CN109425332B - 调节驱动频率和感测频率之间的失配的mems陀螺仪 - Google Patents

调节驱动频率和感测频率之间的失配的mems陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本公开涉及调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪可包括支撑结构以及在相互垂直的驱动方向和感测方向上从支撑结构弹性悬挂的移动质量。驱动结构耦合至移动质量，用于控制移动质量在驱动方向上以驱动频率进行的驱动移动。与驱动结构不同的驱动频率调谐电极面向移动质量。驱动频率调谐器电耦合至驱动频率调谐电极，用于向驱动频率调谐电极提供调谐电压。

Description

调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月5日提交的意大利专利申请第102017000099412号的优先权，其内容通过引证引入本文。
技术领域
本发明涉及调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪。
背景技术
众所周知，MEMS(微机电系统)由于其尺寸小、与消费者应用兼容的成本以及日益增长的可靠性而越来越多地用于各种应用。具体地，使用这种技术，制造惯性传感器，诸如微集成陀螺仪和机电振荡器。
这种类型的MEMS器件通常包括支撑主体以及悬挂在支撑主体之上并且通过弹簧或“弯曲部”耦合至支撑主体的至少一个移动质量。弹簧被配置为能够使移动质量根据一个或多个自由度相对于支撑主体振荡。在具有电容型的驱动和感测的MEMS器件中，移动质量电容性地耦合至多个固定电极，这些固定电极相对于支撑主体固定，由此形成具有可变电容的电容器。当MEMS器件作为传感器工作时，由于作用于其上的力的作用，移动质量相对于固定电极的移动改变电容器的电容。通过测量这种变化，可以检测移动质量相对于支撑主体的位移，并且基于位移可以检测与引起位移的力(例如，振幅)相关联的各种参数。相反，当MEMS器件作为致动器工作时，在移动质量和支撑主体之间施加适当的偏置电压，例如通过驱动电极。因此，移动质量受到引起其期望移动的静电力。
在MEMS传感器中，陀螺仪尤其具有复杂的机电结构，其典型地包括相对于支撑主体可移动的至少两个质量，它们彼此耦合以根据系统的架构而具有多个自由度。在大多数情况下，每个移动质量都具有一个或最多两个自由度。移动质量通过感测电极和驱动电极电容性的耦合至支撑主体。
在具有两个移动质量的实施例中，第一移动质量专用于驱动，并且以受控振荡幅度的谐振频率下保持振荡。第二移动质量通过第一移动质量的振荡(平移或旋转)运动被驱动，并且在微结构以角速度围绕陀螺仪轴旋转的情况下，受到与角速度成比例并且垂直于驱动方向的科里奥利力。在实践中，第二(被驱动)移动质量用作加速计，其能够检测科里奥利力并检测角速度。
在另一实施例中，单个移动质量耦合至支撑主体，并且能够以两个独立的自由度相对于支撑主体移动。在这种情况下，一个自由度用于驱动，并且一个自由度用于感测。后一个自由度可以允许移动质量平面内的移动(面内移动)或者垂直于该平面的移动(面外移动)。驱动装置根据驱动自由度保持移动质量处于受控振荡，并且移动质量响应于由于科里奥利力引起的支撑主体的旋转而基于感测自由度移动。
发明内容
本发明的实施例提供了一种克服现有技术缺陷的陀螺仪。例如，一个实施例的陀螺仪能够调节或调谐驱动频率以使频率失配适应需要。
根据本发明，提供了一种MEMS陀螺仪以及用于控制MEMS陀螺仪的方法。
例如，MEMS陀螺仪可以包括支撑结构以及在相互垂直的驱动方向和感测方向上从支撑结构弹性悬挂的移动质量。驱动结构耦合至移动质量，用于控制移动质量在驱动方向上以驱动频率进行的驱动移动。与驱动结构不同的驱动频率调谐电极面向移动质量。驱动频率调谐器电耦合至驱动频率调谐电极，用于向驱动频率调谐电极提供调谐电压。
另一实施例提供了一种用于控制MEMS陀螺的方法，包括以下步骤：通过驱动结构以驱动频率在驱动方向上驱动移动质量；通过感测结构，在垂直于驱动方向的感测方向上检测移动质量的移动；以及在调谐电压下偏置驱动频率调谐电极，驱动频率调谐电极不同于驱动结构并且面向移动质量。
在实践中，本发明的MEMS陀螺仪包括用于通过调节驱动频率来调节频率失配的结构。具体地，用于调节失配的结构包括平行板电容元件，其优选形成在陀螺仪的移动质量的未使用区域中。平行板电容元件分别通过面对相应移动质量的固定调谐电极形成，具体在移动质量的开口中突出。固定电极有利地在相同的调谐电压下偏置。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例参照附图描述其优选实施例，其中：
图1是已知MEMS陀螺仪的简化顶视图；
图2是图1的陀螺仪的简化截面；
图3示出了已知MEMS陀螺仪中存在的失配；
图4示意性示出了图1的陀螺仪使用的调谐偏置电路；
