CN108369098A - 具有腔体压力监视的双密封mems封装 - Google Patents

具有腔体压力监视的双密封mems封装 Download PDF

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Abstract

一种微机电传感器(MEMS)封装包括陀螺仪和加速度计。陀螺仪位于相对于外部压力被密封的低压腔体内。加速度计位于腔体内，并且用于加速度计腔体的密封件完全位于陀螺仪腔体内。在正常操作条件下，加速度计密封件将加速度计腔体保持在比封住陀螺仪腔体的压力更高的压力下。在陀螺仪密封件或加速度计密封件中的一个破损的情况下，陀螺仪感测到压力的变化。

Description

具有腔体压力监视的双密封MEMS封装
背景技术
诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、空中无人机、器械、飞行器、锻炼辅助设备和游戏控制器的许多物品可以在其操作期间利用运动传感器。在许多应用中，各种类型的运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)可以被独立地或一起分析，以确定用于特定应用的各种信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用于游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)以捕获用户的复杂移动，无人机和其它飞行器可以基于陀螺仪测量(例如，滚动、俯仰和偏航)来确定朝向，并且车辆可以利用测量确定方向(例如，用于航位推算)和安全性(例如，识别打滑或翻滚状况)。
运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)可以被制造为使用半导体制造技术制造的微机电(MEMS)传感器。MEMS传感器可以包括可以响应诸如线加速度(例如，对于MEMS加速度计)和角速度(例如，对于MEMS陀螺仪)的力的可移动质块(mass)。这些力在可移动质块上的操作可以基于质块响应于力的移动来测量。在一些实现中，基于由每个可移动质块及其相应电极形成的电容的改变、基于可移动质块和感测电极之间的距离来测量这种移动。
示例性MEMS加速度计的可移动质块可以包括响应于线加速度而偏斜的一个或多个悬挂质块。MEMS加速度计的部件可以被密封，以防止由外部污染物(诸如湿气)污染MEMS加速度计的环境。这种污染物会影响操作(例如，可移动质块响应于线加速度的移动)或者以其它方式损坏MEMS加速度计的部件。如果MEMS加速度计的密封件被损坏，那么污染物可能进入腔体，并且加速度计可能失效。MEMS加速度计的密封件还可以维持足以为加速度计的可移动质块提供阻尼的压力。
MEMS陀螺仪也可以在密封的环境内操作。MEMS陀螺仪需要以高频率驱动可移动质块中的一个或多个，并且陀螺仪的操作特性(例如“品质因数”或“q因数”)可以依赖于陀螺仪在其中操作的环境。例如，q因数可以基于温度而变化，并且可以高度依赖压力。许多MEMS陀螺仪会需要低压(诸如高真空环境)以正常操作。压力的增加会导致q因数的降低。
发明内容
在本公开的实施例中，多传感器微机电传感器(MEMS)封装包括被配置为测量围绕一个或多个旋转轴的角速度的陀螺仪以及被配置为测量沿着一个或多个轴的线加速度的加速度计。在实施例中，陀螺仪包括多个陀螺仪可移动质块和驱动多个陀螺仪可移动质块中的一个或多个并由驱动电压驱动的一个或多个驱动电极，以及基于陀螺仪感测电极的感测电压感测多个陀螺仪可移动质块中的一个或多个的移动的一个或多个陀螺仪感测电极。在实施例中，加速度计包括一个或多个加速度计可移动质块和感测一个或多个加速度计可移动质块的移动的一个或多个加速度计感测电极。在实施例中，加速度计密封环封住加速度计并为加速度计密封环内的加速度计腔体提供加速度计压力，并且陀螺仪密封环封住陀螺仪和整个加速度计密封环，其中陀螺仪密封环为陀螺仪密封环内的陀螺仪腔体提供陀螺仪压力，并且其中加速度计密封环在加速度计压力与陀螺仪压力之间提供屏障。在实施例中，处理电路系统被配置为至少基于驱动电压或感测电压来感测陀螺仪腔体内的压力变化。
在本公开的实施例中，一种用于感测微机电传感器(MEMS)封装内的压力变化的方法包括：确定来自MEMS陀螺仪的一个或多个角速度，其中MEMS陀螺仪位于第一腔体内，其中第一腔体被第一腔体密封件封住，并且其中第一腔体密封件在第一腔体内的第一腔体压力与外部压力之间提供屏障。在实施例中，该方法还包括确定来自MEMS加速度计的一个或多个线加速度，其中MEMS加速度计位于被第二腔体密封件封住的第二腔体内，并且其中第二腔体密封件完全位于第一腔体密封件内，以在第二腔体内的第二腔体压力与第一腔体压力之间提供屏障。在实施例中，该方法还包括由MEMS陀螺仪感测第一腔体内的压力变化。
在本公开的实施例中，微机电传感器(MEMS)封装包括被第一腔体密封件封住的第一腔体，该第一腔体密封件在第一腔体内的第一腔体压力与外部压力之间提供屏障，以及被第二腔体密封件封住的第二腔体，第二腔体密封件完全位于第一腔体密封件内，以在第二腔体内的第二腔体压力与第一腔体压力之间提供屏障。在实施例中，MEMS封装还包括位于第二腔体内并被配置为测量一个或多个线加速度的MEMS加速度计，以及位于第一腔体内并被配置为测量一个或多个角速度的MEMS陀螺仪，其中MEMS陀螺仪还被配置为感测第一腔体内压力的变化。
附图说明
结合附图考虑以下详细描述，本公开的上述和其它特征、其性质以及各种优点将变得更加清楚，其中：
图1描绘了根据本公开一些实施例的说明性运动处理系统；
图2描绘了根据本公开一些实施例的示例性陀螺仪设计；
图3描绘了根据本公开一些实施例的示例性的密封MEMS封装；
图4描绘了根据本公开一些实施例的用于识别由于损坏的密封件而引起的故障的示例性步骤；以及
图5描绘了根据本公开一些实施例的用于补偿MEMS传感器的操作的示例性步骤。
具体实施方式
运动处理系统可以包括多个传感器(诸如测量线加速度的加速度计和测量角速度的陀螺仪)。在一些情况下，这些传感器可以被实现为具有用于感测的极小的可移动质块的MEMS传感器。基于这些可移动质块的移动来测量线加速度和角速度，这可以通过诸如定位成与可移动质块相邻的电极的方法来感测。
MEMS加速度计在一定的压力条件下最佳地运行。在一些实施例中，期望MEMS加速度计在通常小于大气压但是高到足以为可移动质块的移动提供阻尼的环境中操作。在压力过低的情况下，MEMS加速度计会具有高q因数，这导致响应于线加速度的过度或不可预测的移动。
MEMS陀螺仪类似地在一定压力条件下最佳地操作。通常为MEMS陀螺仪提供高q因数，这通过将MEMS陀螺仪放在具有偏离示例性MEMS加速度计压力一个数量级或更多的压力的高真空环境内来实现。为了实现这些压力，MEMS加速度计和MEMS陀螺仪都是密封的。除了维持期望的压力，密封还防止污染物进入MEMS装置的环境。
在实施例中，陀螺仪密封件创建陀螺仪腔体，该陀螺仪腔体定义陀螺仪位于其中的陀螺仪体积。加速度计密封件完全位于陀螺仪腔体内。以这种方式，由于两个腔体之间的压力试图平衡，因此加速度计密封件的任何破损都将造成陀螺仪腔体内的压力的增加。
