CN112798820A - Mems器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS器件，包括检验质量块、第一感测梳、第二感测梳和驱动梳，通过在检验质量块的两侧设置第一感测梳，在检验质量块的另外两侧设置第二感测梳，并在第二感测梳远离检验质量块的一侧设置驱动梳，使得单个所述MEMS器件既能够感应旋转，也能够感应加速度，实现相关技术中至少两个MEMS器件才能达到的等效功能，从而降低生产成本。

Description

MEMS器件

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种MEMS器件。

背景技术

MEMS器件是一种传感器，广泛应用于消费电子、工业生产、医疗电子、汽车电子、航空航天和军事等领域。MEMS器件具有巨大的发展潜力和商业价值。

与机械传感器或光学传感器相比，MEMS器件具有成本低、体积小、功耗低等优点，可以与集成电路集成，MEMS器件包括能够感测加速度的加速度计和能够感测旋转的陀螺仪，该MEMS加速度计和MEMS陀螺仪是导航系统的主要组成部分。

MEMS加速度计的工作原理是惯性效应。当物体运动时，悬浮微结构会受到惯性力的影响。加速度计信号的变化与线性加速度成正比。

MEMS陀螺仪的工作原理是科里奥利效应。当物体旋转时，科里奥利力会影响悬浮物的微观结构。陀螺仪信号的变化与物体的旋转角速度或倾角成正比。

MEMS陀螺仪和加速度计按检测方法主要分为电容式、压阻式、压电式和光学式等。同时，静电驱动和电容式探测器在MEMS陀螺仪和加速度计中的应用广泛，主要是因为其结构简单，工作模式与半导体技术兼容。

MEMS芯片可通过半导体制作方法制造，并且具有单个或多个装置。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。

在相关技术中，MEMS加速度计不能感应旋转，同样地，MEMS陀螺仪也不能感应加速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS器件，所述MEMS器件能够感应旋转，也能够感应加速度。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种MEMS器件，包括：

检验质量块，包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧，其中，所述第一侧和所述第三侧相对，所述第二侧和所述第四侧相对；

第一感测梳，设为两组，一一对应设置于所述第一侧和所述第三侧，每组所述第一感测梳包括多个第一可移感测梳齿、集成多个所述第一可移感测梳齿的第一可移框架、多个第一固定感测梳齿以及集成多个所述第一固定感测梳齿的第一固定框架，所述第一可移感测梳齿和所述第一固定感测梳齿相互交叉形成叉指结构，并沿着所述第一侧的长度方向延伸，其中，所述第一固定感测梳齿和/或所述第一固定框架固定在第一衬底上，所述第一可移框架与所述检验质量块通过弹性悬架弹性连接；

第二感测梳，设为一组或多组，分布于所述第二侧和/或所述第四侧，每组所述第二感测梳包括多个第二可移感测梳齿、集成多个所述第二可移感测梳齿的第二可移框架、多个第二固定感测梳齿以及集成多个所述第二固定感测梳齿的第二固定框架，所述第二可移感测梳齿和所述第二固定感测梳齿相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，其中，所述第二固定感测梳齿和/或所述第二固定框架固定在所述第一衬底上，所述第二可移框架与所述检验质量块通过所述弹性悬架弹性连接；

驱动梳，设为两组，一一对应设置于所述第二侧和所述第四侧，且所述驱动梳设置于所述第二感测梳远离所述检验质量块的一侧，每组所述驱动梳包括多个可移驱动梳齿、集成多个所述可移驱动梳齿的第三可移框架、多个固定驱动梳齿以及集成多个所述固定驱动梳齿的第三固定框架，所述可移驱动梳齿和所述固定驱动梳齿相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，其中，所述固定驱动梳齿和/或所述第三固定框架固定在所述第一衬底上，所述第三可移框架连接所述第二可移框架，或者所述第三可移框架与所述第二可移框架呈一体式结构。

可选的，所述MEMS器件还包括所述第一衬底、固定设置于所述第一衬底上的第一传感平面电极、与所述第一衬底连接并形成空腔的第二衬底，以及固定设置于所述第二衬底上的第二传感平面电极，所述检验质量块、所述第一感测梳、所述第二感测梳、所述驱动梳、所述第一传感平面电极和所述第二传感平面电极均设置于所述空腔内，且所述检验质量块设置于所述第一传感平面电极和所述第二传感平面电极之间。

