CN108369245A - 具有残余电压补偿的mems传感器 - Google Patents

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Abstract

诸如加速度计之类的微机电传感器具有响应于传感器的移动的一个或多个检测质量块，该移动基于一个或多个检测质量块与一个或多个感测电极之间的距离被测量。加速度计具有多个辅助电极和被配置为将具有第一谐波频率的辅助信号应用到多个辅助电极的信号发生器。电路接收来自多个感测电极的感测信号并识别感测信号的具有第一谐波频率的一部分。基于感测信号中的该识别的部分，电路确定残余电压是否存在于一个或多个检测质量块上或一个或多个感测电极上，并且当确定残余电压存在时电路修改加速计的操作以补偿残余电压。

Description

具有残余电压补偿的MEMS传感器
对相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月10日提交的题为“First Harmonic Selftest ForAZAccel Charging Check”的第62/265,889号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请出于所有目的以引用的方式并入本文中。
背景技术
诸如智能电话、智能手表、平板、汽车、空中无人机、家电、飞机、运动辅助设备和游戏控制器之类的众多物品在其操作期间可以利用运动传感器。在许多应用中，诸如加速度计和陀螺仪之类的各种类型的运动传感器可以被独立或共同分析，以确定用于特定应用的变化信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用在游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)中以捕获用户的复杂移动，无人机和其他飞行器可以基于陀螺仪测量结果(例如，滚动、俯仰和偏航)确定方位，以及车辆可以利用测量结果用于确定方向(例如，用于航位推算)和安全性(例如，用来识别打滑或倾翻状况)。
诸如加速度计和陀螺仪之类的运动传感器可以被制造为通过使用半导体制造技术制作的微机电(MEMS)传感器。MEMS传感器可以包括可以响应于诸如线性加速度(例如，用于MEMS加速度计)和角速度(例如，用于MEMS陀螺仪)之类的力的可移动检测质量块(proofmass)。可以基于检测质量块响应于力的移动来测量这些力在可移动检测质量块上的操作。在一些实施方式中，基于形成用于感测运动的电容器的感测电极和可移动检测质量块之间的距离来测量该移动。
每个运动传感器都被校准，使得感测电极的一定电压对应于感测电极和与感测电极相对的可移动检测质量块的平面表面之间的一定分隔距离。检测质量块或感测电极的电压特性的任何异常改变都可能引入误差。
发明内容
在示例性实施例中，用于补偿加速度计上的残余电压的方法包括向与一个或多个检测质量块的一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极应用具有第一谐波频率的辅助信号。该方法可以还包括基于来自与所述一个或多个平面表面相对地定位的一个或多个感测电极的信号来确定感测信号，从感测信号中识别感测信号的具有第一谐波频率的一部分，以及基于感测信号的该部分确定残余电压存在于一个或多个检测质量块上或一个或多个感测电极上。该方法还可以包括基于确定残余电压存在于一个或多个检测质量块上或电极上来修改加速度计的操作。
在示例性实施例中，加速度计包括具有一个或多个平面表面的一个或多个检测质量块，与该一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极，被配置为向该多个辅助电极应用辅助信号的信号发生器，该辅助信号具有第一谐波频率，与该一个或多个平面表面相对地定位的多个感测电极，和被耦合以基于来自所述多个感测电极的信号提供感测信号的电路。在实施例中，电路识别感测信号的具有该第一谐波频率的一部分，并且基于感测信号的该部分确定残余电压存在于一个或多个检测质量块或多个感测电极上。电路可以基于确定残余电压存在于一个或多个检测质量块或多个感测电极上来修改加速度计的操作。
在示例性实施例中，加速度计包括具有一个或多个平面表面的一个或多个检测质量块，与该一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极，以及与该一个或多个平面表面相对地定位并被配置为输出表示电容的信号的多个感测电极。加速度计还可以包括被配置为向多个辅助电极应用辅助信号的第一信号发生器，该辅助信号具有第一谐波频率，以及被配置为向加速度计应用操作信号的第二信号发生器，该操作信号具有不同于第一谐波频率的工作频率。在实施例中，加速度计可以包括被配置为从表示电容的信号中确定感测信号的电路，该电路被配置为识别感测信号的具有第一谐波频率的第一部分，并且被配置为基于该感测信号的第一部分确定残余电压存在于一个或多个检测质量块上或多个感测电极上。该电路还可以被配置为响应于确定残余电压存在于一个或多个检测质量块上或多个感测电极上而补偿残余电压。该电路还可以被配置成识别感测信号的具有操作频率的第二部分并且基于该感测信号的第二部分确定用于加速度计的线性加速度。
附图说明
考虑以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其他特征，其性质和各种优点将更加明显，其中：
图1示出了根据本公开的实施例的说明性运动感测系统；
图2示出了根据本公开的一些实施例的具有围绕锚定点枢转的可移动检测质量块的说明性运动感测系统；
图3示出了根据本公开的一些实施例的在可移动检测质量块已沿着顺时针方向绕锚定点枢转之后的图2的运动感测系统；
图4示出了根据本公开的一些实施例的、具有电路的说明性运动感测系统，该电路感测残余电压何时存在于可移动检测质量块或感测电极上并且补偿这样的残余电压；
图5示出了根据本公开的一些实施例的、具有电路的说明性运动感测系统，该电路感测残余电压何时存在于可移动检测质量块或感测电极上并且补偿这样的残余电压；