图5示意性示出了用于存储用于图4的偏置电路的设置的结构；
图6是本发明的MEMS陀螺仪的一个实施例的简化顶视图；
图7是图6的陀螺仪的简化截面；
图8是图6的陀螺仪的悬挂质量的放大顶视图；
图9是图8的悬挂质量的一部分的放大截面；
图10示意性示出了图6至图7的陀螺仪使用的调谐偏置电路；
图11示意性示出了用于图10的偏置电路的设置存储结构；
图12A和图12B示出了可被本发明的MEMS陀螺仪调节的失配；以及
图13示出了结合有本发明的陀螺仪的电子设备的简化框图。
具体实施方式
例如，图1和图2示意性示出了使用MEMS技术制造的具有单个移动质量的类型的陀螺仪1的结构。
详细地，陀螺仪1包括悬挂在衬底3(图2)之上的两对移动质量2A-2B、2C-2D，它们限定平行于第一笛卡尔轴(这里为轴X)和平行于第二笛卡尔轴(这里为轴Y)的平面。这里，移动质量2A、2B、2C、2D具有大体为梯形的形状，具有相应的长边20和相应的短边21，并且均相对于相邻的移动质量以90°布置；从而相应的长边20沿着第一正方形或矩形的侧面延伸，并且它们的短边21沿着第一正方形或矩形内部且与第一正方形或矩形同心的第二正方形或矩形的侧面延伸。实际上，短边21围绕中心点O，该中心点是陀螺仪1的对称中心。具体地，两个移动质量2A、2B(第一对移动质量)具有平行于第二轴Y的相应长边20和短边21，并且相对于穿过中心点O且平行于第二轴Y的直线镜面反射地布置；两个移动质量2C、2D(第二对移动质量)具有平行于第一轴X的相应长边20和短边21，并且相对于穿过中心点O且平行于第一轴X的直线镜面反射地布置。
移动质量2A-2D由支撑结构支撑，该支撑结构相对于衬底3固定，并且能够根据两个自由度实现移动质量2A-2D的移动。详细地，支撑结构(仅示意性地在图1和图2中示出)具有：第一弹性元件4A-4D，在移动质量2A-2D的短边21和中心点O之间延伸，其中延伸有锚定柱7(图2)；以及第二弹性元件8A-8D，在移动质量2A-2D的长边20和相应的锚点9A-9D之间延伸。
这里，弹性元件4A-4D和8A-8D(也称为弹簧或“弯曲部”)被配置为允许移动质量2A、2B沿第一轴X的驱动移动(箭头Dx)以及沿第三笛卡尔轴(这里为垂直轴Z)的第一感测移动(由于陀螺仪1绕着第二轴Y的旋转所产生的科里奥利力)；以及允许移动质量2C、2D沿第二轴Y的驱动移动(箭头Dy)以及沿垂直轴Z的第二感测移动(由于陀螺仪1绕第一轴X的旋转而产生的科里奥利力)。
如果陀螺仪1是三轴类型的，则弹性元件4A-4D和8A-8D可以允许至少一对移动质量2A-2B、2C-2D(例如，第二对移动质量2C-2D)沿第一轴X的第三移动，用于以已知方式检测沿垂直轴Z作用的科里奥利力。
为此，每个移动质量2A-2D耦合至相应的驱动结构10A-10D，驱动结构例如为梳状电容类型、已知类型，布置在长边20上或移动质量2A-2D中形成的适当窗口内。
每个移动质量2A-2D电容性地耦合至感测电路，感测电极在这里布置在衬底3上，位于相应的移动质量2A-2D下方，在图1中如虚线所示且在图2中针对移动质量2A、2B示出。具体地，例如为单晶或多晶硅的感测电极11A、11B电容性地耦合至单晶或多晶硅的移动质量2A、2B，用于响应于关于第二轴Y的角速度Ωy(横滚速度)感测平行于垂直轴Z的相对移动。
类似地，图1中用虚线示出的感测电极11C、11D在这里布置在衬底3上，位于移动质量2C、2D下方，并且电容性地耦合至移动质量2C、2D，用于响应于关于第一轴X的角速度Ωx(俯仰速度，pitch velocity)感测平行于垂直轴Z的相对移动。
图1和图2没有示出可设置在例如形成于移动质量2C-2D中的适当窗口内的又一些感测电极，用于在三轴类型的陀螺仪1的情况下响应于关于垂直轴Z(偏航速度，yawvelocity)的角速度Ωz感测沿第一轴X的相对移动。
驱动结构10A-10B通过示意性示出的相应连接线17耦合至驱动控制单元15。感测电极11A-11D(同样可能为又一些偏航感测电极)通过同样示意性示出的相应连接线18耦合至感测控制单元16。
这里，陀螺仪1被表示为集成在第一芯片24中，第一芯片24包括衬底3和布置在衬底3(例如，多晶硅)顶部上的结构层；移动质量2A-2D、弹性元件4A-4D和8A-8D以及驱动结构10A-10D以本身已知的方式使用光刻定义和选择性蚀刻的已知技术形成在该结构层中。驱动控制单元15和感测控制单元16通常集成在第二芯片25(例如，专用集成电路(ASIC))中，除控制操作之外还执行信号处理和滤波。
在使用中，移动质量2A-2D通常偏置为相同的转子电压VR，驱动结构的固定电极(未示出)偏置至a.c.驱动电压VA，并且感测电极11A-11D偏置至感测电压VS。
在实际陀螺仪中，移动质量2A-2D具有驱动谐振频率fA。驱动谐振频率fA取决于陀螺仪1的几何特性，并且由于结构中的不对称和不平衡而具有扩展。此外，移动质量2A-2D还具有感测谐振频率fS，该频率fS通常不同于驱动谐振频率fA并且也经受扩展。驱动谐振频率fA与感测谐振频率fS之间的差通常被称为失配(△f0)，并且由于驱动谐振频率和感测谐振频率的扩展也经受扩展，如图3所示，图3示出了作为频率f的函数的驱动和感测振荡的幅度A。