可选的，所述MEMS器件还包括多个锚点，多个所述锚点均固定在所述第一衬底上，所述第一可移框架和所述第二可移框架均与一个或多个所述锚点通过所述弹性悬架弹性连接，其中，多个所述锚点包括第一锚点和第二锚点，所述第一锚点设置于所述第一感测梳远离所述检验质量块的一侧，且所述第一锚点与所述第一可移框架通过所述弹性悬架弹性连接，所述第二锚点设置在所述检验质量块的顶角处，且所述第二锚点与所述检验质量块存在间隙。

可选的，所述检验质量块内穿设有多个通孔。

可选的，所述MEMS器件还包括读出电路，所述读出电路包括驱动模块、转换模块和处理模块，其中，所述驱动模块在所述检验质量块上施加直流驱动电压，并在所述第二固定框架和所述第三固定框架上施加交流驱动电压，使得所述检验质量块以振荡方式移动；所述处理模块在所述检验质量块上施加具有第二频率的第二交流调制电压；在旋转和/或加速度施加到所述MEMS器件的情况下，所述MEMS器件产生第一电容变化信号，所述转换模块将所述第一电容变化信号转换成第一电压信号并传送至所述处理模块，所述处理模块在所述第二频率下解调所述第一电压信号，并输出所述MEMS器件的加速度信息和旋转信息。

可选的，所述读出电路还包括校准模块，所述校准模块在所述检验质量块上施加具有第一频率的第一交流调制电压，所述驱动模块在所述第三固定框架上施加所述交流驱动电压，所述校准模块连接所述第二固定框架并将所述第二固定框架的第二电容变化信号转化成第二电压信号，所述校准模块在所述第一频率下解调所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号控制所述交流驱动电压的频率、相位角和幅值。

可选的，所述交流驱动电压具有第四频率，所述第四频率和所述第一频率相差至少两个数量级。

可选的，所述第一频率和所述第二频率呈两倍或两倍以上的倍数关系。

可选的，所述转换模块包括第一转换模块和第二转换模块，所述处理模块包括第一处理模块和第二处理模块，所述第一转换模块连接所述第一固定框架，所述第二转换模块连接所述所述第一传感平面电极和所述第二传感平面电极；所述第一处理模块在所述检验质量块上施加所述第二交流调制电压，所述第二处理模块在所述检验质量块上施加具有第三频率的第三交流调制电压；所述第一处理模块获取到所述第一转换模块传送的所述第一电压信号后，在所述第二频率下解调所述电压信号，所述第二处理模块获取到所述第二转换模块传送的所述第一电压信号后，在所述第三频率下解调所述电压信号，其中，所述第二频率和所述第三频率呈两倍或两倍以上的倍数关系。

可选的，所述驱动模块连接所述锚点，并通过所述锚点在所述检验质量块上施加所述直流驱动电压。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的一种MEMS器件，通过在检验质量块的两侧设置第一感测梳，在检验质量块的另外两侧设置第二感测梳，并在第二感测梳远离检验质量块的一侧设置驱动梳，使得单个所述MEMS器件既能够感应旋转，也能够感应加速度，实现相关技术中至少两个MEMS器件才能达到的等效功能，从而降低生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例中的去除第一衬底和第二衬底后的MEMS器件的结构示意图。