图6示出了根据本公开的一些实施例的用于感测残余电压是否存在于运动感测系统的可移动检测质量块或感测电极上的示例性步骤；
图7示出了根据本公开的一些实施例的用于补偿运动感测系统的可移动检测质量块或感测电极上的残余电压的示例性步骤；以及
图8示出了根据本公开的一些实施例的具有沿垂直于基板平面的反相方向移动的可移动检测质量块的说明性运动感测系统。
具体实施方式
MEMS设备由诸如CMOS层、MEMS设备层和覆盖层之类的多个层构成。MEMS设备层包括可移动检测质量块、用于感测检测质量块的位置或方位的至少一个感测电极，以及用于将辅助信号应用到检测质量块的至少一个辅助电极。检测质量块的至少一部分是导电的，使得检测质量块和与检测质量块的平面表面相对的感测电极形成电容器。在操作期间，具有电压的操作信号(在此被称为“操作电压”)被应用到检测质量块或感测电极的导电部分。MEMS设备的运动导致检测质量块相对于感测电极移动，从而改变检测质量块和感测电极之间的距离，并因此改变由检测质量块和感测电极形成的电容器的电容。处理电路基于从感测电极或检测质量块接收的信号测量电容，以确定指示电极移动的值。基于电容的改变，处理电路确定指示MEMS设备的运动(例如，加速度)的运动参数。作为示例，MEMS设备可以形成加速度计或其他类型的运动传感器。
随着时间的推移，残余电荷可能建立在检测质量块上或在感测电极上，生成不期望的静电力和不期望的检测质量块移动。由该残余电荷引起的电压(在此被称为“残余电压”)可以导致由MEMS设备测量的运动参数中的误差。就此而言，MEMS设备被校准使得一定感测信号对应于感测电极与检测质量块之间的一定距离。残余电压的存在影响感测电压，使得其不能精确地反映感测电极和检测质量块之间的实际距离。通常，随着残余电压相对于原始(例如校准的)电压增加，由残余电荷引起的误差增加。
在一些实施例中，辅助电极被用来确定残余电压的存在。就此而言，通过辅助电极将辅助信号应用到检测质量块。辅助信号可以是具有第一谐波频率的交流(AC)信号，该第一谐波频率不同于将操作电压应用到检测质量块或感测电极的信号的频率。如果检测质量块或感测电极上不存在残余电压，则辅助信号不应当生成力或者应当只生成一个小的力，该小的力被赋予以导致检测质量块相对于感测电极的附加移动。在相对于检测质量块和差分AC辅助信号平衡(例如，对称地定位)的感测电极的情况下，辅助信号应当生成检测质量块相对于感测电极的任何前移或移动。然而，如果检测质量块上存在残余电压，则辅助信号会在辅助信号的第一谐波频率处生成导致检测质量块移动的力。通常，残余电压越高，移动越大。
该移动可以基于来自感测电极或检测质量块的信号被测量，该信号被过滤以便将操作信号的频率处的电压与在辅助信号的第一谐波频率或其他频率处的电压隔离。如上所述，处理电路可以在操作信号的频率处使用所接收的信号以便确定运动参数(例如，加速度值)。处理电路可以在辅助信号的频率处使用所接收到的信号，以便检测检测质量块上的残余电压。就此而言，残余电压应当与所测得的对第一谐波频率处的辅助电压的响应成比例。在一些实施例中，处理电路可以被配置为确定表示存在于感测电极上的残余电压量的测量结果。如果该值超过阈值，则处理电路可以被配置为如可能期望的采取一个或多个动作。
作为示例，处理电路可以被配置为生成用于指示MEMS设备的测量结果可能是错误的或不可靠的警告或其他指示。由处理电路提供的信息可用于向用户显示或以其他方式呈现消息，用于警告用户关于来自MEMS设备的读数的潜在不可靠性。在另一个示例中，由处理电路提供的信息可以用于使一个或多个组件或系统不能依靠或使用来自MEMS设备的读数。
在一些实施例中，当确定残余电压超过阈值时，处理电路可以启动补偿程序以便补偿残余电压的存在。作为示例，MEMS设备可以被重新校准以便考虑由处理电路测量的残余电压。在另一个示例中，可以启动程序用于去除或减少检测质量块上的残余电荷。在又一个示例中，电压可以被应用到检测质量块、感测电极或辅助电极上，以便将检测质量块移动一定量，该量抵消由残余电压引起的移动。在其他示例中，可以基于由处理电路检测到的残余电压的量来采取其他动作。
图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统10。虽然在图1中描绘了特定组件，但将理解，对于不同的应用和系统，可以根据需要利用传感器、处理组件、存储器和其他电路的其他合适的组合。如本文所述的实施例中，运动感测系统可以包括至少一个MEMS加速计12和支持诸如处理电路14和存储器16的电路。在一些实施例中，运动处理系统10内可以包括一个或多个附加传感器18(例如，附加MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风，MEMS压力传感器和罗盘)以提供集成运动处理单元(“MPU”)(例如，包括MEMS轴陀螺仪感测的3个轴、MEMS加速度计感测的3个轴、麦克风、压力传感器和罗盘)。
处理电路14可以包括基于运动处理系统10的要求提供必要的处理的一个或多个组件。在一些实施例中，处理电路14可以包括可以集成在传感器的芯片内(例如，在加速度计12或其他传感器18的基板或帽盖上，或者在在芯片的与加速度传感器12或其他传感器18的相邻部分上)的硬件控制逻辑以控制加速度计12或其他传感器18的操作并且施行用于加速度计12或其他传感器18的处理的方面。在一些实施例中，加速计12和其他传感器18可以包括允许修改硬件控制逻辑的操作的方面(例如，通过修改寄存器的值)的一个或多个寄存器。在一些实施例中，处理电路14还可以包括诸如微处理器的处理器，该微处理器执行例如存储在存储器16中的软件指令。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制加速度计12的操作并处理从加速度计12接收的信号。微处理器可以以类似的方式与其他传感器交互。