失配的扩展是不期望的；此外，期望控制失配的理论程度。事实上，低失配值导致更大的检测灵敏度、更高的增益和更低的噪声水平，但是稳定性更低，并且对于消费者应用是优选的，而高失配值能够实现更好的稳定性，并且通常对于汽车行业的应用是优选的。
因此，已经提出了用于控制频率失配的解决方案。例如，已知的解决方案包括提供用于修改感测频率的其它电极。上面在关于两个方向上的感测频率的控制的图1和图2中示出该解决方案。
这里，调谐电极26A-26D与每个移动质量2A-2D相关联，并且更精确地(如图1的虚线所示，并且在图2中对于移动质量2A和2B更清晰可见)，布置在衬底3上，位于相应的移动质量下方，与感测电极相邻。例如，调谐电极26A-26D是单晶或多晶硅，并且电容性地耦合至相应的移动质量2A-2D以与其形成平行板电容器。
通常，针对垂直轴Z提供用于调谐偏航感测频率的类似电极(未示出)。
用于调谐感测频率的电极26A-26D与任何其他偏航调谐电极一样通过适当的调谐控制单元27成对偏置，集成在第二芯片25中并且通过连接线28连接至调谐电极26A-26D。具体地，横滚调谐电极26A-26B偏置至横滚调谐电压Vtr，俯仰调谐电极26C、26D偏置为俯仰调谐电压Vtp，并且可能的偏航调谐电极(未示出)偏置至偏航调谐电压Vty。
用于调谐感测频率的电极26A-26D的存在确定感测频率沿各个轴的变化。具体地，通过以下等式给出以Hz为单位的修改的感测频率fs'r/p/y：
其中J是每当相对于所考虑感测方向有效时的移动质量2A-2D的惯性极矩(例如，用于横滚移动的移动质量2A和2B以及用于俯仰移动的移动质量2C和2D)，Km是每次相对于所考虑感测方向有效的质量2A-2D的机械硬度的常数，Ks是由于移动质量2A-2D和感测电极11A-11D之间施加的差分电压VR-VS引起的静电弹性常数，并且Kt是由于施加在移动质量2A-2D和调谐电极26A-26D之间的差分电压VR-Vt引起的静电弹性常数，其中Vt每次是Vtp、Vtr或Vty。
反过来，通过以下等式给出以N/m表示的静电弹性常数Ks和静电弹性常数Kt：
其中Ae是每个调谐电极26A-26D的面积，ag是每个移动质量2A-2D与相应调谐电极26A-26D之间沿垂直方向(平行于垂直轴Z)的距离(气隙)，ε0是真空静电常数，VR是施加于移动质量2A-2D的电压，VS是施加于感测电极11A-11D的电压(对所有都一样)，以及Vt是施加于调谐电极对26A-26D的电压(每次为Vtp、Vtr或Vty)。
上述解决方案不是最优的，因为其对占用面积具有很大影响，其需要相当多的额外空间，并且需要相当大的功耗。事实上，俯仰和横滚调谐电极26A-26D和可能的偏航调谐电极(未示出)要求潜在不同的偏置电压，由此需要单独的偏置结构，例如如图4所示。这里，调谐偏置电路29包括三个数模转换器(DAC)30r、30p、30y，每个移动方向一个，依次连接至相应的缓冲器31r、31p、31y和相应的接触焊盘35r、35p和35y。每个接触焊盘35r、35p和35y均连接至相应的一对调谐电极(横滚调谐电极26A-26B、俯仰调谐电极26C-26D和偏航调谐电极，这里用26E-26F表示)。调谐偏置电路29连接至存储器36，存储器36存储电压调谐值，一个用于移动质量2A-2D的每个感测方向。存储器36基于期望参数(通常为修改的感测频率f'sr/p/y)存储电压调谐值Vtr、Vtp、Vty，例如以图5所示的表格形式。例如，图5的表格可被存储在图1的第二芯片25中，并被调谐控制单元27使用，用于在相应的调谐电压Vtr、Vtp、Vty处偏置每一对调谐电极26A-26B、26C-26D和26E-26F，这对应于针对每个移动方向(横滚、俯仰、偏航)的频率失配的期望值。
例如，在WO 2010/096306中描述了不同类型的调谐，并且包括用于通过辅助偏置结构来调谐驱动频率的结构，该辅助偏置结构通过非线性弹簧耦合至移动质量。该辅助偏置结构为梳齿驱动型，其目的在于根据控制电路的命令来修改非线性弹簧的应力状态，并且不对悬挂质量的位置具有直接影响。此外，然而这种解决方案不是最佳的，因为其也对面积具有很大影响并且需要高消耗水平。此外，这种类型的解决方案修改了弹簧的线性度，并且这可能导致设备稳定性的降低，这在某些应用中是不期望的。
图6是本发明的MEMS陀螺仪100的一个实施例的简化顶视图，以及图7是图6的陀螺仪100的简化截面。陀螺仪100具有与图1的陀螺仪1类似的一般结构，使得相似部分由相同的参考数字增加100来指定，并且不详细描述相同部分。
这里，陀螺仪100被集成在第一芯片124和第二芯片125中。具体地，第一芯片124容纳悬挂在衬底103之上的四个移动质量102A、102B、102C、102D(图7)。在实践中，气隙106在移动质量102A-102D和衬底103之间延伸。移动质量102A-102D一般具有梯形形状，具有相应的长边120和相应的短边121，并且每个都相对于相邻的移动质量以90°布置。