图2为图1中A处的局部放大图。

图3为图1中B处的局部放大图。

图4为本发明实施例中的MEMS器件沿着图1中A-A位置剖开的剖视图。

图5为本发明实施例中的MEMS器件沿着图1中B-B位置剖开的剖视图。

图6为本发明实施例中的MEMS器件沿着图1中C-C位置剖开的剖视图。

图7为本发明实施例中的MEMS器件沿着图1中D-D位置剖开的剖视图。

图8为本发明另一实施例中的检验质量块的结构示意图。

图9为本发明实施例中的在科里奥利力作用下，反映驱动信号和感测信号的方向的MEMS器件的示意图一。

图10为本发明实施例中的在惯性力作用下，反映感测信号的方向的MEMS器件的示意图一。

图11为本发明实施例中的在科里奥利力作用下，反映驱动信号和感测信号的方向的MEMS器件的示意图二。

图12为本发明实施例中的在惯性力作用下，反映感测信号的方向的MEMS器件的示意图二。

图13为本发明实施例中的施加在MEMS器件信号频谱的示意图。

图14为本发明第一实施例中的读出电路的示意图一。

图15为本发明第二实施例中的读出电路的示意图一。

图16为本发明第一实施例中的读出电路的示意图二。

图17为本发明第二实施例中的读出电路的示意图二。

图18为本发明第三实施例中的读出电路的示意图。

图19为本发明第四实施例中的读出电路的示意图。

图中：1、检验质量块；2、第一感测梳；21、第一可移感测梳齿；22、第一可移框架；23、第一固定感测梳齿；24、第一固定框架；3、第二感测梳；31、第二可移感测梳齿；32、第二可移框架；33、第二固定感测梳齿；34、第二固定框架；4、驱动梳；41、可移驱动梳齿；42、第三可移框架；43、固定驱动梳齿；44、第三固定框架；5、第一衬底；51、第一传感平面电极；6、第二衬底；61、第二传感平面电极；7、锚点；71、第一锚点；72、第二锚点；8、弹性悬架；9、读出电路；91、驱动模块；911、直流驱动电压源；912、交流驱动电压模块；913、交流驱动电压源；92、转换模块；921、第一转换模块；922、第二转换模块；923、第一跨阻放大器；93、处理模块；931、第一处理模块；932、第二处理模块；933、第一放大器；934、第一解调器；935、第一带通滤波器；936、第二解调器；937、第一低通滤波器；938、第二低通滤波器；939、第二交流调制电压源；940、第二跨阻放大器；941、第二放大器；942、第三解调器；943、第二带通滤波器；944、第四解调器；945、第三低通滤波器；946、第四低通滤波器；947、第三交流调制电压源；95、校准模块；951、第三跨阻放大器；952、第三放大器；953、第三带通滤波器；954、第五解调器；955、第五低通滤波器；956、第六解调器；957、第一调节器；958、加法器；959、第二调节器；960、第一交流调制电压源。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

本发明实施例中提供了一种MEMS器件，如图1-4所示，所述MEMS器件包括：检验质量块1、第一感测梳2、第二感测梳3、驱动梳4、第一衬底5、锚点7和弹性悬架8，其中，如图1所示，所述检验质量块1包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧，其中，所述第一侧和所述第三侧相对，所述第二侧和所述第四侧相对；

所述第一感测梳2设为两组，一一对应设置于所述第一侧和所述第三侧，如图2所示，每组所述第一感测梳2包括第一可移感测梳齿21、第一可移框架22、第一固定感测梳齿23和第一固定框架24，其中，第一可移感测梳齿21和第一固定感测梳齿23均设为多个，所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23相互交叉形成叉指结构，并沿着所述第一侧的长度方向延伸，第一可移框架22集成多个所述第一可移感测梳齿21，第一固定框架24集成多个所述第一固定感测梳齿23，所述第一可移框架22与所述检验质量块1通过弹性悬架8弹性连接，所述第一固定感测梳齿23和/或所述第一固定框架24固定在所述第一衬底5上，例如，在本实施例中，所述第一固定感测梳齿23和所述第一固定框架24均固定在所述第一衬底5上；

所述第二感测梳3设为一组或多组，分布于所述第二侧和/或所述第四侧，例如，在本实施例中，所述第二感测梳3设为四组，其中两组分布于所述第二侧，另外两组分布于所述第四侧；如图3所示，每组所述第二感测梳3包括第二可移感测梳齿31、第二可移框架32、第二固定感测梳齿33和第二固定框架34，所述第二可移感测梳齿31和所述第二固定感测梳齿33均设为多个，所述第二可移感测梳齿31和所述第二固定感测梳齿33相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，所述第二可移框架32集成多个所述第二可移感测梳齿31，所述第二固定框架34集成多个所述第二固定感测梳齿33，所述第二可移框架32与所述检验质量块1通过所述弹性悬架8弹性连接，所述第二固定感测梳齿33和/或所述第二固定框架34固定在所述第一衬底5上，例如，在本实施例中，所述第二固定感测梳齿33和所述第二固定框架34均固定在所述第一衬底5上；

所述驱动梳4设为两组，一一对应设置于所述第二侧和所述第四侧，且所述驱动梳4设置于所述第二感测梳3远离所述检验质量块1的一侧，如图3所示，每组所述驱动梳4包括可移驱动梳齿41、第三可移框架42、固定驱动梳齿43和第三固定框架44，所述可移驱动梳齿41和所述固定驱动梳齿43均设为多个，所述可移驱动梳齿41和所述固定驱动梳齿43相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，所述第三可移框架42集成多个所述可移驱动梳齿41，所述第三固定框架44集成多个所述固定驱动梳齿43，所述固定驱动梳齿43和/或所述第三固定框架44固定在所述第一衬底5上，例如，在本实施例中，所述固定驱动梳齿43和/或所述第三固定框架44均固定在所述第一衬底5上，所述第三可移框架42连接所述第二可移框架32，或者所述第三可移框架42与所述第二可移框架32呈一体式结构，例如，在本实施例中，所述第三可移框架42与所述第二可移框架32呈一体式结构；

