CN109444466B - Fm惯性传感器和用于操作fm惯性传感器的方法 - Google Patents

Fm惯性传感器和用于操作fm惯性传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及FM惯性传感器和用于操作FM惯性传感器的方法。传感器包括：第一和第二检验质量块；第一和第二电容器，被形成在第一和第二固定电极与第一检验质量块之间；第三和第四电容器，被形成在第三和第四固定电极与第二检验质量块之间；驱动组件，被配置为引起第一和第二检验质量块的反相振荡；偏置电路，被配置为偏置第一和第三电容器以在第一时间间隔中生成振荡频率的第一变化，以及偏置第二和第四电容器以在第二时间间隔中生成振荡频率的第二变化；感测组件，被配置为生成差分输出信号，该差分输出信号是在第一时间间隔期间的振荡频率的值与在第二时间间隔期间的振荡频率的值之间的差的函数。这种差分输出信号可与外部加速度的值和方向相关。

Description

FM惯性传感器和用于操作FM惯性传感器的方法
技术领域
本公开涉及频率调制(FM)惯性传感器以及用于操作FM惯性传感器的方法。特别地，惯性传感器是加速度计。
背景技术
MEMS加速度计在文献中是众所周知的，并且它们被用于许多不同的应用(例如，行人导航、头部运动跟踪、ESP汽车系统等)。这种器件遭受热漂移问题，这阻碍了在许多感兴趣的领域中制造具有高稳定性的惯性传感器。
为了解决这种温度敏感度，已经提出了使用后补偿算法以在动态温度环境下稳定偏置和缩放因子的AM加速度计；然而它们需要额外的功耗、添加的温度传感器以及互补的计算能力。
避免上述限制的AM加速度计的备选方法是将频率调制(FM)原理应用到加速度计，其中被感应的外部加速度通过修改总有效刚度来改变器件的谐振频率。
FM加速度计的工作原理依赖于谐振元件，该谐振元件在存在外部加速度的情况下改变其谐振频率；因此，该传感器的输出可以被写为fout＝f0+Δf(a)，其中f0是静止状态下的谐振频率(即，没有外部加速度的影响)，a是外部加速度，以及Δf(a)是由该外部加速度a所引起的频率变化。在这种配置中，以该器件谐振频率的漂移(例如，由温度变化所引起)直接引起对应的输出漂移。众所周知，以(例如，多晶)硅所制造的MEMS谐振器的谐振频率的热漂移取决于多晶硅的杨氏模量的漂移(由其温度系数TCE＝-60ppm/K所描述)，如下：
Figure BDA0001781954930000011
因此，将器件的敏感度称为S(以Hz/g表示)，对应于外部加速度a＝0(零g偏移漂移)的输出漂移，以g为单位表示，为：
Figure BDA0001781954930000021
补偿热漂移的第一种方式是使用差分读出(differential readout)：传感器通常由同一类型的两个不同谐振器所形成，每个谐振器在受到相同的外部加速度时，改变其相同量但相反符号的谐振频率。以这种方式，通过减去两个谐振器的频率输出，敏感度可以被加倍并且f0贡献(和相关联的热漂移)显著减小。
因此，总结一下，两个不同谐振器的频率可以被表示为fout1和fout2：
fout1＝f0+Δf(a)fout2＝f0-Δf(a)
以及差分频率输出fout为：
fout＝(f0+Δf(a))-(f0-Δf(a))＝2Δf(a)
然而，两个不同谐振器之间不可避免的谐振频率失配(例如，导致蚀刻过程中的不均匀性和结构中的残余应力)可能损害或减少差分读出方法的积极效果。实际上，在先前的公式中，假定f02＝f01＝f0；在实际器件中，f01与f02不同。再次考虑外部加速度a＝0，零G偏移漂移(“ZGO”，没有输入加速度时的输出值)是两个谐振元件的谐振频率之间的失配的函数：
Figure BDA0001781954930000022
发明内容
在各种实施例中，本公开提供了频率调制(FM)惯性传感器和用于操作FM惯性传感器的方法，其克服了已知器件的限制以及先前所说明的问题。
根据本公开，提供了惯性传感器和用于操作惯性传感器的方法。在一个实施例中，本公开提供了一种惯性传感器，该惯性传感器包括沿着感测轴线振荡的第一检验质量块(proof mass)。第一调谐电极和第二调谐电极以及第一电容器和第二电容器被包括在惯性传感器中。第一电容器包括第一调谐电极和第一检验质量块，以及第二电容器包括第二调谐电极和第一检验质量块。第一电容器和第二电容器具有相应的电容，该电容响应于第一检验质量块沿着感测轴线的振荡而经历相反的变化。第二检验质量块沿着感测轴线振荡，以及第三调谐电极和第四调谐电极以及第三电容器和第四电容器还被包括在惯性传感器中。第三电容器包括第三调谐电极和第二检验质量块，以及第四电容器包括第四调谐电极和第二检验质量块。第三电容器和第四电容器具有相应的电容，该电容响应于第二检验质量块沿着感测轴线的振荡而经历相反的变化。
惯性传感器还包括驱动组件、偏置电路和感测组件。驱动组件被耦合到第一检验质量块和第二检验质量块，以及被配置为引起第一检验质量块和第二检验质量块以谐振频率沿着感测轴线反相振荡。
偏置电路在第一时间间隔中偏置第一调谐电极和第三调谐电极以生成第一静电场，该第一静电场引起所述谐振频率的第一变化。在第二时间间隔中，偏置电路偏置第二调谐电极和第四调谐电极以生成第二静电场，该第二静电场引起所述谐振频率的第二变化。
感测组件生成输出信号，该输出信号是在第一时间间隔期间的谐振频率的值与在第二时间间隔期间的谐振频率的值之间的差的函数。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅仅通过非限制性示例并参考附图来描述其优选实施例，其中：
图1A示出了根据本公开实施例的谐振传感器、特别是加速度计；
图1B是图1A中圆圈部分的放大视图；
图2示出了图1A的谐振器的双质量块-弹簧-阻尼器模型；
图3表示图1A的谐振传感器的驱动组件的一部分；
图4表示图1A的谐振器的感测组件的一部分；
图5示出了用以启动和维持图1A的谐振器的反相振荡的驱动电路；
图6示出了表示图1A的谐振传感器在数字域中的示例性谐振频率变化的输出信号；