陀螺仪可以用于基于q因数、驱动电压、感测电压以及指示压力的其它特性的变化来测量这些压力的变化。依赖于压力的变化或压力的变化率，可以针对加速度计和陀螺仪中的一个或两个指示故障，并且在一些实施例中，可以应用补偿以允许装置中的一个或两个继续操作。在一些实施例中，可以使用由陀螺仪确定的测量结果来确定不同的故障条件(诸如确定加速度计密封件或陀螺仪密封件中的哪一个已经破损)。
图1描绘了根据本公开一些实施例的示例性运动处理系统100。虽然在图1中描绘了特定部件，但将理解的是，对于不同的应用和系统，可以根据需要使用传感器、处理部件、存储器和其它电路系统的任意合适组合。在如本文描述的实施例中，运动处理系统可以包括MEMS传感器120和支持电路系统(诸如处理电路系统140和存储器160)。在一些实施例中，一个或多个附加的MEMS装置180(例如，MEMS麦克风、MEMS压力传感器和指南针)可以被包括在运动处理系统100内，以提供集成的运动处理单元(“MPU”)(例如，包括3轴MEMS陀螺仪感测、3轴MEMS加速度计感测、麦克风、压力传感器和指南针)。
在实施例中，MEMS传感器120可以包括传感器封装，其感测线加速度和围绕一个或多个轴的角速度两者。线加速度可以由具有可移动质块的一个或多个MEMS加速度计感测，可移动质块被悬挂为使得它们响应于沿着特定轴的线加速度而移动(例如，偏斜)。MEMS加速度计可以利用诸如处于固定位置从而使得可移动质块和固定电极用作电容板的电极的感测技术来感测可移动块的移动，。可移动质块和固定电极中的每一个处于特定的电压，使得当可移动质块相对于固定电极移动时，可以确定感测电压。在实施例中，“感测电压”可以是由可移动质块和感测电极形成的电容器的电压，可以是与使用电荷放大器读出的电流成比例并且与可移动质块和固定电极之间的电容成比例的电压，或者是基于可移动质块与固定感测部件之间的距离变化的其它合适的电压值。
在示例性实施例中，多个MEMS加速度计中的每一个可以以使得MEMS加速度计的可移动质块响应沿着特定轴的线加速度的方式来配置(例如，X轴MEMS加速度计感测沿着X轴的线加速度，Y轴MEMS加速度计感测沿着Y轴的线加速度，以及Z轴MEMS加速度计感测沿着Z轴的线加速度)。
MEMS传感器120的传感器封装还可以包括用于感测围绕一个或多个轴的角速度的一个或多个MEMS陀螺仪。示例性MEMS陀螺仪可以包括以允许MEMS陀螺仪测量围绕一个或多个轴的旋转(例如，俯仰、滚动和/或偏航)的方式由弹簧悬挂的微机械质块。在一些实施例中，MEMS陀螺仪以允许围绕多个轴的角速度被单个MEMS陀螺仪(例如，两轴或三轴MEMS陀螺仪)感测的方式设计，而在其它实施例中，MEMS陀螺仪可以感测围绕单个轴的角速度。
在操作中，可以使MEMS陀螺仪的可移动质块中的一个或多个(例如，诸如一个或多个驱动质块的驱动振荡器)以驱动频率振动，通常是通过静电驱动系统(诸如驱动电极或驱动梳)。使部件(例如，诸如驱动质块的驱动振荡器)在驱动方向上以驱动频率振动。在一些实施例中，驱动感测电极可以例如通过用移动驱动振荡器形成电容器来感测驱动质块的移动。由驱动感测电极感测到的电压可以与驱动振荡器响应于驱动力的移动成比例，并且可以在反馈系统(例如，闭环或开环)中使用，以控制由静电驱动系统以维持期望的驱动移动的方式施加的驱动力。
虽然可以能够能测量来自驱动振荡器的旋转，但在许多陀螺仪中，感测振荡器(例如，科里奥利质块、检验质块、感测质块等等)通过弹簧耦接到驱动振荡器，基于弹簧的设计和放置，这常常限制质块在某些方向上的运动自由度。在驱动方向上振动的质块(例如，科里奥利质块或感测振荡器的感测质块)可以由于陀螺仪绕轴旋转而经受力。在与驱动方向和陀螺仪旋转所围绕的轴都垂直的方向(即，感测方向)上对质块施加这种科里奥利力。当经历科里奥利力的质块(例如，感测振荡器的感测质块)在感测方向上自由移动时(例如，基于感测振荡器的配置)，这个质块将在感测方向上以驱动频率振荡。
在一些实施例中，可以通过感测感测振荡器(例如，感测质块)的这种移动来测量角速度。虽然可以以任何合适的方式(例如，光学、压电等等)感测移动，但在实施例中，可以基于感测质块的移动电极与固定感测电极之间的相对距离来感测移动。在一些实施例中，感测电极可以附连到感测质块下面的平行衬底(例如，作为感测板)或锚定到衬底并位于感测质块的平面中(例如，作为感测板或感测梳)。感测质块和相对的感测电极有效地形成电容器，其值基于感测质块与感测电极之间的距离而改变。电容变化的大小基于科里奥利力的大小而改变，并且被用来(例如，通过处理电路系统140的处理)确定角速度。
处理电路系统140可以包括基于运动处理系统100的要求提供必要处理的一个或多个部件。在一些实施例中，处理电路系统140可以包括可以集成在诸如MEMS传感器120的传感器封装的芯片内(例如，在MEMS传感器封装的衬底或盖上，或者在芯片与传感器封装相邻的部分上)的硬件控制逻辑以控制MEMS传感器120的操作并执行用于MEMS传感器的处理的各方面。在一些实施例中，MEMS传感器120可以包括一个或多个寄存器，其允许(例如，通过修改寄存器的值)修改硬件控制逻辑的操作的各方面(例如，驱动幅度、应用于测得的信号的增益因子等)。其它MEMS设备180可以以类似的方式操作。在一些实施例中，处理电路系统140可以包括执行例如存储在存储器160中的软件指令的处理器(诸如微处理器)。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制MEMS传感器120的操作，并且处理从MEMS传感器120接收的测量信号。微处理器可以以类似的方式与其它传感器交互。
虽然在一些实施例(图1中未绘出)中，MEMS传感器120或其它MEMS设备180可以直接与外部电路系统通信(例如，经由到传感器输出和控制输入的直接连接或串行总线)，但在一个实施例中，处理电路系统140可以处理从MEMS传感器120和其它MEMS装置180接收的数据，并且经由通信接口110(例如，SPI或I2C总线，或者在汽车应用中，控制器区域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)总线)与外部部件通信。处理电路系统140可以将从MEMS传感器120和其它MEMS装置180接收的信号转换成适当的测量结果单元(例如，基于由通过通信总线110通信的其它计算单元提供的设置)并且执行更复杂的处理以确定诸如朝向或Euler角的测量，并且在一些实施例中，从传感器数据确定特定活动(例如，步行、跑步、刹车、打滑、滚动等等)是否正在发生。
在一些实施例中，在可以被称为传感器融合的处理中，可以基于来自多个陀螺仪120和MEMS装置180的数据确定某些类型的信息。通过结合来自各种传感器的信息，可以能够准确地确定在各种应用(诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、三维相机、工业自动化以及众多其它应用)中有用的信息。
在一些实施例中，一个或多个MEMS加速度计可以以形成加速度计腔体的方式被密封。加速度计腔体的内部体积可以处于适于一个或多个MEMS加速度计的操作的压力。虽然用于加速度计腔体的密封件可以以任何适当的方式形成，但是在一些实施例中，MEMS加速度计可以包括多个半导体层(诸如盖层、MEMS层(例如，包括MEMS加速度计的可移动质块、弹簧等等)和CMOS层(例如，包括处理电路系统、用于固定部件的锚定点等等))。可以将这些层堆叠并接合，使得由这些层形成的加速度计腔体的内部体积与任何外部体积隔离。在一些实施例中，可以期望将MEMS加速度计的内部体积与外部源隔离，以便防止可能损害MEMS加速度计的污染(例如，湿气、微粒等等)以及维持加速度计腔体的内部体积内的指定压力。