通过在所述检验质量块1的两侧设置所述第一感测梳2，在所述检验质量块1的另外两侧设置所述第二感测梳3，并在所述第二感测梳3远离所述检验质量块1的一侧设置所述驱动梳4，所述MEMS器件可以采集所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23的间距变化造成的电容变化信号，从而获得沿Z轴方向上的旋转和沿Y轴方向上的加速度，使得单个所述MEMS器件既能够感应旋转，也能够感应加速度，实现相关技术中至少两个MEMS器件才能达到的等效功能，从而降低生产成本。

同时，本申请实施例中的MEMS器件，通过设置所述所述第二感测梳3，还可以具有下述优点：

第一，通过在所述第二固定框架34和所述第三固定框架44上均施加交流驱动电压，不需要很高的交流驱动电压就能带动所述第二可移框架32和所述检验质量块1以振荡方式移动，从而降低对元器件的输出电压要求，提高了本发明的适用性；

第二，通过采集并处理所述第二固定框架34输出的电容变化信号，并将处理后的信号反馈给连接所述第三固定框架44的交流驱动电压源，能够实现对MEMS器件的校准，从而提高了所述检验质量块1振荡的稳定性，也提高了MEMS器件工作的稳定性。

可选的，所述检验质量块1、所述第一感测梳2、所述第二感测梳3、所述驱动梳4、所述锚点7和所述弹性悬架8可以包括本领域已知的任何合适的半导体材料，例如硅、多晶硅或其他任何半导体材料。

可选的，所述第一感测梳2、所述第二感测梳3、所述驱动梳4、所述锚点7和所述弹性悬架8可以具有大约几微米到100微米的相同或不同的厚度，例如大约2到30微米。

可选的，形成叉指结构的所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23的间隙、形成叉指结构的所述第二可移感测梳齿31和所述第二固定感测梳齿33的间隙，以及形成叉指结构的所述可移驱动梳齿41和所述固定驱动梳齿43的间隙，从约几微米至约十微米自主选择，例如但不限于约1微米至约2微米。

可选的，可以增加或减少所述弹性悬架8的数量；每个所述弹性悬架8上有若干弹性梁，可以增加或减少每个所述弹性悬架8或部分所述弹性悬架8中的所述弹性梁的数量。

在其中一些实施例中，如图4-7所示，所述MEMS器件还包括第一传感平面电极51、第二衬底6和第二传感平面电极61，所述第一传感平面电极51固定设置于所述第一衬底5上，所述第二衬底6与所述第一衬底5连接并形成空腔，所述第二传感平面电极61固定设置于所述第二衬底6上，所述检验质量块1、所述第一感测梳2、所述第二感测梳3、所述驱动梳4、所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61均设置于所述空腔内，且所述检验质量块1设置于所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61之间。

在相关技术中，相对于高性能惯性系统的要求，MEMS陀螺仪的精度仍然很低，减小MEMS陀螺仪误差的方法有两种：首先，改进敏感结构的设计或提高加工质量；其次，采用适当的误差抑制和控制回路补偿方法对误差进行抑制和补偿，提高陀螺仪的性能。加工缺陷和加工误差会影响MEMS陀螺仪的几何和材料特性，并改变陀螺仪的谐振频率，并且制造缺陷和公差是由陀螺仪微观结构的不平衡引起的，产生的正交误差远大于科里奥利力作用下的运动。

在MEMS陀螺仪和加速度计的功能集成中，需要有效地隔离惯性力和科里奥利力作用下的信号分量，并考虑敏感轴之间的相互影响，因此，要提高商用MEMS陀螺仪的性能的稳定性，必须有效地消除误差，而将所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61配对，能够允许使用差分电路测量电容的变化，这种方案既可以放大MEMS器件的输出信号，又可以减少外部振动引起的误差，提高了所述MEMS器件性能的稳定性。

所述MEMS器件可以采集所述检验质量块1与所述第一传感平面电极51、所述第二传感平面电极61的间距变化造成的电容变化信号，从而获得沿Y轴方向上的旋转信息和沿Z轴方向上的加速度信息，使得本发明中的MEMS器件能够实现同时检测沿两个灵敏度轴的旋转和加速度。

可选的，所述腔体内可以包含例如但不限于真空或其他惰性气体，如氮气等。

可选的，所述第一衬底5可以包括本领域已知的任何合适的衬底材料，例如，半导体材料硅或其他任何半导体材料，如果需要，所述第一衬底5可以包括在其上制造的集成电路。

可选的，所述第二衬底6可以包括本领域已知的任何合适的衬底材料，例如，半导体材料硅或其他任何半导体或非半导体材料，例如玻璃、塑料、金属或陶瓷，如果需要，所述第二衬底6可以包括在其上制造的集成电路。