虽然在一些实施例(图1中未描绘出)中，加速度计12或其他传感器18可以直接与外部电路通信(例如，经由串行总线或到传感器输出和控制输入的直接连接)，但是在实施例中，处理电路14可以处理从加速度计12和其他传感器18接收的数据并且经由通信接口20(例如，SPI或12C总线，或者在汽车应用中，控制器区域网络(CAN)或本地互联网络(LIN)总线)与外部组件通信。处理电路14可以将从加速计12和其他传感器18接收到的信号转换到适当的测量单元(例如，基于由通过通信总线20通信的其他计算单元提供的设置)并且施行更复杂的处理以确定诸如方位或欧拉角之类的测量结果，并且在一些实施例中，根据传感器数据确定特定活动(例如行走、跑步、制动、打滑、滚动等)是否正在发生。
在一些实施例中，可以在可被称为传感器融合的过程中基于来自多个加速度计12和传感器18的数据来确定某些类型的信息。通过结合来自各种传感器的信息，可能准确地确定在诸如图像稳定、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他应用之类的各种应用中有用的信息，
示例性MEMS加速计(例如，加速度计12)可以包括以允许MEMS加速计沿轴线测量线性加速度的方式被配置的一个或多个可移动检测质量块。在一些实施例中，一个或多个可移动检测质量块可以从锚定点悬挂，悬挂点可以指MEMS传感器的固定的任何部分，诸如从平行于设备的MEMS层的层(例如，CMOS层)延伸的锚，设备的MEMS层的框架，或相对于可移动检测质量块固定的MEMS设备的任何其它合适部分。检测质量块可以以某种方式被布置，使得它们响应于线性加速度而移动。测量质量块响应于线性加速度的相对于固定表面(例如，固定电极)的移动被测量和缩放，以确定线性加速度或一些其他运动参数。
图2描绘了根据本公开的一些实施例的被配置为感测残余电压的说明性运动感测系统30。虽然描绘并以图2中的特定方式配置了特定组件，但将理解，运动感测系统30可以包括其他合适的组件和配置。
在图2的实施例中，系统30被实现为由多个接合半导体层构成的MEMS设备，诸如MEMS加速计。虽然MEMS设备可以以各种方式构造，但是在实施例中，MEMS设备可以包括在某些点处接合在一起以形成密封封装的基板220、MEMS层210和覆盖层230。虽然CMOS电路可以位于设备的其他部分中，诸如覆盖层230，但是基板220可以包括CMOS电路并且形成MEMS设备的CMOS层。示例性MEMS层可以通过使用半导体制造技术被生产以构造用于诸如MEMS传感器(例如加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风等)之类的应用中的微机械组件。示例性CMOS层可以提供CMOS层内的电子组件和设备的集成，并且还可以提供这些组件之间的互连。在一些实施例中，MEMS层210的组件可以是导电的，并且可以提供MEMS层和CMOS层的组件之间的互连。作为示例，CMOS层内的电路可以将MEMS层的电子组件(例如电极或可移动检测质量块)电耦合到处理电路14或其他电子组件。
在示例性实施例中，MEMS层210可以包括至少一个锚定点41和至少一个可移动检测质量块44，该可移动检测质量块附接到锚定点41并悬挂在基板220上方。锚定点41可以固定地附接(例如，接合)到基板220的平面表面并从其延伸。锚定点41和可移动检测质量块44可以由导电材料构成，并且可移动检测质量块44可以布置成绕着锚定点41枢转，使得检测质量块44的一端向上倾斜，而另一端向下倾斜。因此，当检测质量块表面的一侧远离基板220移动时，在相对端的检测质量块表面的另一侧移向基板220。图3示出了已绕着锚定点41沿顺时针方向枢转之后的检测质量块44。在实施例中，锚定点41被电耦合到信号发生器49(图4)，例如电压源，信号发生器49通过锚定点41向检测质量块44应用操作信号。在其他实施例中，锚定点41可以位于其他组件上，诸如覆盖层230或MEMS层210的延伸部分，并且一个或多个检测质量块的不同类型的相对运动可以基于所使用的锚的类型以及MEMS层210内的组件(诸如质量块、弹簧、杠杆和其他耦合件)的配置来实现。
系统30还可以包括至少一个感测电极，其与检测质量块44一起形成电容器。在一些实施例中，信号发生器49(未描绘出)可被耦合到感测电极以将操作信号应用到感测电极。图2的示例性实施例示出了位于锚定点41的相对侧上的基板220的平面表面上的两个感测电极52和53，但是在其他实施例中，感测电极的其他数量和布置是可能的。传感电极52和53的每一个都面向悬挂在基板220上方的检测质量块44的相对表面。通过使用这些传感电极52和53，检测质量块44的位置被电容性地感测。就此而言，感测电极52与检测质量块之间的电容的值可以被感测以便确定检测质量块44距感测电极52的距离，并且感测电极53与检测质量块44之间的电容的值可以被感测，并且感测电容可以被用来生成感测信号以便确定检测质量块44距感测电极53的距离。在示例性实施例中，存储器16(图1)存储由处理电路14使用的数据以便将感测电压转换成运动的测量结果，例如加速度。该数据可以在制造过程中或者在其他时间被校准，使得检测质量块44的一定运动对应于所测量的运动参数(例如，加速度)中的一定改变。在一些实施例中，该校准还可以对应于初始残余电压，该初始残余电压可能存在于感测电极或检测质量块中的任一个上，并且可能不会导致检测质量块44在没有线性加速度的情况下基本上平衡。
如图2所示，系统30还可以包括辅助电极62和63，其用于向检测质量块44应用辅助信号。虽然辅助电极可以位于相对于检测质量块44的各种位置和方位，但是在实施例中，辅助电极62和63的每一个可以位于基板220的平面表面上并面向悬挂在基板220上方的检测质量块44的相对表面。辅助电极62和63可以被耦合到信号发生器66(图4)，信号发生器66生成具有与被应用到检测质量块44或感测电极52和53的操作信号的频率不同的第一谐波频率的AC信号(例如，差分AC信号)。作为示例，信号发生器66可以包括电压源。