图7示出了基于图6的输出信号所计算的差分信号；
图8A示出了根据本公开另一实施例的被配置为感测平面外加速度的谐振器；
图8B是图8A的具有虚线的方形部分的放大视图；
图9是图8A的谐振器在使用期间的透视图；以及
图10示出了实施3轴线检验的MEMS器件。
具体实施方式
图1A是根据本公开的一个方面的谐振型惯性传感器1的示意图。在下文中，它将被称为谐振器1。谐振器1以俯视图示出，在正交轴线X、Y、Z的三轴参考系的平面XY上。
谐振器1包括第一谐振结构2和第二谐振结构4，每个谐振结构包括检验质量块6、8。谐振器1沿着感测轴线具有至少两个振动模式：检验质量块6、8的同相和反相运动。检验质量块6通过多个(这里是四个)弹簧10a-10d被机械地耦合到基板15，弹簧10a-10d允许检验质量块6沿着X轴线振荡，在该示例性实施例中，X轴线是谐振器1的感测轴线。检验质量块8通过多个(这里是四个)弹簧12a-12d机械地耦合到基板15，弹簧12a-12d允许沿着X轴线的振荡。
第一谐振结构2包括一个或多个驱动电极(这里是两个驱动电极14a、14b)和一个或多个感测电极(这里是两个感测电极16a、16b)。在该实施例中，驱动电极14a、14b和感测电极16a、16b以梳齿的形式被电容地耦合到从检验质量块6突出的相应梳齿。未示出的其他实施例可预见通过平行板致动或压电致动。所有指状物的主要延伸部是沿着X轴线。驱动电极14a、14b被配置为当被偏置时引起检验质量块6沿着X轴线的运动。
第二谐振结构4类似地包括一个或多个驱动电极(这里是两个驱动电极18a、18b)和一个或多个感测电极(这里是两个感测电极20a、20b)。驱动电极18a、18b和感测电极20a、20b以梳齿的形式被可操作地耦合到从检验质量块8突出的相应指状物。驱动电极18a、18b被配置为当被偏置时引起检验质量块8沿着X轴线的运动。
驱动电极14a、14b、18a、18b同时被偏置，以便生成检验质量块6、8的反相运动。
如图1B的放大视图所示，其更详细地示出了图1A的圆圈部分，驱动电极18a的每个指状物与从检验质量块8突出的相邻指状物之间的距离被称为gcf。这对于驱动电极14a、14b和18b同样有效，驱动电极14a、14b和18b中的每一个都具有与从检验质量块6或8突出的相邻指状物相距等于gcf的指状物。gcf的值例如在1.5μm-2.5μm的范围内。
检验质量块6和8形成第一谐振结构2和第二谐振结构4的相应转子电极。第一谐振结构2还包括两个调谐电极(在下文中，也被称为定子电极)22、23；类似地，第二谐振结构4还包括两个调谐电极(定子电极)24、25。根据所公开的实施例，调谐电极22、23以及24、25是以平行板电极的形式。调谐电极22-25被电容地耦合到它们所属的相应的第一谐振结构2和第二谐振结构4。也就是说，第一谐振结构2与调谐电极22形成第一平行板电容器，并且与调谐电极23形成第二平行板电容器；第二谐振结构4与调谐电极24形成第三平行板电容器，并且与调谐电极25形成第四平行板电容器。
检验质量块6包括框架6a，并且还被设置有分隔壁6b，分隔壁6b在框架6a的相对侧之间沿着Y轴线延伸并界定两个中空区域28a、28b。因此，中空区域28a、28b被框架6a围绕。感测电极16a、16b在中空区域28a内延伸，而调谐电极22、23在中空区域28b内延伸。调谐电极22、23具有细长形状(例如，在俯视图中以主侧沿着Y轴线的情况下基本上为矩形)并且在分隔壁6b与平行于框架6a的框架6a的侧面之间被彼此相邻地布置。调谐电极22在与分隔壁6b(沿着X轴线在静止状态中所测量的)的距离gtun处延伸；类似地，调谐电极23在与框架6a的侧面(沿着X轴线在静止状态中所测量的)相同的距离gtun处延伸，并且彼此相距一定距离。一个或多个锚定点或过孔被形成在每个调谐电极22、23下方，以这种方式使得调谐电极22、23被固定到下方的基板并且不会受到外部加速度的影响。相同的锚定点或过孔可被用于极化调谐电极22、23。其他极化方式可被使用。
检验质量块8包括框架8a，并且还被设置有分隔壁8b，分隔壁8b在框架8a的相对侧之间沿着Y轴线延伸并界定两个中空区域29a、29b。因此，中空区域29a、29b被框架8a围绕。感测电极20a、20b在中空区域29a内延伸，而调谐电极24、25在中空区域29b内延伸。调谐电极24、25具有细长形状(例如，在俯视图中基本上为矩形)，并且在分隔壁8b与平行于分隔壁8b的框架8a的侧面之间被彼此相邻地布置。调谐电极24、25在与分隔壁8b和框架8a的侧面的一定距离处延伸，并且彼此相距一定距离。在每个调谐电极24、25下方形成一个或多个锚定点或过孔，使得调谐电极22、23被固定到下方的基板。相同的夹具可以被用于极化调谐电极24、25。其他偏振方式可以被使用。
检验质量块6和8通过调谐叉(tuning fork)被彼此机械地连接，这里利用第一连接弹簧32和第二连接弹簧34(例如，每个都具有蛇形形状)来实施。第一连接弹簧32和第二连接弹簧34允许在反相振动模式期间(即，当检验质量块6、8沿着X轴线以相反方向振荡时)检验质量块6、8的相对位移。
通过便利地偏置由驱动电极14a、14b以及18a、18b以本身已知的方式所实施的梳齿电容器组，第一谐振结构2和第二谐振结构4以它们的反相谐振频率保持振荡(即，检验质量块沿着相同的X轴线以相反的方向振荡)。
从图1A中可以被注意到，第一谐振结构2和第二谐振结构4相对于平行于Y轴线并穿过调谐叉的对称轴线a-a完全对称。在反相振荡中，当检验质量块6朝向X轴线的负方向(即，远离对称轴线a-a)移动时，检验质量块8朝向X轴线的正方向(即，远离对称轴线a-a)移动；相反，类似地，当检验质量块6朝向X轴线的正方向(即，朝向对称轴线a-a)移动时，检验质量块8朝向X轴线的负方向(即，朝向对称轴线a-a)移动。
当调谐电极22-25被适当地极化时(即，在调谐电极22-25与检验质量块6、8之间存在电压差)，归因于静电效应(以本身已知的方式)，第一谐振结构2和第二谐振结构4的反相刚度改变，并且因此谐振器1的反相谐振频率也改变。