移动质量102A-102D通过由第一弹性元件104A-104D和第二弹性元件108A-108D形成的支撑结构支撑在衬底103上方。这里，弹性元件104A-104B和108A-108B被配置为允许相应的移动质量102A、102B沿着第一轴X的驱动移动(箭头Dx)以及沿着垂直轴Z的感测移动(响应于围绕第二轴Y的角速度Ωy–横滚速度)。弹性元件104C-104D和108C-108D被配置为允许移动质量102C、102D沿着第二轴Y的驱动移动(箭头Dy)以及沿着垂直轴Z的感测移动(响应于围绕第一轴X的角速度Ωx–俯仰速度)。
每个移动质量102A-102D耦合至相应的驱动结构110A-110D(例如已知的梳状电容型)，其布置在长边120上或者移动质量102A-102D中设置的适当窗口内。
此外，每个移动质量102A-102D电容性地耦合至感测电极111A-111D，感测电极111A-111D布置在衬底103上，位于相应的移动质量102A-102D下方并且在图6中以虚线示出且在图7中针对移动质量102A、102B示出。在所示实施例中，感测电极111A-111D布置为邻近相应的移动质量102A-102D的短边121。
此外，在图6和图7中，陀螺仪100可以包括又一些感测电极(未示出)，其可以设置在例如形成在移动质量102C-102D中的适当窗口内，用于在三轴类型的陀螺仪100的实施例的情况下感测响应于绕着垂直轴Z的角速度Ωz(偏航速度)的沿着第一轴X的相对移动。
驱动结构110A-110D通过示意性示出的相应连接线117耦合至驱动控制单元115。感测电极111A-111D(同样可能具有又一些偏航感测电极)通过同样示意性示出的相应连接线118耦合至感测控制单元116。驱动控制单元115和感测控制单元116可以集成在第二芯片125(例如，ASIC(专用集成电路))中，其可以包括用于执行除控制操作之外的信号处理和滤波操作的又一些电路和结构。
陀螺仪100具有用于调节驱动频率的结构。特别地，用于调节驱动频率的结构包括用于每个移动质量的至少一个平行板或平行电极、电容器。每个平行板电容器由相互面对的移动板和固定板形成，并且沿横向于平面XY和相应移动质量102A-102D的驱动方向的方向延伸。在所示实施例中，移动板由移动质量102A-102D形成，并且固定板由面对相应的移动质量102A-102D且相对于移动质量102A-102D被偏置的许多固定调谐电极150A-150D形成，以修改驱动频率。
此外，根据本陀螺仪的实施例，所有固定调谐电极150A-150D都被偏置至相同的调谐电压Vt。调谐电压Vt通常是DC电压，具有的最大值等于转子电压VR。
详细地，又如图8和图9的放大图所示，每个移动质量102A-102D具有相应的通孔151A-151D。例如，通孔151A-151D具有伸长的形状，在顶视图中(在与笛卡尔平面XY平行的平面中)基本为矩形，并且具有平行于相应移动质量102A-102D的长边120的长度L1以及垂直于长边的宽度L2，其中L1>>L2。以这种方式，在顶视图中，移动质量102A、102B中的通孔151A、151B具有在与第二轴Y平行的方向上延伸的形状，并且移动质量102C、102D中的通孔151C、151D具有在与第一轴X平行的方向上延伸的形状。此外，每个通孔151A-151D都具有与移动质量102A-102D的厚度相等的高度。
图6中的固定调谐电极150A-150D从衬底103一直延伸到相应通孔151A-151D的内部。在一个实施例中，固定调谐电极150A-150D的顶面与移动质量102A-102D的顶面对准。
例如，固定调谐电极150A-150D均由具有大体平行六面体形状的半导体材料的壁形成，大体矩形的基底类似于(但面积小于)相应开口151A-151D的基底。因此，图6-图9的固定调谐电极150A-150D具有垂直于相应移动质量102A-102D的驱动方向的长度L3(L3<L1)和宽度L4(L4<L2且L4<<L3)。
实际上，参考图8-图9，每个开口151A-151D由面向每个固定调谐电极150A-150D的主侧162、163的两个主面160、161界定，并且主面160、161与固定调谐电极150A-150D的相应主侧162、163一起形成两个面对区域，其具有面积Ae＝L3x T，其中T是移动质量102A-102D的厚度。因此，每个固定调谐电极150A-150D与相应的移动质量102A-102D形成两个电容器C(图9)。
每个电容器C都具有取决于开口151A-151D的主面160、161与每个固定调谐电极150A-150D的分别面对的主侧162、163之间的距离或气隙ag(图9)的电容。由于移动质量102A-102D在驱动方向上移动，所以气隙ag的值在操作期间变化。具体地，由ag0指定的处于静止(无驱动)的气隙ag的值被选择得足够大，以允许悬挂质量102A-102D的俯仰和横滚的移动，而不使它们与相应的固定调谐电极150A-150D接触。