辅助信号的频率可以充分不同于操作信号的频率，以允许从信号发生器49生成的操作信号中分离出辅助信号，如下将更详细地描述。在一些实施例中，辅助信号的至少第一谐波频率和第二谐波频率都远离MEMS设备(例如，加速度计)的共振频率5％以上。在至少一个实施例中，辅助信号的至少第一谐波频率和第二谐波都小于MEMS设备(例如，加速度计)的共振频率的一半。在一些实施例中，辅助信号的第一谐波频率大于MEMS设备(例如，加速度计)的共振频率。在其他实施例中，辅助信号的第一和第二谐波频率的其他值是可能的。
如本文中所描绘和描述的，在实施例中，辅助电极可以被以某种方式相对于检测质量块44定位，使得在正常操作条件下由于所应用的辅助信号而产生的任何力被平衡，例如，基于加速度计MEMS层组件的平衡(例如，对称的)构造。在实施例中，并且根据检测质量块和辅助电极的配置和相对位置，辅助电压可以以各种方式被提供给辅助电极，诸如具有共同相位和幅度的差分信号(例如，导致平衡加速度计配置中的平衡力)。在其它实施例中，辅助信号可以作为共模信号应用，例如用于某些不平衡的配置。
如图4所示，感测电极52和53中的每一个被电耦合到感测电路71。在实施例中，感测电路71可以接收表示由感测电极52和检测质量块44的第一部分形成的第一电容的信号，以及表示由感测电极53和检测质量块44的第二部分形成的第二电容的信号。信号可以由感测电路71处理以输出基于感测电容的电信号(例如，电压或电流)。在实施例中，感测电路可以包括作为输入的具有感测电容信号的差分电荷放大器，并且可以输出基于(例如，成比例于)感测电容之间的差异的感测信号。
感测电路71可以连接到多个滤波器，诸如分别电耦合到测量节点91和92的带通滤波器81和82。虽然滤波器在本文中被描绘和描述为提供期望的滤波以提取感测信号的具有特定频率的部分，但是在一些实施例中，诸如在测量节点处的感测电路可识别相关频率处的信息而不去除其他频率信息，例如原始感测信号或经历先前噪声过滤的信号。测量节点可以是用于测量信号或电压的任何合适的组件，诸如放大器、滤波器、模数转换器、频率滤波器等。测量节点还可以包括处理电路(例如，硬件控制逻辑和/或其他处理电路14)以将接收到的信号与阈值进行比较或施行其他信号分析，诸如测量对不同电压或信号的响应。
滤波器81允许传递来自信号发生器49的操作信号的频率处(在此被称为“操作频率”)的能量，同时阻止至少包括辅助信号的第一谐波频率的其他频率处的能量。因此，测量节点91接收在至少包括操作频率的频带内的来自感测电路71的感测信号的一部分，并向处理电路14提供指示该感测电压的值。此外，滤波器82允许辅助信号的第一谐波频率处的能量传递，同时阻止至少包括操作频率的其他频率处的能量。因此，测量节点92感测在至少包括辅助信号的第一谐波频率的频带内的来自感测电路72的感测信号的一部分，并向处理电路14提供指示该感测电压的值。
如上所述，信号发生器49被配置为向可移动检测质量块44应用操作信号。然而，将理解，在其他实施例中(本文未描绘出)，信号发生器49可以将操作信号应用到感测电极52和53。在一个实施例中，该操作信号是具有与由信号发生器66应用的辅助信号的第一谐波频率不同的频率的AC信号。可移动检测质量块44和感测电极52和53形成用于电容性感测检测质量块44的移动的电容器。就此而言，来自系统30的移动的作用在系统30上的力(例如，加速度)导致检测质量块44围绕锚定点41枢转，生成在操作频率处被调制的信号。检测质量块44沿顺时针方向的枢转通常增加检测质量块44与感测电极52之间的距离并且减小检测质量块44与感测电极53之间的距离。检测质量块44以逆时针方向的枢转通常减小检测质量块44与感测电极52之间的距离并且增加检测质量块44与感测电极53之间的距离。检测质量块44相对于感测电极52的移动影响电极52和53的电容，其导致感测电路71生成基于检测质量块的移动的感测信号。
如上所述，感测信号被分别提供给滤波器81和82中的每一个以传递操作信号和辅助信号。被过滤以优化工作频率上的频率含量的信号被传递到测量节点91，测量节点91施行对被滤波的信号的测量和/或分析并且向处理电路14提供输出。被滤波以优化辅助频率上的频率含量的信号被传递到测量节点92，测量节点92施行对被滤波的信号的测量和/或分析并且向处理电路14提供输出。虽然在本公开的上下文中，感测电路71、滤波器81和82以及测量节点91和92可以被描述为与处理电路14分开定位，但是将理解，这些组件中的一些或全部可以是处理电路的一部分，例如在MEMS设备的CMOS层内。处理电路14被配置为将节点91和92的测量结果转换成诸如加速度之类的运动参数的测量结果。
随着时间的推移，残余电荷可能建立在检测质量块44和/或感测电极52和53上，由此将误差引入到系统30中。具体地，由于残余电压，可能生成不期望的静电力，该静电力可能改变检测质量块的位置并生成不正确的读出。
在一些实施例中，处理电路14被配置为通过使用由信号发生器66应用到检测质量块44的辅助信号来检测残余电荷的存在。在示例性实施例中，在两个辅助电极62和63上应用差分电压，其中在辅助电极62上应用第一极性辅助信号V1H，并且在辅助电极63上应用相反极性辅助信号V1H，并且DC电压值等于检测质量块44上的平均电压VPM。辅助电极62上的电压将由以下等式表示：
V1HP＝VPM+VlHsin(Ω1Ht) (1)
其中Ω1H是来自信号发生器66的AC电压信号的第一谐波频率。
辅助电极63上的电压将由以下等式表示：
V1HN＝VPM-VlHsin(Ω1Ht) (2)
其中Ω1H是来自信号发生器66的AC电压信号的第一谐波频率。
如果检测质量块44上的残余电压不存在，则来自电压发生器66的辅助信号不生成导致检测质量块44移动的力。就此而言，当在检测质量块44上不存在残余电压时，由通过辅助电极62应用辅助信号而施加在检测质量块44上的静电力(F1HP)由以下等式表示：
F1HPαV1H 2sin2(Ω1Ht)＝1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht)) (3)
此外，当在检测质量块44上不存在残余电压时，由通过辅助电极63应用辅助信号而施加在检测质量块44上的静电力(F1HN)由以下等式表示：