当外部加速度aext引起两个检验质量块6和8的同相位移时，检验质量块6与调谐电极22、23之间的间隙以及检验质量块8与调谐电极24、25之间的间隙受到变化，该变化反映了外部加速度aext。取决于加速度的方向和被施加到调谐电极22、23、24、25的偏置的组合，谐振器1的谐振频率经历不同静电影响所引起的不同变化，这些不同静电影响由调谐电极所施加，这些调谐电极相对于那些更远离相应的检验质量块的调谐电极更靠近于相应的检验质量块。
更具体地，应注意，调谐电极22-25的偏置是基于时分方案。在第一调谐时间间隔中，第一调谐电极22和第三调谐电极24被偏置以生成在第一调谐电极22与检验质量块6之间的电压差Vtun，以及在第三调谐电极24与检验质量块8之间的相同的电压差Vtun。检验质量块6、8例如处于固定电压VDC(例如，VDC≈10V和Vtun≈7V)。在该时间间隔期间，引起检验质量块6、8以正X方向的共模运动的外部加速度的存在将分别地引起调谐电极22和24与质量块6和8之间的较小间隙，因此导致谐振器1的反相模式谐振频率相对于静止位置的值减小。反之亦然，相反方向上的加速度将导致更大的间隙，从而导致增加的反相模式谐振频率。在第二调谐时间间隔中，第二调谐电极23和第四调谐电极25被偏置以生成第二调谐电极23与第一检验质量块6之间的电压差Vtun以及第四调谐电极25与第二个检验质量块8之间的电压差Vtun；而第一调谐电极22和第三调谐电极24被偏置，以便使电压差为零，其中检验质量块6、8被保持在固定电压VDC。在没有沿着X轴线的外部加速度aext的情况下，在第一时间间隔和第二时间间隔期间的谐振器1的频率变化是相同的。在存在由沿着X轴线的外部加速度aext所引起的检验质量块6、8的同相位移的情况下，谐振器1在第一时间间隔和第二时间间隔期间经受相反符号的频率变化。
这种现象是由于反相振荡频率受间隙gtun值的高度影响的事实所引起的。由于外部加速度aext引起检验质量块6、8沿着X轴线的延长的同相位移，因此间隙gtun的延长的减小/增量影响反相振荡频率的值。稍后将详细讨论这种现象。
通过提供被耦合到感测电极16a、16b、20a、20b的差分类型的感测电路，输出信号被生成为在第一调谐时间间隔期间所获取的谐振频率的值与(在时间上)紧接在第一调谐时间间隔之后的第二调谐时间间隔期间所获得的谐振频率值的值之间的差值(或反之亦然)。该输出信号与待被测量的外部加速度aext成比例。待被测量的外部加速度aext的频率应该低于第一调谐时间间隔与第二调谐时间间隔之间的切换频率。
图2示出了图1A的谐振器1的双质量块-弹簧-阻尼器模型。检验质量块6被表示为第一质量块m1，检验质量块8被表示为第二质量块m2，并且第一连接弹簧(调谐叉)32和第二连接弹簧(调谐叉)34一起被表示为具有刚度k12的一个弹簧。此外，在该模型中，k1和k2是将两个检验质量块6、8连接到基板15的相应的弹性元件10a-10d和12a-12d的刚度。与相应的质量块m1和m2相关联的阻尼系数利用b1和b2来指示(在下文中，b1＝b2＝b)，而在该模型中交叉阻尼系数已被忽略。此外，当沿着X朝向X的正方向定向时，位移被认为是正的；作用在系统上的其他力利用箭头表示，并在下文中描述。
在工作状态下，以下三个力作用于每个质量块m1、m2：Facc，由外部加速度aext所引起的惯性力(对于质量块m1、m2二者共有)；Fdrive1和Fdrive2，由梳齿电极14a-14b和18a-18b所施加到相应的检验质量块6、8的驱动力；Ftun1和Ftun2，由调谐电极22、23以及24、25在先前所讨论的第一调谐时间间隔和第二调谐时间间隔中所施加在相应的检验质量块6、8上的力。
力Ftun1和Ftun2是作用在检验质量块6、8上的静电力，并且取决于调谐电极22-25相对于检验质量块6、8被偏置的电压，如以下的等式所详述。
考虑上述力，可以为每个质量块m1和m2写出运动等式：
Figure BDA0001781954930000091
其中x1和x2是质量块m1和m2分别地沿着X轴线相对于静止状态的位移。
这里应注意，根据本发明，谐振器1在使用期间受反相振动(以谐振频率)的控制，而外部加速度激励同相振动模式。通常的加速度具有低于同相谐振频率的频率，并且将引起由xph＝(1/w0ph)2·aext所给出的位移，其中w0ph是同相谐振频率。
同相xph和反相xaph位移可以被定义如下：
Figure BDA0001781954930000092
等式(2)可以被代入等式(1)，还考虑到在所讨论的实施例中，m1＝m2＝m并且k1＝k2＝k，从而获得：
Figure BDA0001781954930000093
重新整理(3)中的等式，可以获得更便利的形式：
Figure BDA0001781954930000094
可以在拉普拉斯域中分析等式(4)的系统，获得针对同相和反相模式中的每一种模式的二阶力-位移传递函数。因此，同相和反相模式的固有谐振频率分别地可被写为：
Figure BDA0001781954930000101
为了评估器件的敏感度，找出反相模式的谐振频率的改变与外部加速度aext之间的关系是有用的。f0的调谐由等式(4)中的Ftun1和Ftun2所确定。被施加到被悬挂的质量块的静电力F(t)取决于调谐电极与检验质量块之间的电压差V(t)，如下：
Figure BDA0001781954930000102
其中δC/δx是可移动质量块沿着x的每单位位移的电容变化。
为了计算被施加在调谐电极(定子)22-25上的调谐电压的影响，图1A的图示可被作为参考。考虑定子22、23(这里是以平行板电极的形式)，它们以频率fsw＝1/Tsw被交替地“接通”(即，以相对于检验质量块的电压差被偏置)和“关断”(即，以检验质量块的相同电压被偏置)。
做出以下假定：
●Vtun是转子6的偏置电压与定子22或23的偏置电压之间的电压差(在相应的调谐时间间隔中)，
●第一调谐时间间隔是[0–Tsw/2]，其中定子22被偏置而定子23未被偏置，
●第二调谐时间间隔是[Tsw/2–Tsw]，其中定子23被偏置而定子22未被偏置。