在一些实施例中，内部加速度计腔体体积内的指定压力可以小于大气压力但大于真空压力。在一些实施例中，指定压力可以近似在大气压力的数量级内。指定压力可以以优化系统内的可移动质块的运动的方式来选择，例如，以建立MEMS加速度计的可移动质块的期望阻尼，同时避免其中可移动质块的响应可能过度、不稳定和/或不可预测的低压力和高q因数条件。
在一些实施例中，一个或多个MEMS陀螺仪可以以形成陀螺仪腔体的方式被密封。陀螺仪腔体的内部体积可以处于适于一个或多个MEMS陀螺仪的操作的压力。虽然用于腔体的密封件可以以任何合适的方式形成，但是在一些实施例中，MEMS陀螺仪可以包括多个半导体层(诸如盖层、MEMS层(例如，包括MEMS陀螺仪的可移动质块、弹簧等等)以及CMOS层(例如，包括处理电路系统、用于固定部件的锚定点等等))。可以将这些层堆叠并接合，使得由这些层形成的腔体的内部体积与任何外部源隔离。在实施例中，可以期望将MEMS陀螺仪的内部体积与外部源隔离，以便防止可能损害MEMS陀螺仪的污染(例如，湿气、微粒等等)以及维持陀螺仪腔体的内部体积内的指定压力。
在一些实施例中，用于MEMS陀螺仪的内部腔体体积的指定压力可以处于接近真空的压力，这可以比大气压力低两个或更多个数量级。给定的MEMS陀螺仪的q因数分量可以随着陀螺仪腔体内的压力减小而增加，并且可以响应于陀螺仪腔体内的更高压力而减小。以这种方式，用于特定陀螺仪设计的诸如驱动振荡器或感测振荡器的部件的操作和响应可以基于陀螺仪腔体内的压力而不同。
在一些实施例中，压力与q因数之间的这种关系可以用于识别陀螺仪腔体内的压力变化。在一些实施例中，一个或多个部件(例如，驱动振荡器的一个或多个驱动器质块或者感测振荡器的一个或多个感测质块)的q因数可以例如通过在质块被迫使进入运动之后测量振荡衰减时间而直接确定。
在一些实施例中，可以测量MEMS陀螺仪的部件的其它操作特性，例如可以与q因数相关或可以类似地受压力变化影响的操作特性。在实施例中，q因数的变化可以导致驱动驱动振荡器所需的驱动电压的对应变化。如本文所述，驱动感测电极可以响应于由驱动电极施加的特定驱动力而感测驱动质块的移动。在一些实施例中，闭环系统可以使驱动电压变化，使得维持均匀的驱动运动(例如，如由驱动感测电极感测到的)。这个驱动电压因此可以与压力相关，因为压力的增加可以导致维持驱动运动所需的驱动电压的增加，而压力的减小可以导致维持驱动运动所需的驱动电压的降低。在一些实施例中，由驱动感测电极感测的电压可以被直接测量并且可以与压力变化相关联，或者驱动电极的驱动电压与驱动感测电极的感测到的电压的比率可以与压力的变化相关联(例如，压力的增加可以增加驱动电压与驱动感测电压的比率)。
在一些实施例中，一个或多个辅助驱动电极可以耦接到系统的一个或多个部件，以由于在辅助驱动电极处施加的电压而造成一个或多个可移动质块的移动。辅助驱动电极可以与任何合适的可移动质块(诸如陀螺仪设计的感测质块或科里奥利质块)相邻定位。当陀螺仪没有以其他方式被驱动时，或者在一些实施例中，在MEMS陀螺仪的正常操作期间(例如，当驱动电压正施加到驱动振荡器时)，辅助驱动电极可以造成移动。由辅助驱动电极造成的运动可以由其它电极(例如，与由辅助驱动电极驱动的感测质块相邻的感测电极)感测，并且感测到的电压、辅助驱动电压和/或辅助驱动电压或感测到的电压的比率可以用于感测MEMS陀螺仪的操作中的变化，以与如本文关于驱动质块所述的相似的方式，这种变化可以是由于诸如陀螺仪腔体内的压力变化的变化所引起的。
其它因子也可以影响陀螺仪的q因数或其它操作特性。在实施例中，q因数或其它操作特性可以基于MEMS陀螺仪的温度而变化。因而，在一些实施例中，来自附加传感器(诸如温度传感器)的信息可以用于帮助确定q因数或其它操作特性的变化的原因。
如上所述，在一些实施例中，用于陀螺仪腔体的指定压力可以接近真空(例如，优化q因数以用于MEMS陀螺仪的高效操作)，而用于加速度计腔体的指定压力可以大一个数量级或更多(例如，以便为MEMS加速度计的可移动质块提供适当的阻尼)。MEMS陀螺仪可以在大于陀螺仪指定压力的压力下继续操作，但是由于减少的驱动运动、提供驱动力所需的过度功耗以及减少的感应移动，性能可能会受到影响。尽管如此，在一些情况下，可以能够通过修改MEMS陀螺仪的操作参数来补偿陀螺仪腔体内的非理想压力，例如，通过调节(例如，增加)驱动电压、修改用于感测电极的缩放因子(例如，以考虑感测振荡器的减少的运动)、任何其它合适的修改或其任意合适组合。
在实施例中，针对特定的MEMS陀螺仪设计，一旦陀螺仪腔体的第一阈值压力被超过(例如，如通过测量q因数、驱动电压、驱动感测电压、驱动比率、感测振荡器响应等等所确定的)，就可以使用补偿来允许MEMS陀螺仪在非理想压力条件下操作。最终补偿技术可能变得无效，使得陀螺仪不应当继续操作来测量角速度。在一些实施例中，可以基于陀螺仪腔体的压力超过第二阈值(例如，如通过测量q-因数、驱动电压、驱动感测电压、驱动比率、感测振荡器响应等等所确定的)来识别这个点。在一些实施例中，虽然MEMS陀螺仪不能用于确定角速度，但可以以继续测量陀螺仪腔体内的压力的方式驱动和感测质块。
在一些实施例中，MEMS加速度计可以继续以小于或大于加速度计指定压力的压力操作，但是基于对加速度计设计造成有限阻尼的过大q因数，由于可移动质块响应于线加速度的过度或不可预测的运动，性能可能会受到影响，从而导致感测准确度降低以及外部震动排斥(external shock rejection)能力降低。尽管如此，在一些情况下，可以能够通过修改MEMS加速度计的操作参数来补偿加速度计腔体内的非理想压力，例如通过修改用于感测电极的缩放因子、以提供补偿阻尼力的方式由感测电极或附加电极(例如，与感测电极相邻定位的补偿电极)对可移动质块施加补偿力、任何其它合适的修改、或其任意合适组合。在实施例中，一旦加速度计腔体内的压力下降到高于或低于特定MEMS加速度计设计的压力阈值(例如，如通过来自封住加速度计腔体的陀螺仪腔体内的陀螺仪的测量所确定的，如下文所述)，就可以利用补偿以允许MEMS加速度计在非理想压力条件下操作。最终补偿技术可能变得无效，使得加速度计不应当再继续操作。在一些实施例中，可以基于加速度计腔体的压力降到高于或低于阈值(例如如下文中所描述的由陀螺仪确定)、基于补偿阻尼电压/电流/功率超过阈值、基于感测分辨率降到低于阈值、其它合适的标准或其任意合适组合来识别这个点。
图2描绘了可以根据本公开使用的示例性陀螺仪设计。虽然为了说明的目的在本文描绘和描述了特定的陀螺仪设计，但将理解的是，本公开中描述的系统和方法可以与各种陀螺仪设计一起使用，例如，只要能够执行与压力相关的测量(诸如q因数、驱动电压、驱动感测电压、驱动比率、感测电压等等)即可。因此，将理解的是，本文提供的讨论对于陀螺仪设计是通用的，并且特定设计仅为说明目的提供。在图2的示例性实施例中，陀螺仪被描绘和描述为具有用于感测围绕Y轴的俯仰旋转和围绕Z轴的偏航旋转的单个驱动运动的双轴陀螺仪。但是，将理解的是，本公开的系统和方法可以利用包括用于测量与陀螺仪腔体压力相关的q因数或其它操作特性的合适部件和处理(例如，用于反馈的驱动感测电极、用于感测振荡器测试的辅助驱动电极、感测电极，以及如本文所述的相关处理)的任何合适的陀螺仪设计(例如，单轴、三轴)来实现。例如，在具有用于与不同感测轴相关联的多个驱动和感测质块的单个驱动运动的三轴陀螺仪的示例性实施例中，驱动感测电极可以安装在任何或全部驱动质块处，并且辅助驱动电极可以安装在任何或全部感测质块处(以及在一些实施例中，科里奥利质块)。