F1HNαV1H 2sin2(Ω1Ht)＝1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht)) (4)
因此，F1HP抵消F1HN，导致没有来自辅助信号的应用到检测质量块44的净力。即，当检测质量块上不存在残余电压时，由应用辅助信号而施加在检测质量块44上的总静电力(F1H)由以下等式表示：
F1H＝F1HP-F1HN＝0 (5)
因此，如果没有残余电压存在，则测量节点的电压测量结果应当接近于零。
然而，如果检测质量块44上的残余电压(Vres)存在，则来自电压发生器66的辅助信号生成导致检测质量块44移动的力。在这样的情况下，由通过辅助电极62应用辅助信号而施加在检测质量块44上的静电力(F1HP)由以下等式表示：
F1HP∝V1HP 2＝1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht))+Vres 2+2VresV1Hsin(Ω1Ht) (6)
此外，由通过辅助电极63应用辅助信号而施加在检测质量块44上的静电力(F1HN)由以下等式表示：
F1HN∝V1HN 2＝1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht))+Vres 2－2VresV1Hsin(Ω1Ht) (7)
因此，用于总静电力(F1H)的等式变为：
F1H＝F1HP-F1HN＝1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht))-1/2V1H 2(1-cos(2Ω1Ht))+Vres 2-Vres 2+2VresV1Hsin(Ω1Ht)-2VresV1Hsin(Ω1Ht)＝4VresV1Hsin(Ω1Ht) (8)
因此，如果残余电压存在，则在测量节点92处所测量的电压将不为零。此外，由测量节点92测量的电压的幅度将与残余电压成比例，使得节点92的测量结果指示残余电压的幅度。
在一些实施例中，处理电路14可将来自测量节点92的电压测量结果(例如，辅助频率处的感测信号的部分的测量结果)与至少一个预定阈值进行比较，并且当阈值被超过时检测残余电压的存在。与节点92的输出(或在节点92处)相比较的阈值可以对应于残余电压影响设备性能的最小值，例如，基于总偏移指标。例如，第一阈值可以对应于总偏移指标的50％，而第二阈值可以对应于总偏移指标的100％。第一阈值可以对应于补偿操作，而第二阈值可以对应于损坏的设备以及需要警报和关闭加速度计。
处理电路14可以被配置为响应于残余电压的检测而采取各种动作中的任何一种。作为示例，处理电路14可以经由通信接口20(图1)向外部组件(未示出)或系统发送警告信号。可以以各种方式使用这样的警告信号。例如，可以向用户显示警告消息，通知用户系统30的测量结果可能是错误的。在另一个示例中，可以使一个或多个外部组件或系统不能使用系统30的测量结果。在其他实施例中，可以响应于由处理电路14提供的警告信号而采取其他动作。
当检测到残余电压的存在时，处理电路14可以采取至少一些动作来尝试针对残余电压补偿系统30，由此消除或减少残余电压的作用。作为示例，在处理电路14的指导和控制下，可以将直流(DC)电压信号应用到检测质量块44以补偿残余电压。就此而言，处理电路14可以被耦合到补偿电路101(图4)，诸如DC电压源，其被配置为将补偿信号(例如，DC电压、AC信号或其组合)应用到检测质量块44。如图4所示，这样的补偿电路101可以通过锚定点41被电耦合到检测质量块44。然而，补偿电路101可以被配置为以其他方式将补偿信号应用到检测质量块44。作为示例，补偿电路101可以被电耦合到电极52、53、62或63中的任一个，用于通过一个或多个这样的电极将补偿信号应用到到检测质量块44。当处理电路14检测到残余电压的存在时，处理电路14可以被配置为适当地控制补偿电路101以应用足够幅度的补偿信号以便补偿残余电压。
在控制补偿电路101时，处理电路14可以使用来自辅助信号的反馈以便控制补偿信号的幅度或其他特性。作为示例，处理电路14可以使用节点91和92的测量结果作为反馈用于控制补偿信号的电压以便驱动这样的测量结果到零或至少低于预定阈值。例如，处理电路14可以增加补偿电路101的输出电压，直到节点91和/或92的电压测量结果下降到阈值以下。在其他实施例中，用于控制用于补偿残余电压的补偿电路101的其他算法是可能的。
注意，补偿电路101可以被电耦合到任何数量的电极。作为示例，补偿电路101可以电耦合到锚定点41的一侧上的至少一个电极52和62以及锚定点41的相对侧上的至少一个电极53和63。图5示出了被电耦合到感测电极52和53的补偿电路101，用于根据检测质量块44的位置选择性地将补偿信号应用到电极52或53中的至少一个。就此而言，根据残余电压导致检测质量块44倾斜的方向，补偿电路101可以通过适合于在移动检测质量块44上施加力的至少一个电极52或53应用补偿信号，该力倾向于将检测质量块44移动回中性位置(即，远离由残余电压引起的倾斜方向)。即，补偿信号可以用于调节检测质量块44的位置，使得残余电压对检测质量块44的位置的作用被补偿信号的作用抵消。在其他实施例中，补偿电路101可以被耦合到诸如辅助电极62和63的其他电极，用于类似地控制检测质量块44的位置，以补偿残余电压的作用。在进一步的实施例中，区别于感测电极和辅助电极的多个补偿电极可以相对于检测质量块44定位(例如，在检测质量块44下面的平面上对称平衡)，并且补偿信号可以被提供给补偿电极。
在一些实施例中，处理电路14可以被配置为基于由系统30感测的残余电压来调整运动参数的测量结果。作为示例，处理电路14可以调整缩放因子或其他数据以便考虑由系统30感测的残余电压的量。就此而言，处理电路14可以被配置为在将这些(从测量节点91和92接收的)电压测量结果转换成由系统30提供的运动参数(例如，加速度)的测量结果时，将缩放因子与从测量节点91和92接收的电压测量结果相乘或以其他方式组合。基于由系统30检测到的残余电压的量，处理电路14可以被配置为调整缩放因子以考虑残余电压。可替代地，由处理电路14用于将节点91和92的电压测量结果转换成运动参数的测量结果的数据可以基于感测到的残余电压由处理电路14自动地重新校准，以致力于考虑已积聚在检测质量块44上的残余电荷。