根据上述假定可以得出，静电力Ftun1可以被写为：
Figure BDA0001781954930000103
以上类似地被施加于定子24、25，使得静电力Ftun2可被写为：
Figure BDA0001781954930000111
其中Ltun和Ntun分别地是长度(沿着Y轴线)和调谐电极的数目(例如，这里Ltun约为400μm而Ntun等于1)；ε0＝8.854×10-12F·m-1是真空介电常数；H是谐振结构2、4和调谐电极22-25的工艺高度(即沿Z轴线的厚度)，假如制造工艺使得形成谐振器1的所有元件具有相同的厚度并且通过普通的光刻工艺被实现–例如H在20μm-30μm的范围内；gtun是在静止状态下转子6与每个定子22、23(或者类似地，转子8与定子24、25)之间的间隙的较小值并且例如大约为2μm。
用xph+xaph代入x1，并用xph-xaph代入x2，以及对于xaph和xph的小值相对于间隙gtun(例如，考虑xaph和xph比间隙gtun的度量低一个数量级)线性化，得到：
Figure BDA0001781954930000112
Figure BDA0001781954930000113
可以观察到，等式(9)中的力的影响等于反相模式的静电刚度kel：
Figure BDA0001781954930000114
其中，kel,0是没有外部加速度的情况下的静电刚度kel(即，其中xph＝0)。
这种静电弹簧软化确定了反相模式谐振频率变化，被描述如下：
Figure BDA0001781954930000115
其中k1＝k2＝k。
首先，可以注意到kel取决于同相位移xph，而同相位移xph又取决于具有众所周知关系的外部加速度aext
Figure BDA0001781954930000121
其中ω0,ph由等式(5)给出。
因此，反相模式谐振频率提供关于外部加速度aext的信息。考虑等式(10)，注意到在两个时间间隔[0–Tsw/2]和[Tsw/2–Tsw]中因子(具有相反符号)被添加到kel,0。在存在外部加速度(即，其中xph＝0)的情况下，该因子在两个时间间隔中引起相反符号的频移。因此，差分读出和偏移漂移补偿是可能的，如稍后详细的描述。
将等式(10)代入等式(11)，获得：
Figure BDA0001781954930000122
其中，faph,0指代静止状态下的反相谐振频率，即没有外部加速度的情况下。
当差分类型的读出被采用以用于读取第一检验质量块6和第二检验质量块8的谐振频率(即，将一个频率减去另一频率)时，容易获得敏感度的表达式(以便利的形式写为)：
Figure BDA0001781954930000123
应注意，敏感度随着调谐板22-25的面积的增加而增加，并且与Vtun具有平方依赖性。敏感度与间隙gtun具有强的依赖性。此外，敏感度与kph成反比。
图3是图1A的谐振器的驱动部件的一部分(特别是第一谐振结构2的驱动部件)的示意图。这同样适用于第二谐振结构4的驱动部件。
通过在梳齿电极14a、14b处施加电压来生成驱动力，以实施所谓的推挽驱动。为此，相对的AC电压va(t)(叠加在相同的VD偏压上)被分别地施加到驱动电极14a和14b，驱动电极14a和14b被布置在检验质量块6的相对侧上。由此得到的驱动力FDL、FDR具有相同的方向和符号，以及得到的模数是：
Figure BDA0001781954930000131
Figure BDA0001781954930000132
其中Ncf,D是驱动电极齿的数目；ηd是驱动转换因子(驱动电压与被施加到结构的力之间的比例系数)。
与单一端口相关联的驱动转换因子ηd(即，不考虑梳齿推挽驱动器，也不考虑其他检验质量块8)如下：
Figure BDA0001781954930000133
如参考图1A所讨论的，谐振器1包括感测电极16a、16b以及20a、20b，以用于分别地感测检验质量块6和检验质量块8的位移。这些感测电极可以以如附图所示的梳齿电极的形式实施，或者根据另一实施例(未示出)以平行板的形式实施。图4是图1A的谐振器的感测部件的一部分(特别是第一谐振结构2的感测部件)的示意图，其中感测电极被设计为梳齿。相同的考虑适用于第二谐振结构4的感测部件。
参考图4，针对感测部件，采用差分读出配置。以下的等式(17)示出了运动电流is与所考虑的检验质量块的速度成正比：
Figure BDA0001781954930000134
其中VDC是检验质量块的极化电压，VS是感测电极的极化电压；以及ηs是速度与从感测电极的Ncf,S个梳齿流出的电流之间的比例系数(换而言之，它是考虑仅一个分支的差分读出和仅一个检验质量块所获得的电流)。因此，ηs的表达式可以被写为：
Figure BDA0001781954930000135
其中gcf是直接面对它们所耦合的刚性质量块6、8的相应齿的感测电极16a、16b与20a、20b的齿之间的间隙(沿着Y轴线)，(这里gcf类似于参考图1B所描述的间隙gcf并且具有间隙gcf的相同值，因此它被赋予相同的名称)。
电容-电压转换器块40包括例如差分跨阻放大器(TIA)40a。
在器件的操作期间，感测电极16a、20b、以及特别是感测电极16a、20b的齿与检验质量块6、8的齿之间的电容经历相同符号的变化，其中感测电极16a、20b的齿与检验质量块6、8的齿被相互交叉，其中两个电容都增加或两个电容都减小(反相振荡)。具有相同符号和幅度的两个电流信号被生成并相加。由此产生第一公共输出电信号(电流信号)is。同时，在感测电极16b、20a的齿与检验质量块6、8的齿之间的电容经历相反的变化(两个电容都减小或两个电容都增加)，感测电极16b、20a的齿与检验质量块6、8的齿相互交叉。具有相同符号和幅度的两个电流信号被生成并被相加。由此产生第二公共输出电信号(例如，电流信号)is’。TIA 40a将两个公共输出电信号之间的差值is-is’转换为可测量的电压信号。通过测量TIA输出电压信号的频率可以推断反相模式谐振频率的值并因此通过等式(14)推断所施加的加速度aext的值。