示例性陀螺仪200部署在平行于衬底201的X-Y平面中。Z方向垂直于X-Y平面，并且衬底201在Z方向上位于陀螺仪200下方。陀螺仪200包括引导臂204a和204b，引导臂204a和204b经由弹簧208a和208b经由至少一个锚定点206a柔性耦接到衬底201。两个引导臂204a和204b经由弹簧203a和203b柔性耦接到俯仰质块202。在实施例中，俯仰质块202可以用作驱动振荡器和感测振荡器两者。俯仰质块202进而经由弹簧220a、220b、220c和220d耦接到另一感测振荡器(诸如偏航质块212)。
俯仰质块202、引导臂204a和204b、锚定点206a以及弹簧203a、203b、208a和208b形成平面四连杆机构。每个弹簧203a、203b、208a和208b围绕在Z方向上的轴在平面内是顺从(compliant)的，使得每个引导臂204a和204b可以在俯仰质块202在X方向上平移时在平面内旋转，例如，响应于由围绕Y轴的俯仰旋转引起的Z方向上的科里奥利力。
弹簧208a和208b在围绕X方向上的俯仰感测轴是顺从的，使得引导臂204a和204b可以旋转到平面外。弹簧203a和203b在Z方向上是刚性的，由此引导臂204a和204b的旋转到平面外使俯仰质块202随引导臂204a和204b移动到平面外。
诸如梳状驱动器211a和211b的静电致动器连接到锚定件209a和209b，并连接到俯仰质块202。梳状驱动器211a和211b沿着X轴在X方向上共同驱动俯仰质块202。在这个实施例中，使用两个静电致动器。但是，本领域普通技术人员容易认识到的是，可以提供一个静电致动器，并且使用一个静电致动器将在本发明的精神和范围内，并且附加静电致动器可以位于附连到俯仰质块202的各种位置。而且，虽然在图2的示例性实施例中没有描绘，但在实施例中，一个或多个驱动质块可以耦接到俯仰-俯仰质块202，使得驱动质块由梳状驱动器211a和211b驱动，并且驱动运动通过附加的弹簧(图2中未描绘)施加在俯仰质块202上，附加的弹簧耦接在驱动质块与俯仰质块202之间并且在X方向上是刚性的。
此外，虽然在整个说明书中将静电致动器描述为用于驱动被引导的质块系统的致动器，但本领域普通技术人员将认识到的是，可以使用各种致动器用于这个功能，并且该使用将在本发明的精神和范围内。例如，致动器可以是压电的、热的或电磁的等。
在实施例中，陀螺仪200可以包括用于感测俯仰质块202的驱动运动的部件。虽然驱动感测可以以任何合适的方式执行(例如，光学感测、电极(电容性)感测等等)，但是在示例性实施例中，驱动感测可以由驱动感测电极对234a/236a和234b/236b执行。虽然驱动感测电极234a/236a和234b/236b可以以各种方式实现(例如，作为电容板)，但在图2的陀螺仪200的示例性实施例中，驱动感测电极234a/236a和234b/236b可以被实现为分别附连到被驱动的俯仰质块202的相对的梳(例如，驱动感测梳234a/234b)和固定锚定到衬底201的相对的梳(例如，驱动感测梳236a/236b)。
在实施例中，驱动感测电极234a/236a和234b/236b可以感测沿着驱动轴(即，X轴)的俯仰质块202的驱动运动，从而对提供俯仰质块202响应于由驱动梳211a/211b施加的力的移动的指示。在一些实施例中，这个感测到的电压可以在反馈系统中使用，其中驱动梳211a/211b的驱动电压被调节为保持恒定的驱动运动，如由驱动感测电极234a/236a和234b/236b的恒定响应所指示的。在一些实施例中，当需要增加的驱动电压以生成俯仰质块202的相同移动时，这可以指示驱动系统的q因数的变化(例如，下降)(例如，由于压力增加)。如本文所述，在一些实施例中，驱动比率可以基于相应的驱动和感测电压来确定，并且用于计算可以响应于诸如压力变化的因素的q因数或其它操作特性。
在一些实施例中，可以基于在陀螺仪200的正常操作之外施加/测量的驱动和感测电压来测量驱动系统的响应。例如，一个或多个驱动测试电压可以由驱动梳211a/211b在各个时间(例如，在陀螺仪200的启动期间，或者在操作期间周期性地)施加，并且由驱动感测电极234a/236a和234b/236b测量的响应移动可以被用于确定与压力相关联的q因数或其它测得的特性。在示例性实施例中，可以将具有不同值的一系列测试驱动电压施加到驱动梳211a/211b，并且可以由驱动感测电极234a/236a和234b/236b来测量响应。以这种方式，可以测量并分析不同响应的分布(profile)，以识别陀螺仪200的操作的变化(例如，通过区分诸如压力或温度的变化的变化的不同起因)。在实施例中，这种测试分布可以在操作期间以及在陀螺仪200未被使用的时间期间周期性地应用于陀螺仪200。
当陀螺仪200被驱动时，引导臂204a和204b在平面内旋转并且俯仰质块202在平面内在X方向上平移。围绕在位于衬底的平面内并且与X方向正交的Y方向上的俯仰输入轴的角速度将使科里奥利力在Z方向上作用于俯仰质块202。科里奥利力使陀螺仪俯仰质块202和引导臂204a和204b旋转到平面外。陀螺仪200的旋转振幅与围绕俯仰输入轴的角速度成比例。俯仰换能器210可以感测感测质块的移动，并且可以是任何合适的俯仰换能器210，诸如电容式、压电式或光学换能器等。在实施例中，基于由于俯仰质块202(例如，包括移动电极或用作移动电极)与感测电极210之间的距离变化引起的电容变化，使用在俯仰质块202之下的感测电极210来检测陀螺仪200围绕俯仰感测轴的旋转。电容的这种变化提供了对围绕俯仰输入轴的角速度的测量。
陀螺仪200还包括偏航感测振荡器(诸如偏航质块212)，其响应于围绕Z轴的旋转。在实施例中，偏航质块212可以通过弹簧220a、220b、220c和220d耦接到俯仰质块202。虽然在图2中描绘了四个弹簧220a-220d，但将理解的是，根据本公开，任何合适数量的弹簧可以将驱动力传递到偏航质块212。在实施例中，弹簧220a-220d可以被配置为在驱动方向(即，X方向)上是刚性的并且在感测方向(即，Y方向)上是柔性的。而且，将理解的是，在一些实施例中(图2中未描绘)，偏航振荡器可以被实现为多个质块，诸如被耦接以从俯仰质块202接收驱动力的科里奥利质块，以及通过附加的弹簧连接到科里奥利质块的附加检验质块，其中附加的弹簧在由于偏航旋转而施加在科里奥利质块上的科里奥利力的方向上(例如，在Y方向上)是刚性的。
如本文所述，驱动梳211a和211b使俯仰质块202在X方向上振动。这个X方向振动通过在X方向上是刚性的弹簧220a-220d传递到偏航质块212。在实施例中，偏航驱动感测电极238a/238b可以在偏航质块212的驱动方向(例如，X方向)上与偏航质块212相邻定位(例如，在平面内)。偏航驱动感测电极238a/238b可以感测偏航质块212沿其驱动轴(即，X轴)的驱动运动，从而提供偏航质块212响应于驱动梳211a/211b施加的力(例如，由俯仰质块202和弹簧220a/220b/220c/220d传递到偏航质块212)的移动的指示。在一些实施例中，这种感测到的电压可以用于测量偏航质块212对由驱动梳211a/211b施加的特定驱动电压的响应性移动，从而提供俯仰质块202、弹簧220a/220b/220c/220d和偏航质块212对驱动力的整体响应的测量，这可以指示驱动系统的q因数的变化(例如，下降)(例如，由于压力增加引起的)。