例如，在本发明的MEMS设备100的实施例中，L1与L2之间(以及L3与L4之间)的比率是10-20。具体地，L2和L4可以包括在10和40μm之间，并且L1和L3可以包括100和400μm。移动质量102A-102D的厚度T可以包括在15和30μm之间。此外，静止ag0处的气隙ag的值可以是7μm，并且俯仰和横滚的移动可最多为5μm。
以这种方式，在操作期间，例如当移动质量102A在第一方向X上以横滚移动被驱动时，开口151A的面对表面与固定调谐电极150A的主侧之间的距离在ag0+Δx与ag0-Δx之间变化(在上述示例中，在2和12μm之间)，相应地修改电容器C的电容。在这种情况下，每次布置为与对应主面160、161相距较大距离的与固定电极150A的主侧163、164相关联的电容器C(在最大点，ag＝ag0+Δx)具有可以忽略的影响，而相反侧的电容器C(在最小点，ag＝ag0-Δx)引起静电软化，即，降低悬挂质量102A的静电弹性常数，如以下参照等式(4)和(5)所讨论的。
这里，忽略平行于开口151A-151D的短边的面对侧，这是不起作用的。
由于固定调谐电极150A-150D偏置为相同的调谐电压Vt，所以偏置电路可以简化，如图10所示。这里，偏置电路129包括单个数模转换器(DAC)130和单个缓冲器131。连接至存储器136且在调谐控制单元127(图6)的控制下的DAC 130生成通过连接线128、第二芯片125上的单个输出焊盘135和第一芯片124上的单个输入焊盘137提供给调谐电极150A-150D的调谐电压Vt。例如，调谐电压Vt的值存储在图11所示类型的单个表格中；图11的表格可以进一步存储在图6的第二芯片125中。具体地，调谐控制单元127基于用户和/或设计设置读取与调谐频率ft的值相对应的调谐电压Vt的值，从而读取期望的频率失配△f0的值，这对于横滚、俯仰和偏航的每个移动都是相同的。
因此，该解决方案能够显著节省第一和第二芯片124、125中的面积，并简化第二芯片125中的存储和读取。
通过用于调节图6至图9的驱动频率的结构，陀螺仪100具有驱动频率fdt：
其中J是转动惯量，Km是每次相对于所考虑感测方向有效的质量102A-102D的机械硬度的常数，并且Kt是由于施加在移动质量102A-102D和调谐电极150A-150D之间的差分电压VR-Vt引起的静电弹性常数，并且通过以下等式给出：
其中Ae、ag0和ε0分别是每个移动质量的每一侧与相应的调谐电极150A-150D之间的面对面积(Ae＝L3x T)、没有应力的情况下相互面对的表面160-163和161-164之间的距离以及真空介电常数。
基于图11的表格修改调谐驱动频率的可能性使得能够根据要求调整频率失配△f0，这也在图12A和图12B中示出，图12A和图12B分别示出了较低频率失配△f01和较高频率失配△f02的情况。
此外，陀螺仪100比执行感测频率的调谐的解决方案更容易校准。
图13示出了电子系统200的一部分，该电子系统200结合了陀螺仪100并且可以用于诸如掌上型计算机(个人数字助理PDA)、膝上型计算机或便携式计算机(可能具有无线能力)、手机、消息传送设备、数字音乐播放器、数码相机的装置或者被设计为处理、存储、传输或接收信息的其他装置。例如，陀螺仪100可用于数码相机，用于检测移动和执行图像稳定。在可能的实施例中，电子设备200包括在用于计算机的运动激活用户界面或用于视频游戏的控制台中。在另一实施例中，电子设备200结合在卫星导航设备中，并且在卫星定位信号丢失的情况下用于临时跟踪位置。
图13的电子系统200包括通过总线150耦合在一起的控制单元210、输入/输出(I/O)单元220(例如，键盘或屏幕)、电子设备200、无线接口240和易失性或非易失性类型的存储器260。
例如，控制单元210可包括一个或多个微处理器、微控制器等。在不同的实施例中，其可由图6的第二芯片125形成并且是ASIC。
此外，存储器260可以在控制单元210的内部，并且存储用于陀螺仪100的操作的参数和量，以形成图11的存储器136。在一个实施例中，电池280可用于为系统200供电。然而，电子系统200甚至可以仅包括图13所示的一些单元。
I/O单元220可用于生成消息。电子系统200可以使用无线接口240用于利用射频(RF)信号向无线通信网络(未示出)发送消息以及从无线通信网络(未示出)接收消息。无线接口的示例可以包括天线、无线收发器，诸如偶极天线，即使本发明的范围不限于此。此外，I/O单元220可以以数字输出的形式(如果已经存储了数字信息)和模拟输出的形式(如果已经存储了模拟信息)来提供代表所存储数据的电压。
最后，清楚地，在不背离如所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，可以对本文描述和说明的陀螺仪进行修改和变化。例如，每个固定调谐电极150A-150D可以由不同的分离部分组成，以相同的方式偏置。在这种情况下，基于叠加原理，等式(5)中表示的面积Ae等于各个部分的面对面积之和。