谐振器1的驱动和读取方法采用在两个调谐时间间隔中所实施的谐振器1的反相谐振频率的差分读出。特别地，根据一个实施例，该方法可被总结如下：
-在第一步骤中，第一谐振结构2和第二谐振结构4以反相被驱动，其中适当地偏置驱动级14a、14b以及18a、18b；
-在第二步骤中，维持第一谐振结构2和第二谐振结构4在反相模式中的振荡，调谐电极22、23(例如，电极22)之中的一个和调谐电极24、25(电极24)之中的一个被偏置在使得生成Vtun电压差的电压处：这引起谐振器1的谐振频率变化；如果谐振器1经受外部加速度的影响，该外部加速度引起第一谐振结构2和第二谐振结构4朝向电极22、24并远离电极23、25的位移(从而减小第一谐振结构2和第二谐振结构4与相应的电极22、24之间的间隙)，第一谐振结构2和第二谐振结构4的反相谐振频率下降(反之亦然，频率会增加)；
-在第三步骤中，维持第一谐振结构2和第二谐振结构4处于反相振荡，调谐电极22、23(这里是电极23)之中的另一个和调谐电极24、25之中的另一个(这里是电极25)被偏置在使得生成Vtun电压差的电压处：这引起第一谐振结构2和第二谐振结构4的谐振频率变化；如果谐振器1经受先前第二步骤相同的外部加速度，则这引起第一谐振结构2和第二谐振结构4朝向非偏置电极22、24并远离偏置电极23、25的位移(因此增加了第一谐振结构2和第二谐振结构4与相应电极23、25之间的间隙)，并且第一谐振结构2和第二谐振结构4的反相谐振频率增加(反之亦然，频率将下降)；
-在第四步骤中，可以在谐振频率的增加或下降之间进行简单的相关以获得外部加速度的方向和模量。实际上，在两个时间间隔中反相频率的差分移位之间存在线性关系：Δf＝S·aext，其中S是等式(14)的敏感度。
图5示出了驱动电路39，驱动电路39被配置为启动和维持谐振器1的检验质量块6、8的反相振荡。驱动电路39包括：已经参考图4所描述的被耦合到谐振器1的电容-电压转换器41；被设置有平方电路43b的增益相位块43，被设计以接收由电容-电压转换器41所生成的电压信号，并生成满足持续振荡的巴克豪森(Barkhausen)准则的驱动信号；被耦合在增益相位块43与谐振器1之间的H桥开关电路45，以从增益相位块43接收驱动信号，并向谐振器1供应方波信号，该方波信号具有适于驱动反相振荡中的检验质量块的频率；以及幅度增益控制块47，被耦合到电容-电压转换器41和H桥开关电路45，以接收来自电容-电压转换器41的电压信号，并控制H桥开关电路以调整由H桥开关电路45所生成的信号的幅度。上文所讨论的MEMS谐振器具有推挽式驱动结构，推挽式驱动结构涉及向驱动电极提供具有相互相位移位180°的相应信号。这些信号的幅度可以利用AGC来调节以控制反相移动。来自比较器的信号(及其负向形式)可以被提供给供应有可调电压VCONT的一对反相器。以这种方式，输出将由相互移位180°的两个方波所形成，具有VCONT幅度。
H桥开关电路45的输出以本身已知的方式被供应给驱动电极14a、14b、18a、18b。
申请人注意到，为了满足巴克豪森准则，沿着环，总相移应为360°，使得振荡开始并被正确地保持。当利用引入270°相移的反相积分器执行读出时，利用另一移相器元件43a来引入另外的90°移位。当通过TIA放大器执行读取时，移相器元件43a可以被省略。
定时块49被耦合到谐振器1，并被配置为生成具有50％占空比的方波信号，其中在每个周期中，方波的最大值的持续时间对应于第一时间间隔(当调谐电极22、24以相对于检验质量块6、8的Vtun电压差被偏置时)，并且方波的最小值的持续时间对应于第二时间间隔(当调谐电极23、25以相对于检验质量块6、8的Vtun电压差被偏置时)。偏置块51接收如此所生成的方波，并且在第一时间间隔期间，生成用于调谐电极22、24的偏置电压；在第二时间间隔期间，它生成用于调谐电极23、25的偏置电压。
从上面可以明显看出，转换器40的物理输出可以被用于取得谐振器1的输出信号，即检验质量块6和8的振荡频率。如已经说明的那样，通过监测振荡频率，可以沿着感测轴线(这里是X轴线)获得作用在谐振器1上的外部加速度的指示。类似地，启动块43与H桥开关电路45之间的节点57也可以被用作频率监测的取得节点(这里，信号是被平方的，因此质量更好)。
为此，频率-数字转换器59被耦合到节点57并且被配置为生成输出信号SDIG，其在图6中被示例性地示出。
信号SDIG示出了在由图5的块49和51所生成的方波信号所定义的每个第一时间间隔和第二时间间隔中的谐振器1的振荡频率值的示例性变化。
图7示出了由图5的减法器块61所计算的差分频率变化信号OutDiff，其通过将在每个第二时间间隔期间所获得的频率减去紧接在前或紧接在后的每个第一时间间隔期间所获得的频率。显然，可以在相应的多个第一调谐时间间隔期间所获取的多个谐振频率的中间值与在相应的多个第二调谐时间期间所获得的多个谐振频率的中间值之间执行减法操作。
差分频率变化信号OutDiff可以通过以下过程与外部加速度相关。
参考图5，注意到，节点57处的振荡器输出的频率等于反相振动模式的频率。通过在两个调谐间隔中测量该信号的频率，可以获得(f1和f2在第一调谐间隔和第二调谐间隔中所测量的频率)：
fout1＝f0+Δf(a)
fout2＝f0-Δf(a)
其中f0是单一谐振器1静止时的谐振频率。通过计算差值：
fout,diff＝fout2-fout1＝2Δf(a)
并且通过将fdiff的等式除以由等式(14)所给出的敏感度，可以获得外部加速度aext的度量：
Figure BDA0001781954930000171
根据上文所述，获得了一种信号，该信号在一阶对谐振频率的温度变化不敏感，因此解决了上文参照现有技术讨论的问题。
作为非限制性示例，现在提供图1A的谐振器的可能尺寸。谐振器1可以以占据约500×500μm2的总面积(在XY平面上)的方式设计。在这样的实施例中，调谐电极22-25可以具有沿着Y轴线所测量的约400μm的长度Ltun。