在一些实施例中，驱动比率可以基于驱动梳211a/211b的驱动电压和由偏航驱动感测电极238a/238b感测的电压来确定，并且被用于计算可以响应于诸如压力变化的因素的q因数或其它操作特性。在一些实施例中，可以基于在陀螺仪200的正常操作之外施加/测量的驱动和感测电压来测量偏航质块212的响应。例如，一个或多个驱动测试电压可以由驱动梳211a/211b在各个时间(例如，在陀螺仪200启动期间，或者在操作期间周期性地)施加，并且由偏航驱动感测电极238a/238b测量的响应移动可以用于确定与压力相关联的q因数或其它测得的特性。在示例性实施例中，可以将具有不同值的一系列测试驱动电压施加到驱动梳211a/211b，并且可以由偏航驱动感测电极238a/238b来测量响应。以这种方式，可以测量并分析不同响应的分布，以识别陀螺仪200的操作的变化(例如，通过区分诸如压力或温度的变化的变化的不同起因)。在实施例中，这种测试分布可以在操作期间以及在陀螺仪200未被使用的时间期间周期性地应用于陀螺仪200。
当偏航质块212沿着X轴振荡并且陀螺仪200围绕Z轴旋转时，这将导致在偏航质块212上的Y轴科里奥利力，该科里奥利力引起处于驱动频率的Y轴振荡。因为弹簧220a-220d在Y方向上是柔性的，所以偏航质块212将在Y方向上振荡，其幅度与科里奥利力成比例，并且因此与角速度成比例。偏航感测电极214可以感测感测质块的移动，并且可以是任何合适的偏航换能器210(诸如电容式、压电式或光学换能器等)。在实施例中，偏航感测电极214可以是与偏航质块212在平面中定位(例如，经由锚215锚定到衬底并且电连接到感测电路系统)的平板电极(虽然在一些实施例中，不同的电极(诸如梳状电极)可以用于偏航感测电极214)，以基于由于偏航质块212(例如，包括移动电极或用作移动电极)与偏航感测电极214之间的距离的变化而引起的电容变化来检测陀螺仪200围绕偏航感测轴的旋转。在一些实施例中(图2中未描绘)，偏航感测电极214可位于偏航质块212的内部腔体内。不管偏航感测电极214如何实现和布置，由于偏航感测电极214与偏航质块212之间的相对移动而引起的电容变化都提供对围绕偏航输入轴的角速度的测量。
在实施例中，偏航质块212可以被配置为被直接驱动，以测试偏航质块212在感测方向上的响应。在一些实施例中(图2中未描绘)，偏航质块212的驱动可以由偏航感测电极214施加在偏航质块212上。偏航感测电极214可以被功能性地复用，使得其在提供测试信号、测量测试响应和测量科里奥利力之间主动切换。除了被设计为接收和处理科里奥利力和测试响应的感测电路系统之外，感测电极还可以包括驱动电路系统，以提供将测试信号施加在偏航质块212上所需的电压。
在实施例中，辅助致动器232a-232d可以引起偏航质块212的测试移动。虽然辅助致动器232a-232d可以利用引起偏航质块212的移动的任何合适方法(例如，压电、热、电磁等等)，但是在实施例中，辅助致动器232a-232d可以是位于偏航质块212的平面中和周边上的静电梳状致动器。在其它实施例中，辅助致动器232a-232d可以位于其它合适的位置，诸如在偏航质块212的内部腔体内。
在实施例中，梳状辅助致动器232a-232d可以经由相应的锚定件230a-230d锚定到衬底，并且连接到驱动和/或感测电路系统。虽然在图2中描绘了四个致动器，但是在不同的实施例中，可以使用任何合适数量的致动器来引起偏航质块212在感测方向(即，Y方向)上的测试振荡。在一些实施例中，不是感测偏航质块212在偏航感测电极214处的响应移动，而是梳状电极232a-232d中的一个或多个以专用或复用的方式(例如，与测试信号的致动和/或其它测试响应的测量复用)用作感测梳。
通过梳状辅助致动器232a-232d施加到偏航质块212的力沿着Y轴被施加和感测，这由于弹簧220a-220d在Y轴上的柔性而被允许。如本文所述，可以基于偏航感测电极214和/或一个或多个辅助致动器232a-232d处的电压来感测偏航质块212沿着感测轴(即，Y轴)的移动。在一些实施例中，这个感测到的电压可以用于测量偏航质块212对(例如，由偏航感测电极214和/或辅助致动器232a-232d)施加在偏航质块212上的特定电压的响应移动。在一些实施例中，这个移动的变化可以指示偏航质块212和相关部件(例如，弹簧220a/220b/220c/220d)的(例如，由于压力的增加而引起的)q因数的变化(例如，下降)或其它特性。在一些实施例中，驱动比率可以基于辅助致动器232a-232d的驱动电压和由偏航感测电极214感测到的电压来确定，并且被用于计算可以响应于诸如压力变化的因素的q因数或其它操作特性。
在一些实施例中，可以基于在陀螺仪200的正常操作之外施加/测量的驱动和感测电压来测量偏航质块212的响应。例如，一个或多个驱动测试电压可以由辅助致动器232a-232d在各个时间(例如，在陀螺仪200的启动期间，或者在操作期间周期性地)施加，并且由偏航感测电极214测量的响应移动可以被用于确定与压力相关联的q因数或其它测得的特性。在示例性实施例中，可以将具有不同值的一系列测试驱动电压施加到辅助致动器232a-232d并且可以由偏航感测电极214来测量响应。以这种方式，可以测量并分析不同响应的分布，以识别陀螺仪200的操作的变化(例如，通过区分诸如压力或温度的变化的变化的不同起因)。在实施例中，这种测试分布可以在操作期间或者在陀螺仪200未被使用的时间期间周期性地应用于陀螺仪200。
本文描述的测试响应可以由陀螺仪200的电路系统以及在一些实施例中由处理电路系统140处理。基于对测试响应的分析，可以确定陀螺仪200是否已经发生故障或者是否能够补偿陀螺仪行为的任何变化。在如本文描述的一些实施例中，压力的变化可以被确定为与密封在陀螺仪腔体内的加速度计腔体的破损的密封件相关。在这种实施例中，可以确定是否补偿加速度计的操作或者加速度计是否已经发生故障。如果对陀螺仪200和加速度计中的任一个或两者的补偿是可能的，那么可以修改陀螺仪200或加速度计的一个或多个操作参数。
在陀螺仪200的补偿的实施例中，示例性修改可以包括修改由梳状电极211a和211b提供的驱动信号的大小、模拟感测电路系统(例如，陀螺仪200的感测电路的一个或多个放大器)的操作或一个或多个数字缩放因子(例如，在陀螺仪200或处理电路系统140处)。在加速度计的补偿的实施例中，示例性修改包括从与加速度计的一个或多个可移动电极相邻的一个或多个电极提供补偿阻尼力、修改模拟感测电路系统(例如，加速度计的感测电路的一个或多个放大器)的操作或一个或多个数字缩放因子(例如，在加速度计或处理电路系统140处)。
图3描绘了根据本公开一些实施例的示例性密封的MEMS封装，其可以是诸如单片MEMS管芯的MEMS部件的合适集合。图3将MEMS封装的部件描绘为功能框图，包括MEMS封装的陀螺仪密封件303，其定义具有位于其中的陀螺仪308(例如，如图2中所描绘和描述的多轴MEMS陀螺仪)的陀螺仪腔体302。在实施例中，加速度计密封件304可以完全位于陀螺仪腔体302内并且可以定义包括位于其中的一个或多个加速度计310(例如，如本文描述的加速度计)的加速度计腔体304。具有外部压力P1(例如，大气压力)的外部压力区域300可以位于陀螺仪腔体302的外部并且可以通过陀螺仪密封件303与陀螺仪腔体302内的压力P2隔离。加速度计密封件305可以隔离加速度计腔体304内的压力P3与陀螺仪腔体302内的陀螺仪压力P2。加速度计腔体304可以具有加速度计体积V3，并且陀螺仪腔体302可以具有陀螺仪体积V2，其等于陀螺仪腔体的总体积减去加速度计体积V3和加速度计密封体305占据的体积。
