要求1所述的惯性感测系统，其进一步包括感测元件，所述感测元件经配置以检测与AC信号耦合的旋转信息及与DC信号耦合的加速度信息。
14.根据权利要求1所述的惯性感测系统，其中：
所述AC调制电位信号具有第一频率，
所述AC致动电位具有第二频率，且
所述第一频率高于所述第二频率。
15.根据权利要求14所述的惯性感测系统，其中：
所述第一频率为约100K Hz到约10M Hz，且
所述第二频率为约1K Hz到100K Hz。
16.根据权利要求1所述的惯性感测系统，其中所述DC致动电位及所述AC调制电位大到足以通过静电力来使所述验证质量块移动。
17.根据权利要求16所述的惯性感测系统，其中所述DC致动电位高于约5伏。
18.一种惯性感测装置，其包括：
一个或一个以上验证质量块；
一个或一个以上移动框架；
一个或一个以上第一固定锚定件，其附接到衬底；
一个或一个以上驱动梳，所述一个或一个以上驱动梳中的每一者包括多个第一梳齿及多个第二梳齿；及
一个或一个以上感测梳，所述一个或一个以上感测梳中的每一者包括多个第三梳齿及多个第四梳齿，
其中：
所述一个或一个以上移动框架中的每一者通过第一弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的对应一者，
所述一个或一个以上移动框架中的每一者经由第二弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上第一固定锚定件中的对应一者，
所述多个第一梳齿直接附接到所述一个或一个以上移动框架中的对应一者，且
所述多个第四梳齿直接或经由第二可移动框架附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者，其中所述第二可移动框架经由第三弹簧中的对应一者附接到所述一个或一个以上验证质量块中的所述对应一者。
19.根据权利要求18所述的惯性感测装置，其进一步包括：
一个或一个以上第二固定锚定件，其附接到所述衬底，其中所述多个第二梳齿直接附接到所述一个或一个以上第二固定锚定件中的对应一者；及
一个或一个以上第三固定锚定件，其附接到所述衬底，其中所述多个第三梳齿直接附接到所述一个或一个以上第三固定锚定件中的对应一者。
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