每个调谐电极22-25的极化电压可以在转子极化VDC(例如，由电荷泵所供应的10V)和集成电子器件电源电压(例如，约3V)之间切换：在该示例中，电压差Vtun是约7V。在一些实施例中，电压差Vtun在3V至15V的范围内。归因于敏感度规格，如已经说过的，间隙gtun约为2μm(或甚至更小，例如，在1μm至1.8μm之间，如果制造技术不是限制因素)。已知当封装时，谐振器1将受到约0.7mbar的封装内部压力，可以计算阻尼系数b的值，其为约4.4μNs/m。申请人证实，25kHz左右的振荡频率faph允许以反相模式驱动第一谐振结构2和第二谐振结构4并获得良好的敏感度。在质量块m1＝m2＝m≈3nkg的情况下，申请人证实了针对反相模式所获得的品质因子约为1000。
为了确定驱动电极的尺寸，申请人证实，对于每个驱动电极，大约7-10个(例如等于8个)的驱动梳齿数目Ncf,D足以维持所期望的振荡。对于感测电极而言，约50-60的数目Ncf,S允许在前端电子器件(感测电路)中注入所期望量的电流以获得良好的信噪比。
在沿着X轴线为450nm的固定反相位移的情况下，并且选择约1.8μm的驱动齿之间的最小间隙gcf，从两个感测电极之一流出的感测电流的幅度可以被计算为：
Figure BDA0001781954930000181
基于等式(17)，可以得出结论(在所呈现实施例中具有两个感测电极)，在使用期间，20nA电流流入图4中所示的全差分跨阻放大器40的每个反馈路径。
上文所讨论的实施例和原理可以适于期望感测平面外加速度的应用(即，沿着Z轴线的加速度分量)。参见图8A，示出了适于感测平面外加速度的惯性传感器的示意性示例。
根据图8A，根据本公开的一个方面，示出了谐振类型50的惯性传感器。在下文中，它将被称为谐振器50。图8A的谐振器50包括：刚性框架52(经由夹具53被连接到基板63)和扭转谐振元件54、56，扭转谐振元件54、56通过扭转弹簧58a、58b被附接到刚性框架52并且通过另外的扭转弹簧59a、59b彼此被耦合。每个扭转谐振元件54、56包括：两个扭转子元件54a、54b以及56a、56b，它们通过位于基板63上的驱动电极62a’、62b’以及64a’、64b’分别地沿着Z轴线保持振荡，并且其振荡是由位于基板63上的感测电极62a”、62b”以及64a”、64b”被分别地感测。当外部加速度az(沿着Z轴线方向)出现时，扭转谐振元件54、56绕轴线b-b振荡。归因于它们的振荡，扭转子元件接近它们下方的调谐电极70-74。遵循谐振器1的相同概念机制，谐振器50的特征还在于至少两种振动模式：一种同相模式的振动和一种反相模式的振动。更具体地，参考图9，当同一扭转谐振元件54的扭转子元件54a、54b以反相振荡被驱动时，一个扭转子元件(这里是54b)朝向Z轴线的正方向移动，而另一扭转子元件54a朝向Z轴线的负方向移动。类似地，当同一扭转谐振元件56的扭转子元件56a、56b以反相振荡被驱动时，一个扭转子元件(这里是56a)朝向Z轴线的正方向移动而另一扭转子元件56b朝向Z轴线的负方向移动。
图8B是图8A的带虚线的圆圈部分的放大视图。这里，箭头示出将扭转子元件54a与扭转子元件56a连接的扭转弹簧59a的旋转指向，以及将扭转子元件54b与扭转子元件56b连接的扭转弹簧59b的旋转指向，以便实施上文所描述的反相振荡。
图9是图8A的谐振器50的透视图，其中扭转子元件以反相模式的振荡所驱动。功能原理类似于参考图1A至图7所公开的原理，因此不再详述。同样在这种情况下，在两个不同的时间间隔中的差分读出是可能的。通过在基板63上提供调谐电极70-74(例如，紧邻驱动电极62a、62b、64a、64b)并根据如针对图1A至图7的谐振器1所讨论的相同的时分方案来偏置调谐电极70-74，根据扭转子元件54a、54b、56a、56b与它们面对的相应调谐电极70-74之间的间隙生成振荡频率变化。差分频率变化与沿着Z轴线的外部加速度az有关。
在图10所示的实施例中，MEMS器件100实施三轴检验，特别是检验沿着第一水平轴线X和第二水平轴线Y并沿着垂直轴线Z作用的加速度的相应的分量。
为此目的，MEMS器件100包括三个不同的微机械结构(谐振器)，每个都是单轴类型，并且特别地：第一谐振器1a，用于检验沿着Y轴线所定向的加速度分量；第二谐振器1b，用于检验沿着X轴线所定向的加速度分量；以及第三微机械结构50，用于检验沿着垂直Z轴线所定向的加速度分量。第一谐振器1a和第二谐振器1b中的每一个在结构上和功能上对应于上文所公开的谐振器1，并且简单地以使相应的敏感轴线(振荡轴线)沿着X轴线(谐振器1a)或者Y轴线(谐振器1b)的方式所定向。
先前根据各种实施例描述的本公开的优点从前述描述中清楚地显现。
特别地，本公开避免使用具有不同调谐板布置的两个单独的谐振器，以实施如现有技术中的差分感测。在这种情况下，使用单一时间切换谐振器确保归因于杨氏模量的温度系数而很好地抑制频率漂移。
所公开的公开内容可以被应用于平面内和平面外器件，并因此确保3轴线结构的可行性。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和所图示的内容进行修改和变化，而不脱离本公开的范围。
可以组合上文所描述的各种实施例以提供另外的实施例。根据上文详细的描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般地，在本申请的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (24)

1.一种惯性传感器，包括：
第一检验质量块，被配置为沿着感测轴线振荡；
第一调谐电极和第二调谐电极；
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器包括所述第一调谐电极和所述第一检验质量块，所述第二电容器包括所述第二调谐电极和所述第一检验质量块，所述第一电容器和所述第二电容器具有相应的电容，所述相应的电容响应于所述第一检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而经历相反的变化；