Claims (21)

1.一种MEMS陀螺仪，包括：
支撑结构；
移动质量，在驱动方向和感测方向上从所述支撑结构弹性地悬挂，所述驱动方向与所述感测方向相互垂直；
驱动结构，耦合至所述移动质量并且被配置为控制所述移动质量以驱动频率在所述驱动方向上的驱动移动；
驱动频率调谐电极，面对所述移动质量，所述驱动频率调谐电极不同于所述驱动结构，其中所述移动质量包括通孔，并且所述驱动频率调谐电极延伸穿过所述通孔；以及
驱动频率调谐器，电耦合至所述驱动频率调谐电极，并且被配置为向所述驱动频率调谐电极提供调谐电压，以便引起修改的驱动频率fdt，其中所述修改的驱动频率fdt与在垂直于所述驱动方向的方向上的、所述通孔的面对表面与所述驱动频率调谐电极的面对表面之间的静止距离相关。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动频率调谐电极和所述移动质量形成平行板电容器，所述平行板电容器具有垂直于所述驱动方向延伸的板。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述支撑结构包括限定平面的衬底，其中所述移动质量被布置为与所述衬底相距一距离，并且其中所述驱动频率调谐电极具有从所述衬底延伸穿过所述通孔的伸长壁的形状。
4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量在垂直于所述平面的方向上具有厚度，并且所述壁在垂直于所述驱动方向且平行于所述平面的方向上具有长度，所述移动质量和所述壁具有由所述长度和所述厚度限定的面对面积。
5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量被配置为在转子电压处被偏置，并且其中所述修改的驱动频率fdt为：
其中J是所述移动质量的转动惯量，Km是所述移动质量的机械弹性驱动常数，并且Kt是所述移动质量的静电弹性常数，即：
其中Ae是所述面对面积，ag0是在垂直于所述驱动方向的方向上的、所述通孔的所述面对表面与所述驱动频率调谐电极的所述面对表面之间的所述静止距离，VR为所述转子电压，Vt为所述调谐电压，以及ε0是真空介电常数。
6.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括存储元件，所述存储元件被配置为存储作为修改的驱动频率的期望值的函数的所述调谐电压的值。
7.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量、所述驱动结构以及所述驱动频率调谐电极被集成在第一芯片中，并且其中所述存储元件和所述驱动频率调谐器被集成在第二芯片中。
8.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括移动感测电极，所述移动感测电极电容地耦合至所述移动质量并且被配置为检测所述移动质量在所述感测方向上的移动。
9.根据权利要求8所述的MEMS陀螺仪，其中所述支撑结构包括限定平面的衬底，其中所述移动质量被布置为与所述衬底相距一距离，其中所述驱动频率调谐电极具有从所述衬底延伸穿过所述通孔的伸长壁的形状，并且其中所述移动感测电极在所述衬底之上平行于所述平面、在所述移动质量下方、以及横向于所述驱动频率调谐电极而延伸。
10.一种系统，包括：
处理单元；
接口，耦合至所述处理单元；以及
根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，耦合至所述处理单元。
11.一种MEMS陀螺仪的控制方法，包括：
通过驱动结构，在驱动方向上且以驱动频率来驱动移动质量；
检测所述移动质量在感测方向上的移动，所述感测方向垂直于所述驱动方向；以及
将驱动频率调谐电极偏置于调谐电压，以便引起修改的驱动频率fdt，所述驱动频率调谐电极不同于所述驱动结构并且面对所述移动质量，其中所述移动质量包括通孔，所述驱动频率调谐电极延伸穿过所述通孔，并且其中所述驱动频率调谐电极和所述移动质量形成平行板电容器，所述平行板电容器具有垂直于所述驱动方向延伸的板，其中所述修改的驱动频率fdt与在垂直于所述驱动方向的方向上的、所述通孔的面对表面与所述驱动频率调谐电极的面对表面之间的静止距离相关。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其中所述调谐电压为DC电压。
13.根据权利要求11所述的控制方法，其中偏置所述驱动频率调谐电极包括：在存储作为期望的驱动频率值的函数的调谐电压值的表格中读取所述调谐电压。
14.一种MEMS陀螺仪，包括：
衬底，限定平面；
移动质量，在驱动方向和感测方向上以一距离从所述衬底弹性地悬挂，所述驱动方向与所述感测方向相互垂直，其中所述移动质量包括通孔；