虽然将理解图3的MEMS传感器可以以任何合适的方式构造，但是在实施例中，图3的MEMS传感器可以利用单个盖层和单个CMOS层构建，并且具有用于接合在其间以形成陀螺仪密封件303和加速度计密封件305的用于加速度计区域310和陀螺仪区域308中的每一个的独立的MEMS层。在示例性实施例中，处理电路系统140的各方面可以在CMOS衬底中实现(例如，作为硬件逻辑)，以执行处理的各方面和/或与其它处理(例如，处理电路系统140的微处理器)通信以执行所述处理。在实施例中，可以设置温度传感器304，以确定MEMS传感器处或附近的温度。虽然温度传感器304被描绘为在MEMS传感器的外部(例如，陀螺仪密封件303的外部)，但将理解的是，在一些实施例中，温度传感器可以位于陀螺仪腔体302内。
如图3中所描绘的，加速度计腔体304可以完全位于陀螺仪腔体302内，并且在正常操作条件下可以通过加速度计密封件305与陀螺仪腔体302隔离。在示例性实施例中，在正常操作条件下，加速度计压力P3可以大于陀螺仪压力P2，例如大至少一个数量级。如果加速度计密封件305破损，那么加速度计腔体304和陀螺仪腔体302内的压力可以以基于加速度计密封件中破损的严重性的速率开始均衡，直到加速度计腔体304内的加速度计压力P3与陀螺仪腔体302内的陀螺仪压力P2相等。结果所得的均衡压力PE可以基于初始陀螺仪压力P2、初始陀螺仪体积V2、初始加速度计压力P3和初始陀螺仪体积V3。
如本文所述，陀螺仪区域308内的陀螺仪的q因数或其它操作特性可以在陀螺仪的操作期间确定或者通过偶尔或周期性的测试来确定。处理电路系统114可以利用这些测量值以便估计陀螺仪腔体302内的压力，并基于那个估计的压力对陀螺仪和一个或多个加速度计中的一个或多个采取校正措施。在一些实施例中，来自温度传感器304的温度测量也可以被处理电路系统114考虑在内，以便区分由于温度而不是压力引起的q因数或陀螺仪操作中的变化。可以在设计阶段确定由温度引起的q因数的预期改变，并且可以在处理电路系统中嵌入参考依赖性曲线。在其它实施例中，可以通过在不同温度下(在生产中的修整期间)测量每个设备并将结果所得的Q因数值存储在处理电路系统中以在检查期间用作参考来将估计准确度最大化。
在一些实施例中，可能期望的是，当来自陀螺仪的测量值指示陀螺仪腔体302内的压力变化超过为诸如初始值的10％的阈值(例如，q因数阈值、驱动电压阈值或感测电压阈值)时，停止陀螺仪和加速度计两者的操作。例如，在一些安全应用中，可以期望的是，加速度计密封件305或者陀螺仪密封件303的任何破损导致加速度计和陀螺仪两者的立即关闭。以这种方式，利用陀螺仪或加速度计测量的系统可以具有最小化的将不正确值提供给系统的其它部件的风险。在一些实施例中，可以向外部电路系统提供通知或警告，以指示传感器封装的传感器的故障。
在一些实施例中，测量值可以指示小于均衡压力的压力变化。可以期望利用这些测得的变化来补偿在这种条件下加速度计或陀螺仪中的一个或多个的操作，例如通过修改驱动电压、感测缩放因子或增益，或者将阻尼力施加到加速度计的可移动质块。在一些实施例中，是否补偿陀螺仪或加速度计中的一个或多个的决定可以基于陀螺仪腔体内的压力的变化率(例如，如基于诸如q因数、驱动电压、感测电压等等的测量值确定的)。
在一些实施例中，当陀螺仪腔体内的压力或压力变化率超过阈值时，陀螺仪可以停止测量角速度的正常功能，但是可继续测量指示压力变化的q因数或其它操作特性，例如通过向驱动振荡器和/或感测振荡器施加测试驱动力并且由驱动感测电极和/或感测电极测量响应移动。在一些实施例中，不同的压力阈值或压力变化率可以与不同的校正动作相关联，使得可以在(例如，如果压力和变化率两者都小于相应阈值的)情况下执行补偿并且故障可以在(例如，如果压力或变化率中的任一个大于相应阈值的)某些情况下发生。在实施例中，不同的阈值可以应用于陀螺仪和加速度计中的每一个，并且在一些实施例中，不同的补偿技术可以与不同的阈值相关联。在一些实施例中，可以向外部电路系统提供通知或警告，以指示传感器的密封件已经破损并且补偿或故障已经发生。
在实施例中，由陀螺仪确定的测量值可以指示加速度计腔体304与陀螺仪腔体302之间的压力已经均衡，例如，基于已知的均衡压力和陀螺仪腔体302内的压力的变化率接近零。在均衡压力处的稳定可以指示内部加速度计密封件305破损，但外部陀螺仪密封件303未破损。在一些实施例中，加速度计和陀螺仪中的一个或两者可以继续操作，因为陀螺仪密封件303继续保护加速度计和陀螺仪免受外部污染物的影响。对于示例性加速度计或陀螺仪，可以基于均衡压力下加速度计或陀螺仪的操作功能来如本文所述执行补偿。
在实施例中，在均衡压力的情况下，陀螺仪可以停止测量角速度的正常功能，但是可以继续测量指示压力变化的q因数或其它操作特性，例如，通过向驱动振荡器和/或感测振荡器施加测试驱动力并且测量驱动感测电极和/或感测电极处的响应移动。以这种方式，即使陀螺仪不能在较高的均衡压力下运作以测量角速度，陀螺仪也可以继续监视陀螺仪腔体内的压力，以确保陀螺仪密封件303不破损。使用考虑在较低压力下降低的阻尼的可能的补偿，加速度计可以继续在均衡压力下操作。在一些实施例中，可以向外部电路系统提供通知或警告，以指示压力已经均衡并且补偿或故障已经发生。
如果陀螺仪的测量值指示陀螺仪腔体302内的压力超过均衡压力，那么这可以指示陀螺仪腔体302暴露于外部压力P1。虽然在一些实施例中，可以能够暂时补偿加速度计或陀螺仪中的一个或两者的操作(例如，直到压力阈值或变化率阈值)，但暴露于外部压力将最终劣化陀螺仪或加速度计中的一个或两者，两者都可能停止操作并可能指示故障。在一些实施例中，可以知道陀螺仪密封件303破损(例如，基于指示压力超过均衡压力的测量值)，但不知道加速度计密封件305是否已经破损。在实施例中，加速度计可以继续操作，但是可以提供警告，指示来自加速度计的测量值应当被监视以用于指示加速度计密封件305的破损的值，诸如指示由于加速度计腔体304内的污染引起的损坏的不稳定模式，或来自其它可用的自测电路系统的指示可能的q因数改变或污染的异常输出。基于这种监视，处理电路系统114可以确定是继续操作加速度计还是指示加速度计故障已经发生。
图4-5描绘了根据本公开一些实施例的用于利用陀螺仪确定压力的示例性步骤。虽然在本公开的上下文中描述了图4-5(例如，如图1-3中描绘的运动处理系统100、传感器112、陀螺仪200以及密封的陀螺仪和加速度计)，但将理解的是，图4-5中描述的方法和步骤可以应用于各种陀螺仪设计、加速度计设计和密封配置。虽然在图4-5中描绘了特定次序和步骤流程，但将理解的是，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加步骤中的一个或多个，并且图4-5中描绘的流程可以被修改。
虽然图4-5的实施例描述了对于陀螺仪腔体内的压力增加的监视，但将理解的是，本公开中描述的陀螺仪压力测量技术还可以测量压力的降低，例如，如由于吸除效应引起的。在一些实施例中，可以使用用于压力降低或压力降低率的一个或多个阈值，并且可以如本文所述执行补偿或故障分析。