在另外其他实施例中，处理电路14可响应于残余电压的检测用于采取至少一个动作来去除或减少已积聚在检验质量块44上的残余电荷。作为示例，处理电路14可以控制检测质量块44到至少一个电组件的连通性，用于释放已积聚在检测质量块44上的残余电荷。
注意，系统30可以被配置为在任何时间运行用于感测残余电压的测试，包括在用于感测运动参数的系统30的操作期间。就此而言，如上所述，由信号发生器66生成的辅助信号具有与由信号生成器49生成的操作信号的频率不同的频率。因此，通过使用滤波器，由辅助信号引起的电压可以与操作信号所引起的电压分开，从而允许系统30对运动参数进行测量，同时检查检测质量块44上的残余电压的存在。
图6描绘了根据本公开的一些实施例的感测可移动检测质量块和/或感测电极的残余电压的示例性步骤。在图6的上下文中，将在图4或图5的示例性平衡加速度计的上下文中描述这些步骤。然而，将理解，图6的步骤可类似地被应用于其他陀螺仪设计和配置。
在步骤201处，信号发生器66生成具有与由信号发生器49产生的操作信号的频率不同的第一谐波频率的辅助信号。该辅助信号可以经由辅助电极62和63被应用到检测质量块44。如果在质量块44或感测电极52和53上没有残余电压，则由在辅助电极63上应用辅助信号而引起的力抵消由在检测质量块44的相对端处在辅助电极62上应用辅助信号所引起的力。例如，在电极62上应用辅助信号可以生成倾向于将检测质量块44拉到电极62的静电力，并且在电极63上应用辅助信号可以生成倾向于将检测质量块44拉到电极63的静电力。在这样的实施例中，静电力可以基本上相等并且在检测质量块44的相对端处，使得经由信号发生器66被应用到检测质量块44的净力不存在。在这样的情况下，检测质量块44上辅助信号的应用不应在辅助信号的第一谐波频率处引起感测信号变化。然而，如果在检测质量块44或感测电极52和53上存在残余电压，则由辅助信号引起的力不会完全抵消，至少在辅助信号的第一谐波频率处导致作用在检测质量块44上的有限力。
在步骤205处，来自感测电极52和53的电容信号可以被提供给感测电路71。感测电路71可以输出可以基于检测质量块44的移动的感测信号(例如，作为在诸如差分电荷放大器之类的电路处感测到的电容变化的结果)。感测信号可以被提供给滤波器81和82。
在步骤209处，滤波器81和82中的每一个都接收感测信号。滤波器81可被配置(例如，具有通带)对应于操作频率，而滤波器82可对应于辅助频率。这些信号中的每一个都可以被供应给相应的测量节点91用于操作频率感测的信号并且供应给(测量节点)92用于辅助频率感测的信号。处理电路14从节点91和92中的每一个接收指示由相应的测量节点91和92所感测的电压的值。基于与测量节点92处的辅助频率相关联的值，在步骤215处处理电路14确定在质量块44或感测电极52和53上是否存在残余电压(例如，影响设备性能的电压)。作为示例，处理电路14可将从测量节点92接收的辅助频率感测的信号与阈值进行比较，并且如果该辅助频率感测的信号超过阈值，则确定存在残余电压。否则，处理电路14可以确定当前在质量块44或感测电极52和53上不存在残余电压。
如果处理电路14确定存在残余电压，则在步骤222处处理电路14可以响应于残余电压的存在而施行至少一个预定动作。作为示例，处理电路14可以发送警告消息来警告用户或外部组件或系统存在残余电压或由残余电压导致的可能的误差。在另一个示例中，处理电路14可以采取一个或多个校正动作来补偿残余电压，诸如调整来自测量节点91和92的测量结果，将补偿信号作用到检测质量块44，或者尝试释放导致残余电压的质量块44上的残余电荷。
注意，图6所示的步骤可以按照所期望的经常重复，并且还可以在系统30基于由信号发生器49生成的操作信号和经由滤波器81和测量节点91接收的操作频率感测信号进行运动参数(例如加速度)的测量时被施行。
图7描绘了基于来自辅助信号的反馈来补偿残余电压的示例性步骤。当处理电路14确定存在残余电压时，可以施行图7的处理。作为示例，图7的处理可以用于实现图6的步骤222。
在图7的步骤301处，处理电路14控制补偿电路101以便向可移动检测质量块44或其他电极(例如，感测电极、辅助电极或补偿电极)应用补偿信号。在步骤306处，处理电路14确定在应用补偿信号之后残余电压作用是否仍然存在。注意，处理电路14可以通过应用辅助信号来做出这样的确定，如以上参照图6所述。
如果不存在残余电压作用，则处理结束。否则，在步骤311处，处理电路14控制补偿电路101以调整补偿信号的电压。作为示例，补偿信号的电压可以被增加预定量或基于在步骤306感测到残余电压量的量。在补偿信号被调整之后，在步骤306处，处理电路14再次确定是否仍然存在残余电压作用。补偿信号的电压可以被重复调整直到处理电路14确定无残余电压作用留下。
在上述各种实施例中，辅助信号被描述为通过辅助电极62和63被应用到可移动质量块44并且通过利用感测电极52和53被感测。然而，应当强调，辅助信号可以通过任何电极被应用或者被任何电极感测。作为示例，如果期望，辅助信号可以通过一个或多个感测电极52和53被应用到检测质量块44，并且被辅助电极62和63或系统30中的任何其他电极感测。由于辅助信号在与用于确定检测质量块44的位置的操作信号不同的频率处，因此通过将辅助信号应用到感测电极52和53可能不会引入误差。
如上所述，响应于确定在检测质量块44或感测电极上存在残留电压，可以采取各种类型的校正动作来修改MEMS设备的操作。在一些实施例中，处理电路14可以被配置为基于由系统30感测到的残余电压量来选择采取的期望动作。可以将辅助频率感测信号的测量结果与多个阈值进行比较，并且所选择的校正动作的类型可以取决于测量结果超过阈值的程度。作为示例，处理电路14可以将辅助频率感测信号的测量结果与至少两个阈值进行比较。如果在不超过上限阈值的情况下超过下限阈值，则处理电路14可以采取一个动作(例如，发送警告消息)，但是如果超过上限阈值，则处理电路14可以被配置为采取不同的动作，诸如尝试补偿剩余电荷(例如，通过释放检测质量块18，调整测量结果或施行一些其他校正动作)。