驱动结构，耦合至所述移动质量；
驱动频率调谐电极，延伸穿过所述移动质量的所述通孔，所述驱动频率调谐电极不同于所述驱动结构，其中所述驱动频率调谐电极具有从所述衬底延伸穿过所述通孔的伸长壁的形状；以及
驱动频率调谐器，电耦合至所述驱动频率调谐电极，其中所述驱动频率调谐电极和所述移动质量形成平行板电容器，所述平行板电容器具有垂直于所述驱动方向延伸的板，并且
其中所述驱动频率调谐器被配置为向所述驱动频率调谐电极提供调谐电压以便引起修改的驱动频率fdt，所述修改的驱动频率fdt与在垂直于所述驱动方向的方向上的、所述通孔的面对表面与所述驱动频率调谐电极的面对表面之间的静止距离相关。
15.根据权利要求14所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量在垂直于所述平面的方向上具有厚度，并且所述壁在垂直于所述驱动方向且平行于所述平面的方向上具有长度，所述移动质量和所述壁具有由所述长度和所述厚度限定的面对面积。
16.根据权利要求15所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量被配置为在转子电压处被偏置，并且其中所述修改的驱动频率fdt为：
其中J是所述移动质量的转动惯量，Km是所述移动质量的机械弹性驱动常数，并且Kt是所述移动质量的静电弹性常数，即：
其中Ae是所述面对面积，ag0是在垂直于所述驱动方向的方向上的、所述通孔的所述面对表面与所述驱动频率调谐电极的所述面对表面之间的所述静止距离，VR为所述转子电压，Vt为所述调谐电压，以及ε0是真空介电常数。
17.根据权利要求14所述的MEMS陀螺仪，所述驱动结构被配置为控制所述移动质量以所述修改的驱动频率在所述驱动方向上的驱动移动。
18.根据权利要求17所述的MEMS陀螺仪，还包括存储元件，所述存储元件被配置为存储作为修改的驱动频率的期望值的函数的所述调谐电压的值。
19.根据权利要求18所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量、所述驱动结构以及所述驱动频率调谐电极被集成在第一芯片中，并且其中所述存储元件和所述驱动频率调谐器被集成在第二芯片中。
20.根据权利要求14所述的MEMS陀螺仪，还包括移动感测电极，所述移动感测电极在所述衬底之上平行于所述平面、在所述移动质量下方、以及横向于所述驱动频率调谐电极而延伸。
21.根据权利要求20所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动感测电极被配置为检测所述移动质量在所述感测方向上的移动。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITUA20161498A1 (it) * 2016-03-09 2017-09-09 St Microelectronics Srl Struttura di rilevamento micromeccanica di un dispositivo sensore mems, in particolare di un giroscopio mems, con migliorate caratteristiche di azionamento
US11614328B2 (en) * 2019-01-08 2023-03-28 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Sensing device
DE102020205369A1 (de) * 2020-04-28 2021-10-28 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für einen Drehratensensor und entsprechendes Herstellungsverfahren
CN111766402A (zh) * 2020-07-01 2020-10-13 浙江大学 一种微机械加速度计的调谐控制方法
US11698257B2 (en) * 2020-08-24 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Isotropic attenuated motion gyroscope

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005241500A (ja) * 2004-02-27 2005-09-08 Mitsubishi Electric Corp 角速度センサ
CN101189793A (zh) * 2005-03-31 2008-05-28 意法半导体股份有限公司 用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置