图4描绘了根据本公开一些实施例的用于识别由于损坏的密封件造成的故障的示例性步骤。在步骤402处，处理电路系统140可以访问阈值(例如，从MEMS传感器的寄存器或存储器160)以用于由具有(例如，由完全位于陀螺仪密封件303内的加速度计密封件305)完全密封在其中的加速度计的陀螺仪(例如，陀螺仪200)进行的压力测量。如本文所述，可以提供若干阈值以测量若干参数，诸如压力阈值(例如，变化率、补偿阈值、故障阈值、均衡压力)、测量值阈值(例如，q因数、驱动电压、驱动感测电压、辅助驱动电压、感测电压)以及压力阈值和测量值阈值之间的缩放因子。阈值中的一些或全部可以是绝对值，并且一些或全部阈值可以部分地基于陀螺仪的初始基线测量(例如，在测试期间或启动时)。一旦已访问了阈值，处理就可以继续到步骤404。
在步骤404处，可以测量陀螺仪的特性以与压力相关的阈值进行比较。测得的特性可以包括任何合适的值(诸如q因数、驱动电压、驱动感测电极的电压、辅助驱动电极的驱动电压、感测电压、驱动比率、任何其它合适的特性或其任意组合)。在一些实施例中，可以进行不直接受压力变化影响的附加测量(诸如温度测量)，例如，以将压力相关的效应与其它效应(诸如温度)区分开。一旦已测量了陀螺仪特性，处理就可以继续到步骤406。
在步骤406处，可以将来自步骤404的测量值或从其计算出的值(例如，q因数或压力)与来自步骤402的访问阈值进行比较。在一些实施例中，测量值或阈值中的一个或两者可以基于其它测量值或已知值(诸如温度)进行补偿。如本文所述，在一些实施例中，如果没有指示陀螺仪腔体内的压力超过阈值或者陀螺仪腔体内的压力变化率超过阈值的阈值被超过，那么这可以指示外部陀螺仪密封件和内部加速度计密封件都没有损坏。如果全部这些阈值都没有被超过，那么处理可以返回到步骤404以继续测量陀螺仪特性。如果阈值中任何一个已被超过，那么处理可以继续到步骤408。
在步骤408处，可以确定是否能够在任何条件下补偿压力的任何变化。在一些示例性应用中，陀螺仪或加速度计中的一个或两者可以在某些条件下继续操作(例如，如果陀螺仪腔体中的总体压降相对低或者如果压力读数指示外部陀螺仪密封件保持功能)。在其它应用中，可以期望在陀螺仪密封件或加速度计密封件中的任一个已破损的任何指示下停止陀螺仪和加速度计的操作。如果补偿可以是可能的，那么处理可以继续到图5。如果补偿是不可能的，那么处理可以继续到步骤410。
在步骤410处，可以停止陀螺仪和加速度计两者的操作。驱动电压可以不再提供给陀螺仪，并且在一些实施例中，可以从陀螺仪和加速度计两者中移除电力。处理然后可以继续到步骤412。
在步骤412处，可以向处理电路系统或向外部电路系统提供指示陀螺仪和加速度计已经发生故障的通知。在一些实施例中，通知还可以包括关于故障的信息，诸如测得的压力、q因数、电压、驱动比率、哪个密封件破损，或者关于故障的任何其它合适的信息。图4的处理然后可以结束。
图5描绘了根据本公开一些实施例的用于补偿MEMS传感器的操作的示例性步骤。如本文所述，图5的步骤可以基于在图4的步骤406处一个或多个阈值被超过以及在某些情况下可以允许补偿的指示来发起。在图5的示例性实施例中，可以基于陀螺仪腔体内的压力是小于陀螺仪和加速度计腔体之间的均衡压力、等于这个均衡压力还是大于这个均衡压力来采取不同的补偿步骤。但是，将理解的是，补偿技术可以基于任何合适的压力阈值或阈值集合。
在步骤502处，可以确定压力(或与压力相关的测量值)是否小于陀螺仪和加速度计腔体之间的均衡压力。在实施例中，这种压力可以指示外部陀螺仪密封件还未破损，并且压力的任何变化可以正以相对缓慢的速率发生。如果压力不小于均衡压力，那么处理可以继续到步骤510。如果压力小于均衡压力，那么处理可以继续到步骤504。
在步骤504处，压力(或测量值)可以与一个或多个阈值进行比较。在实施例中，阈值可以特定于测得的压力小于均衡压力的情况。在实施例中，可以将压力的变化率与变化率阈值进行比较，其中小于阈值的变化率指示加速度计或陀螺仪中的一个或多个可以继续操作的情况。在一些实施例中，当可以利用不同的补偿技术时，或者当可以提供不同的警告或通知时(例如，测量具有降低的分辨率)，多个压力阈值可以提供加速度计或陀螺仪中的一个或多个可以继续操作的阈值。基于与阈值的比较，可以确定是否能够补偿加速度计或陀螺仪中的一个或两者的操作，或者故障是否需要两者都停止操作。如果补偿是可能的，那么处理可以继续到步骤506。如果补偿是不可能的，那么处理可以继续到步骤508。
在步骤506处，可以将补偿技术用于如本文所述的加速度计或陀螺仪中的一个或两者。在一些实施例中，可以确定陀螺仪应当停止正常操作(例如，测量角速度)，但可以继续操作以测量压力。一旦将补偿技术应用于加速度计和陀螺仪，处理就可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤508处，可以停止陀螺仪和加速度计两者的操作。驱动电压可以不再提供给陀螺仪，并且在一些实施例中，可以从陀螺仪和加速度计两者中移除电力。然后处理可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤510处，可以先前已经确定陀螺仪腔体内的压力小于均衡压力。在步骤510处，可以确定压力(或与压力相关的测量值)是否等于陀螺仪和加速度计腔体之间的均衡压力(例如，在预期均衡压力之上或以下的阈值内)。在实施例中，这种确定还可以基于陀螺仪内的压力的变化率低于表示陀螺仪腔体内的稳态的阈值。在实施例中，这种压力可以指示外部陀螺仪密封件还未破损，内部加速度计密封件已破损，并且腔体之间的压力已经达到稳态。如果压力不等于均衡压力，那么处理可以继续到步骤518。如果压力等于均衡压力，那么处理可以继续到步骤512。
在步骤512处，压力(或测量值)可以与一个或多个阈值进行比较。在一些实施例中，可以允许补偿的仅有的压力可以是小于均衡压力的压力。在一些实施例中，超过阈值的任何变化率可以指示均衡压力没有处于稳态。在这种情况下，当前的均衡压力可以指示故障，并且处理可以继续到步骤516。如果陀螺仪腔体内的压力已经被均衡并且补偿被允许，那么处理可以继续到步骤514。
在步骤514处，可以将补偿技术用于如本文所述的加速度计或陀螺仪中的一个或两者。在一些实施例中，可以确定陀螺仪应当停止正常操作(例如，测量角速度)，但可以继续操作以测量压力。一旦将补偿技术已应用于加速度计和陀螺仪，处理就可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤516处，可以停止陀螺仪和加速度计两者的操作。驱动电压可以不再提供给陀螺仪，并且在一些实施例中，可以从陀螺仪和加速度计两者中移除电力。然后处理可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤518处，可以先前已经确定了在步骤502处陀螺仪腔体内的压力不小于均衡压力并且在步骤510处该压力不等于均衡压力。在一些实施例中，大于均衡压力的压力可以指示陀螺仪密封件已破损。如本文所述，在一些实施例中，可以期望在假设加速度计密封件可能未破损的情况下继续操作加速度计。如果是，那么处理可以继续到步骤520。如果应当指示故障，那么处理可以继续到步骤522。
在步骤520处，可以如本文所述将补偿技术用于加速度计。在一些实施例中，可以确定陀螺仪可以继续被操作以测量压力。然后处理可以继续到步骤524。