注意，处理电路14不需要每次采取校正动作时都以相同的方式修改MEMS设备的操作。作为示例，处理电路14可以基于超过哪个阈值来改变所采取的校正动作的类型或者MEMS设备特性被调整的程度。就此而言，对于残余电压测量结果，处理电路14可以将测量结果与分别与不同调整相关的多个阈值进行比较。例如，一个阈值可以与第一缩放因子相关联，并且另一个阈值可以与第二缩放因子相关联。在接收到感测信号之后，处理电路14可以将多个阈值与信号的具有辅助信号的第一谐波频率的部分进行比较，以确定这样的部分超过的最大阈值。处理电路14然后可以被配置为在处理具有来自信号发生器49的操作信号的频率的来自测量节点91的信号时使用与这样的阈值相关联的缩放因子。在随后的时间，处理电路14可以施行相同的处理但是确定另一个阈值现在是超过的最大值，并且因此在处理来自测量节点91的信号时使用与该阈值相关联的新的缩放因子。在这样的示例中，处理电路14通过使用新的缩放因子(即，与现在超过的最大阈值相关联的缩放因子)有效地调整应用到MEMS设备的修改。
在其他实施例中，处理电路14可以基于超过的最大阈值进行其他类型的改变。作为示例，处理电路14可以响应于确定第一阈值是所超过的最大阈值而调整缩放因子，并且随后尝试释放检测质量块44或者响应于确定不同的阈值是所超过的最大值而调整检测质量块44的位置
还应当强调，上述用于感测残余电压和补偿残余电压的技术可以与各种类型的传感器一起使用。作为示例，图8示出了响应于Z方向上的线性加速度的加速度计800的俯视图和侧视图。加速度计800包括两个检测质量块PM1 802B和PM2 802A，其通过沿垂直于基板806的平面的反相方向移动而响应于Z方向上的线性加速度。反相移动受到两个检测质量块PM1 802B和PM2 802A与基板806之间的柔性耦合件的约束。柔性耦合件包括两个分开的锚定点A1 810A和A2 810B、两个中心扭转弹簧B1 814A和B2 814B，两个扭转杠杆L1 816A和L2816B以及四个外部扭转弹簧B11 818A、B21 818B、B12 818C和B22818D。加速度计800的运动由检测质量块上的平面外换能器测量，例如一组电容差分感测电极820A-820D。
弹簧B1 814A和B2 814B将锚定点A1 810A和A2 810B连接到杠杆L1 816A和L2816B。四个外部扭转弹簧B11 818A、B21 818B、B12 818C和B22 818D通过两个检测质量块PM1 802B和PM2 802A将一个杠杆的末端连接到相对侧另一个杠杆的末端。具体而言，弹簧B11 818A将左侧杠杆L1 816A的顶部连接到内部检测质量块PM1802B，该内部检测质量块PM1 802B通过弹簧B22 818D连接右侧杠杆L2 816B的底部。以相同的方式，左侧杠杆L1816A的底部通过弹簧B12 818C和B22 818D耦合到右侧杠杆L2 816B的顶部。
为简单起见，假定检测质量块在中心弹簧(B1 814A和B2 814B)轴上有重心，并且外部弹簧(B12 818C、B21 818B、B11 818A和B22 818D)正交于该轴、距重心相同距离地耦合到检测质量块上。下文将描述更一般的情况。
Z方向的线性加速度将为每个检测质量块产生Z方向的力：
FPM1＝m1a (9)
FPM1＝m2a (10)
其中m1和m2分别是PM1 802B和PM2 802A的质量块。在每一个检测质量块上，该力的一半作用于外部弹簧(用于PM1 802B的B11 818A和B22 818D和用于PM2 802A的B21 818C和B21 818B)中的每一个。最后，该力传递到杠杆的极端，因此在杠杆的中心有一个转矩，该转矩是该力乘以PM1 802B和PM2 802A的杠杆的差值：
其中PM1的杠杆长度lPM1是弹簧B11 818A到B1 814A和B22 818D到B2 814B的距离，lPM2是弹簧B12 818C到B1 814A和B21 818B到B2 814B的距离。转矩M导致中央弹簧和两个杠杆反相旋转，并且因此一个检测质量块朝基板移动，且另一个质量块朝相反方向移动。
为了导致反相运动，必须有不平衡转矩M。该不平衡转矩M可以由质量差(m1≠m2)、由杠杆差(lPM1≠lPM2)，或者由质量杠杆乘积的差(m1lPM1≠m2lPM2)给出。
在更通常的示例中，其中质量的重心没有位于弹簧轴上或者外部弹簧没有正交于该轴、距重心相同距离地耦合到检测质量块上，除了Z方向的力以外，加速度还产生转矩。在该情况下传感器的结构也会旋转。传感器还包括用来测量传感器的运动的换能器。例如，可以通过基板上的感测电极820A-820D来执行电容感测，该感测电极测量由于质量块运动引起的电容变化。
如图8所示，辅助电极830A-830D可以位于每个锚定点的相对侧上，类似于上文针对图2所述的实施例，以便将辅助信号应用在每个检测质量块的相对侧上。通过使用上述技术，将辅助信号应用到检测质量块上或以其他方式可用于感测检测质量块上或面向检测质量块的电极上的残余电压并且，如果期望，补偿任何这样的残余电压。在另外其他实施例中，本文所述的技术可以用于感测其他类型的传感器的残余电压，并且还可以补偿这样的残余电压。
以上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，而非限制的目的。应该理解，本公开可以以与本文中所明确描述和描绘的形式不同的形式实现，并且本领域的普通技术人员可以实现各种修改、优化和变化，这与以下权利要求一致。

Claims (20)

1.一种用于补偿加速度计上的残余电压的方法，包括：
向与一个或多个检测质量块的一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极应用具有第一谐波频率的辅助信号；
基于来自与所述一个或多个平面表面相对地定位的一个或多个感测电极的信号来确定感测信号；