第二检验质量块，被配置为沿着所述感测轴线振荡；
第三调谐电极和第四调谐电极；
第三电容器和第四电容器，所述第三电容器包括所述第三调谐电极和所述第二检验质量块，所述第四电容器包括所述第四调谐电极和所述第二检验质量块，所述第三电容器和所述第四电容器具有相应的电容，所述相应的电容响应于所述第二检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而经历相反的变化；
驱动组件，被耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块，所述驱动组件被配置为引起所述第一检验质量块和所述第二检验质量块沿着所述感测轴线以谐振频率反相振荡；
偏置电路，被配置为在第一时间间隔中偏置所述第一调谐电极和所述第三调谐电极以生成第一静电场，所述第一静电场引起所述谐振频率的第一变化，以及被配置为在第二时间间隔中偏置所述第二调谐电极和所述第四调谐电极以生成第二静电场，所述第二静电场引起所述谐振频率的第二变化；以及
感测组件，被配置为生成输出信号，所述输出信号是在所述第一时间间隔期间的所述谐振频率的值与在所述第二时间间隔期间的所述谐振频率的值之间的差的函数。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述惯性传感器是加速度计，所述加速度计被配置为感测沿着所述感测轴线作用的外部加速度，由所述感测组件所生成的所述输出信号具有作为所述外部加速度的函数的频率。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，由所述感测组件所生成的所述输出信号是与所述外部加速度成比例的电压信号。
4.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述感测组件包括：
第一感测电极，被电容性地耦合到所述第一检验质量块；
第二感测电极，被电容性地耦合到所述第二检验质量块；
电容-电压转换器，被配置为：
在所述第一时间间隔期间测量第一信号，所述第一信号与所述第一感测电极和所述第一检验质量块之间的电容的变化成比例；
在所述第二时间间隔期间测量第二信号，所述第二信号与所述第二感测电极和所述第二检验质量块之间的电容的变化成比例；
生成第一中间输出信号，所述第一中间输出信号指示在所述第一时间间隔期间的反相谐振频率的第一值；以及
生成第二中间输出信号，所述第二中间输出信号指示在所述第二时间间隔期间的所述反相谐振频率的第二值；以及
减法器，被配置为通过在所述第一值与所述第二值之间执行减法运算来生成所述输出信号。
5.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，所述感测组件还被配置为将所述输出信号与所述外部加速度的值相关。
6.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，多个第一时间间隔中的每一个第一时间间隔以比待被感测的所述外部加速度的频率更高的频率被交替地布置在多个第二时间间隔中的相应第二时间间隔之间。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述第一时间间隔紧接在所述第二时间间隔之前或之后。
8.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，所述第一电容器在所述第一调谐电极与所述第一检验质量块的面对部分之间具有第一间隙，所述第二电容器在所述第二调谐电极与所述第一检验质量块的面对部分之间具有第二间隙，所述第三电容器在所述第三调谐电极与所述第二检验质量块的面对部分之间具有第三间隙，以及所述第四电容器在所述第四调谐电极与所述第二检验质量块的面对部分之间具有第四间隙，
以及其中，在没有所述外部加速度以及所述第一检验质量块和所述第二检验质量块的反相振荡的情况下，所述第一间隙、所述第二间隙、所述第三间隙和所述第四间隙彼此相等。
9.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，所述第一电容器在所述第一调谐电极与所述第一检验质量块的面对部分之间具有第一间隙，所述第二电容器在所述第二调谐电极与所述第一检验质量块的面对部分之间具有第二间隙，所述第三电容器在所述第三调谐电极与所述第二检验质量块的面对部分之间具有第三间隙，以及所述第四电容器在所述第四调谐电极与所述第二检验质量块的面对部分之间具有第四间隙，
以及其中，在所述第一检验质量块和所述第二检验质量块的反相振荡期间，并且在没有所述外部加速度的情况下，所述第一间隙和所述第三间隙彼此相等并且不同于所述第二间隙和所述第四间隙，以及所述第二间隙和所述第四间隙彼此相等并且不同于所述第一间隙和所述第三间隙。
10.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述第一调谐电极、所述第二调谐电极、所述第三调谐电极和所述第四调谐电极相对于所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被空间地布置，使得当所述第一电容器的所述电容响应于所述第一检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而增加时，所述第二电容器的所述电容减小，以及当所述第三电容器的所述电容响应于所述第二检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而增加时，所述第四电容器的所述电容减小。
11.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器是平行板电容器。
12.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述偏置电路被配置为：