在步骤524处，可以将加速度计测量结果与来自陀螺仪腔体内的压力变化之前或者变化超过阈值之前的先前加速度计测量结果进行比较。任何超过阈值的测量值的变化都可以指示加速度计腔体也已经破损，并且处理可以继续到步骤522。如果阈值还没有被超过，那么处理可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤522处，可以停止陀螺仪和加速度计两者的操作。驱动电压可以不再提供给陀螺仪，并且在一些实施例中，可以从陀螺仪和加速度计两者中移除电力。然后处理可以继续到步骤526，以提供通知。
在步骤526处，可以向处理电路系统或外部电路系统提供指示陀螺仪和加速度计已经发生故障或补偿正在发生的通知。在一些实施例中，通知还可以包括关于补偿技术的信息或关于故障的信息，诸如测得的压力、q因数、电压、驱动比率、哪个密封件破损，或者关于故障的任何其它合适的信息。然后图5的处理可以结束。
前面的描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的。将理解的是，本公开可以以与本文明确描述和描绘的形式不同的形式来实现，并且本领域普通技术人员可以实现各种修改、优化和改变，与以下权利要求一致。

Claims (20)

1.一种多传感器微机电传感器MEMS封装，包括：
陀螺仪，被配置为测量围绕一个或多个旋转轴的角速度，所述陀螺仪包括：
多个陀螺仪可移动质块；
一个或多个驱动电极，用于驱动所述多个陀螺仪可移动质块中的一个或多个，其中所述一个或多个驱动电极由驱动电压驱动；
以及
一个或多个陀螺仪感测电极，用于基于陀螺仪感测电极的感测电压来感测所述多个陀螺仪可移动质块中的一个或多个的移动；
加速度计，被配置为测量沿着一个或多个轴的线加速度，所述加速度计包括：
一个或多个加速度计可移动质块；以及
一个或多个加速度计感测电极，用于感测所述一个或多个加速度计可移动质块的移动；
加速度计密封环，所述加速度计密封环封住所述加速度计，其中所述加速度计密封环为所述加速度计密封环内的加速度计腔体提供加速度计压力；
陀螺仪密封环，所述陀螺仪密封环封住所述陀螺仪和整个加速度计密封环，其中所述陀螺仪密封环为所述陀螺仪密封环内的陀螺仪腔体提供陀螺仪压力，并且其中所述加速度计密封环在所述加速度计压力与所述陀螺仪压力之间提供屏障；以及
处理电路系统，被配置为至少基于所述驱动电压或所述感测电压来感测所述陀螺仪腔体内的压力的变化。
2.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述一个或多个陀螺仪感测电极包括驱动感测电极。
3.如权利要求2所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于感测到的压力来确定是否所述加速度计密封环或所述陀螺仪密封环之一已破损。
4.如权利要求3所述的MEMS封装，其中感测到的压力是基于用于所述驱动电极的所述驱动电压来确定的，并且其中所述驱动电压基于所述感测电压的反馈。
5.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为至少基于所述驱动电压或所述感测电压来确定所述陀螺仪的q因数，并且其中压力的变化是基于所述q因数来感测的。
6.如权利要求5所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于所述q因数与q因数阈值的比较来确定是否所述加速度计密封环或所述陀螺仪密封环之一已破损。
7.如权利要求6所述的MEMS封装，还包括温度传感器，其中所述q因数阈值基于所述温度传感器的测得的温度。
8.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于压力的变化来确定是否所述加速度计密封环或所述陀螺仪密封环之一已破损。
9.如权利要求8所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于压力的变化来确定所述加速度计密封环或所述陀螺仪密封环中的哪个已破损。
10.如权利要求8所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于压力的变化的变化率来确定是否所述加速度计密封环或所述陀螺仪密封环之一已破损。
11.如权利要求8所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为当压力的变化超过均衡压力阈值时确定所述陀螺仪密封环已破损。
12.如权利要求11所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为使所述陀螺仪不再提供驱动电压以驱动所述一个或多个陀螺仪可移动质块，并且其中所述加速度计继续确定线加速度。
13.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于压力的变化来修改所述陀螺仪的操作。
14.如权利要求13所述的MEMS封装，其中修改包括修改所述驱动电压或所述感测电压的缩放因子中的一个或多个。
15.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述处理电路系统被配置为基于压力的变化来修改所述加速度计的操作。
16.如权利要求15所述的MEMS封装，其中修改包括以下中的一个或多个：向所述一个或多个加速度计可移动质块施加补偿力，或者修改用于所述一个或多个加速度计感测电极的加速度计缩放因子。
17.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述陀螺仪被配置为基于压力的变化而修改其操作以不再测量角速度，并且继续向所述陀螺仪可移动质块中的一个或多个施加所述驱动电压以感测压力的变化。
18.如权利要求1所述的MEMS封装，其中所述一个或多个陀螺仪可移动质块包括一个或多个驱动质块和一个或多个感测质块，并且其中所述一个或多个驱动电极包括驱动质块驱动电极以驱动驱动质块以及一个或多个辅助驱动电极以驱动感测质块。
19.一种用于感测微机电传感器MEMS封装内的压力的变化的方法，包括：
确定来自MEMS陀螺仪的一个或多个角速度，其中所述MEMS陀螺仪位于第一腔体内，其中第一腔体被第一腔体密封件封住，并且其中第一腔体密封件在第一腔体内的第一腔体压力与外部压力之间提供屏障；
确定来自MEMS加速度计的一个或多个线加速度，其中所述MEMS加速度计位于被第二腔体密封件封住的第二腔体内，并且其中第二腔体密封件完全位于第一腔体密封件内，以在第二腔体内的第二腔体压力与第一腔体压力之间提供屏障；
由所述MEMS陀螺仪感测第一腔体内的压力的变化。
20.一种微机电传感器MEMS封装，包括：
被第一腔体密封件封住的第一腔体，其中第一腔体密封件在第一腔体内的第一腔体压力与外部压力之间提供屏障；
被第二腔体密封件封住的第二腔体，其中第二腔体密封件完全位于第一腔体密封件内，以在第二腔体内的第二腔体压力与第一腔体压力之间提供屏障；
MEMS加速度计，位于第二腔体内并且被配置为测量一个或多个线加速度；以及
MEMS陀螺仪，位于第一腔体内并且被配置为测量一个或多个角速度，其中所述MEMS陀螺仪还被配置为感测第一腔体内的压力的变化。
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