从所述感测信号中识别所述感测信号的具有所述第一谐波频率的一部分；
基于所述感测信号的所述部分确定所述残余电压存在于所述一个或多个检测质量块上或所述一个或多个感测电极上；以及
基于确定所述残余电压存在于所述一个或多个检测质量块上或电极上来修改所述加速度计的操作。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述残余电压存在包括将所述感测信号的所述部分的幅度与第一阈值进行比较。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一阈值对应于所述残余电压影响设备性能的最小值。
4.如权利要求1所述的方法，其中确定所述残余电压存在包括将所述感测信号的所述部分的幅度与多个阈值进行比较，并且其中修改所述加速度计的所述操作包括基于所述多个阈值中被超过的最大阈值采取不同形式的校正动作。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述不同形式的校正动作包括改变比例因子，在所述多个辅助电极中的一个或多个处应用补偿电压，或者在所述一个或多个感测电极中的一个或多个处应用补偿电压。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
在所述修改之后第二次应用所述辅助信号；
基于所述辅助信号第二次接收第二感测信号；
从所述第二感测信号中识别所述感测信号的具有所述第一谐波频率的第二部分；以及
基于所述感测信号的所述第二部分调整所述修改。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第一谐波频率小于用于所述加速度计的共振频率的一半。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一谐波频率的二次谐波小于用于所述加速度计的共振频率的一半。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一谐波频率大于用于所述加速度计的共振频率。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一谐波频率和第二谐波频率都远离用于所述加速度计的共振频率多于5％。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述多个辅助电极和所述一个或多个感测电极位于基板的平面表面上。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述一个或多个检测质量块移动使得当所述一个或多个平面表面中的至少一个移向所述基板的所述平面表面时，所述一个或多个平面表面中的至少一个沿相反的方向移动。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述多个辅助电极包括两个辅助电极，并且其中所述两个辅助电极位于所述基板的面向所述一个或多个检测质量块的所述一个或多个平面表面的平面表面上。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个感测电极包括两个感测电极，并且其中所述两个感测电极位于所述基板的面向所述一个或多个检测质量块的所述一个或多个平面表面的平面表面上。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述第一辅助电极和所述第二辅助电极相对于所述检测质量块定位，使得所述检测质量块相对于所述第一辅助电极和所述第二辅助电极对称，并且其中应用到所述第一辅助电极的所述辅助信号和应用到所述第二辅助电极的所述辅助信号是AC差分信号。
16.如权利要求1所述的方法，其中应用到所述多个辅助电极中的第一辅助电极的所述辅助信号具有第一极性，并且其中应用到所述多个辅助电极中的第二辅助电极的所述辅助信号具有与所述第一极性相反的极性。
17.一种加速度计，包括：
具有一个或多个平面表面的一个或多个检测质量块；
与所述一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极；
被配置为将辅助信号应用到所述多个辅助电极的信号发生器，所述辅助信号具有第一谐波频率；
与所述一个或多个平面表面相对地定位的多个感测电极；以及
被耦合以基于来自所述多个感测电极的信号来提供感测信号的电路，其中所述电路识别所述感测信号的具有所述第一谐波频率的一部分，并基于所述感测信号的所述部分确定残余电压存在于所述一个或多个检测质量块或所述多个感测电极上，并且其中所述电路基于确定所述残余电压存在于所述一个或多个检测质量块或所述多个感测电极上来修改所述加速度计的操作。
18.一种加速度计，包括：
具有一个或多个平面表面的一个或多个检测质量块；
与所述一个或多个平面表面相对地定位的多个辅助电极；
与所述一个或多个平面表面相对地定位并被配置为输出表示电容的信号的多个感测电极；
被配置为将辅助信号应用到所述多个辅助电极的第一信号发生器，所述辅助信号具有第一谐波频率；
被配置为将操作信号应用到所述加速度计的第二信号发生器，所述操作信号具有不同于所述第一谐波频率的操作频率；以及
被配置为从表示所述电容的信号中确定感测信号的电路，所述电路被配置为识别所述感测信号的具有所述第一谐波频率的第一部分，并且基于感测信号的所述第一部分，确定残余电压存在于所述一个或多个检测质量块上或所述多个感测电极上，其中所述电路还被配置为响应于确定所述残余电压存在于所述一个或多个检测质量块上或所述多个感测电极上来补偿所述残余电压，并且其中所述电路还被配置为识别所述感测信号的具有所述操作频率的第二部分并且基于所述感测信号的所述第二部分来确定用于所述加速度计的线性加速度。
19.如权利要求18所述的加速度计，其中所述操作信号被应用到所述多个感测电极。
20.如权利要求18所述的加速度计，其中所述操作信号被应用到所述一个或多个检测质量块。
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