在所述第一时间间隔中，在所述第一调谐电极与所述第一检验质量块之间以及在所述第三调谐电极与所述第二检验质量块之间生成相同的电压差；以及
在所述第二时间间隔中，在所述第二调谐电极与所述第一检验质量块之间以及在所述第四调谐电极与所述第二检验质量块之间生成所述电压差。
13.根据权利要求12所述的惯性传感器，其中，所述电压差在3V至15V之间的范围内，包括端值。
14.根据权利要求12所述的惯性传感器，其中，所述偏置电路还被配置为：
在所述第一时间间隔期间，以相同的固定电压偏置所述第一检验质量块、所述第二检验质量块、所述第二调谐电极和所述第四调谐电极；以及
在所述第二时间间隔期间，以所述固定电压偏置所述第一检验质量块、所述第二检验质量块、所述第一调谐电极和所述第三调谐电极。
15.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，还包括基板，所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被悬置于所述基板上方，并且相对于所述基板可移动，所述第一调谐电极、所述第二调谐电极、所述第三调谐电极和所述第四调谐电极相对于所述基板被固定。
16.根据权利要求15所述的惯性传感器，其中，所述感测轴线平行于所述基板的表面。
17.根据权利要求15所述的惯性传感器，其中，所述感测轴线垂直于所述基板的表面。
18.一种MEMS器件，包括：
基板；
第一惯性传感器、第二惯性传感器和第三惯性传感器，所述第一惯性传感器、所述第二惯性传感器和所述第三惯性传感器中的每一个包括：
第一检验质量块，被配置为沿着感测轴线振荡；
第一调谐电极和第二调谐电极；
第一电容器和第二电容器，所述第一电容器包括所述第一调谐电极和所述第一检验质量块，所述第二电容器包括所述第二调谐电极和所述第一检验质量块，所述第一电容器和所述第二电容器具有相应的电容，所述相应的电容响应于所述第一检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而经历相反的变化；
第二检验质量块，被配置为沿着所述感测轴线振荡；
第三调谐电极和第四调谐电极；
第三电容器和第四电容器，所述第三电容器包括所述第三调谐电极和所述第二检验质量块，所述第四电容器包括所述第四调谐电极和所述第二检验质量块，所述第三电容器和所述第四电容器具有相应的电容，所述相应的电容响应于所述第二检验质量块沿着所述感测轴线的振荡而经历相反的变化；
驱动组件，被耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块，所述驱动组件被配置为引起所述第一检验质量块和所述第二检验质量块沿着所述感测轴线以谐振频率反相振荡；
偏置电路，被配置为在第一时间间隔中偏置所述第一调谐电极和所述第三调谐电极以生成第一静电场，所述第一静电场引起所述谐振频率的第一变化，以及被配置为在第二时间间隔中偏置所述第二调谐电极和所述第四调谐电极以生成第二静电场，所述第二静电场引起所述谐振频率的第二变化；以及
感测组件，被配置为生成输出信号，所述输出信号是在所述第一时间间隔期间的所述谐振频率的值与在所述第二时间间隔期间的所述谐振频率的值之间的差的函数。
19.根据权利要求18所述的MEMS器件，其中，所述第一惯性传感器、第二惯性传感器和第三惯性传感器中的每一个惯性传感器的所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被悬置于所述基板上方，并且相对于所述基板可移动，以及所述第一惯性传感器、所述第二惯性传感器和所述第三惯性传感器中的每一个惯性传感器的所述第一调谐电极、所述第二调谐电极、所述第三调谐电极和所述第四调谐电极相对于所述基板被固定。
20.根据权利要求19所述的MEMS器件，其中，所述第一惯性传感器的所述感测轴线是平行于所述基板的表面的第一轴线，所述第二惯性传感器的所述感测轴线是平行于所述基板的表面的第二轴线，以及所述第三惯性传感器的所述感测轴线是垂直于所述基板的表面的第三轴线，所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线相对于彼此正交。
21.一种用于惯性传感器的方法，包括：
通过使第一检验质量块沿着感测轴线以谐振频率振荡来相反地改变第一电容和第二电容，所述第一电容是由第一调谐电极和所述第一检验质量块所形成的第一电容器的电容，所述第二电容是由第二调谐电极和所述第一检验质量块所形成的第二电容器的电容；
通过使第二检验质量块沿着所述感测轴线以所述谐振频率振荡来相反地改变第三电容和第四电容，所述第三电容是由第三调谐电极和所述第二检验质量块所形成的第三电容器的电容，所述第四电容是由第四调谐电极和所述第二检验质量块所形成的第四电容器的电容，所述第一检验质量块和所述第二检验质量块以反相被振荡；
在第一时间间隔中偏置所述第一调谐电极和所述第三调谐电极以生成第一静电场，所述第一静电场引起所述谐振频率的第一变化；
在第二时间间隔中偏置所述第二调谐电极和所述第四调谐电极以生成第二静电场，所述第二静电场引起所述谐振频率的第二变化；以及
生成输出信号，所述输出信号是在所述第一时间间隔期间的所述谐振频率的值与在所述第二时间间隔期间的所述谐振频率的值之间的差的函数。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述惯性传感器是加速度计，以及其中，操作所述惯性传感器包括：感测沿着所述感测轴线作用的外部加速度，
所生成的所述输出信号的频率是所述外部加速度的函数。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所生成的所述输出信号是与所述外部加速度成比例的电压信号。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，使所述第一检验质量块振荡和使所述第二检验质量块振荡被同时地执行。
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