CN102183246A (zh) * 2009-12-24 2011-09-14 意法半导体股份有限公司 具有改进的驱动结构的集成微机电陀螺仪
CN103134484A (zh) * 2013-01-30 2013-06-05 中国科学院半导体研究所 调节电容式mems陀螺仪检测端谐振频率的电路和方法
CN103712612A (zh) * 2012-09-28 2014-04-09 意法半导体股份有限公司 加速度和角速度谐振检测集成结构及相关mems传感器设备
CN103827673A (zh) * 2011-08-31 2014-05-28 意法半导体股份有限公司 用于z轴谐振加速度计的改进检测结构
CN105222766A (zh) * 2014-06-30 2016-01-06 意法半导体股份有限公司 具有对由于诸如正交分量之类的扰动力所致的误差补偿的微机电设备

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5992233A (en) * 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
US6964195B2 (en) * 2004-01-30 2005-11-15 Bei Technologies, Inc. Micromachined vibratory gyroscope and method with electronic coupling
DE102007030119A1 (de) * 2007-06-29 2009-01-02 Litef Gmbh Corioliskreisel
US8327072B2 (en) 2008-07-23 2012-12-04 International Business Machines Corporation Victim cache replacement
US8210038B2 (en) * 2009-02-17 2012-07-03 Robert Bosch Gmbh Drive frequency tunable MEMS gyroscope
IT1394906B1 (it) * 2009-07-21 2012-07-20 St Microelectronics Rousset Dispositivo integrato incorporante componenti di bassa tensione e componenti di potenza e procedimento di fabbricazione di tale dispositivo
ITTO20110806A1 (it) * 2011-09-12 2013-03-13 St Microelectronics Srl Dispositivo microelettromeccanico integrante un giroscopio e un accelerometro
JP6143430B2 (ja) * 2012-05-08 2017-06-07 三菱プレシジョン株式会社 バイアス補正機能を備えた振動型ジャイロ
US9404747B2 (en) * 2013-10-30 2016-08-02 Stmicroelectroncs S.R.L. Microelectromechanical gyroscope with compensation of quadrature error drift

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005241500A (ja) * 2004-02-27 2005-09-08 Mitsubishi Electric Corp 角速度センサ
CN101189793A (zh) * 2005-03-31 2008-05-28 意法半导体股份有限公司 用于控制振荡微机电系统的谐振频率的装置
CN102183246A (zh) * 2009-12-24 2011-09-14 意法半导体股份有限公司 具有改进的驱动结构的集成微机电陀螺仪
CN103827673A (zh) * 2011-08-31 2014-05-28 意法半导体股份有限公司 用于z轴谐振加速度计的改进检测结构
CN103712612A (zh) * 2012-09-28 2014-04-09 意法半导体股份有限公司 加速度和角速度谐振检测集成结构及相关mems传感器设备
CN103134484A (zh) * 2013-01-30 2013-06-05 中国科学院半导体研究所 调节电容式mems陀螺仪检测端谐振频率的电路和方法
CN105222766A (zh) * 2014-06-30 2016-01-06 意法半导体股份有限公司 具有对由于诸如正交分量之类的扰动力所致的误差补偿的微机电设备

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