可选的，所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61可以由任何合适的导电材料制成，例如但不限于包括硅的半导体材料，或者包括铜、铝、钛、钴、钨、氮化钛或其它合金的金属材料。

可选的，所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61可自主选择大约几微米的相同或不同的厚度。

在其中一些实施例中，所述锚点7设有多个，例如，在本实施例中，如图1所示，所述锚点7可以设置成6个，多个所述锚点7均固定在所述第一衬底5上，如图2、3所示，所述第一可移框架22和所述第二可移框架32均与一个或多个所述锚点7通过所述弹性悬架8弹性连接，在冲击荷载下，多个所述锚点7可以限制所述第一可移框架22和所述第二可移框架32的移动范围，从而限制所述检验质量块1的移动范围，避免所述MEMS器件受冲击后损坏。

作为优选的实施方式，如图1、2所示，多个所述锚点7包括第一锚点71和第二锚点72，所述第一锚点71设置于所述第一感测梳2远离所述检验质量块1的一侧，且所述第一锚点71与所述第一可移框架22通过所述弹性悬架8弹性连接，所述第二锚点72设置在所述检验质量块1的顶角处，且所述第二锚点72与所述检验质量块1存在间隙，从而进一步限制所述检验质量块1在冲击荷载下的移动范围，避免所述MEMS器件受冲击后损坏。

为了提高检测的精确度，如图8所示，所述检验质量块1内穿设有多个通孔11，当所述MEMS器件放置在含有惰性气体的空腔中时，这些通孔11能够减小气体阻力，使所述检验质量块1保持较大的运动范围，从而提高检测的精确度。

在其中一些实施例中，所述MEMS器件还包括读出电路9，所述读出电路9可以设置在所述空腔中，也可以设置在所述第一衬底5上，或者也可以设置在所述第二衬底6上。

如图14、16所示，所述读出电路9包括驱动模块91、转换模块92和处理模块93，其中，所述驱动模块91在所述检验质量块1上施加直流驱动电压，并在所述第二固定框架34和所述第三固定框架44上施加交流驱动电压，使得所述检验质量块1以振荡方式移动，所述交流驱动电压具有第四频率；所述处理模块93在所述检验质量块1上施加第二交流调制电压，所述第二交流调制电压具有第二频率；在旋转和/或加速度施加到所述MEMS器件的情况下，所述MEMS器件产生第一电容变化信号，所述转换模块92将所述第一电容变化信号转换成第一电压信号并传送至所述处理模块93，所述处理模块93在所述第二频率下解调所述第一电压信号，并输出所述MEMS器件的加速度信息和旋转信息。

通过所述驱动模块91在所述第二固定框架34和所述第三固定框架44上均施加交流驱动电压，由于所述第二可移框架32位于所述第二固定框架34和所述第三固定框架44之间，在施加给位于所述检验质量块1同侧的所述第二固定框架34和所述第三固定框架44的交流驱动电压的相位设置成时刻保持相反的情况下，所述第二可移框架32受到的静电力增大，因此，施加的所述交流驱动电压可以适当减小，又由于所述第二可移框架32和所述检验质量块1弹性连接，因此，不需要很高的交流驱动电压就能带动所述第二可移框架32和所述检验质量块1以振荡方式移动，从而降低对元器件的输出电压要求，提高了本发明的适用性。

例如，如图15所示，所述驱动模块91包括直流驱动电压源911和交流驱动电压模块912，所述直流驱动电压源911在所述检验质量块1上施加直流驱动电压，所述交流驱动电压模块912在所述第二固定框架34和所述第三固定框架44上施加交流驱动电压，使得所述检验质量块1以振荡方式移动；可选的，所述交流驱动电压模块912包括交流驱动电压源913、电压跟随器914和反向电压跟随器915，所述交流驱动电压模块912各组成部分的连接关系如图15所示，所述直流驱动电压源911和所述交流驱动电压模块912产生足够的静电力，驱动所述检验质量块1沿着如图1所示的X轴方向来回振荡。

通过所述电压跟随器914和反向电压跟随器915，保证了施加给位于所述检验质量块1同侧的所述第二固定框架34和所述第三固定框架44的交流驱动电压的相位设置成时刻保持相反，从而不需要很高的交流驱动电压就能带动所述第二可移框架32和所述检验质量块1以振荡方式移动。

在其中一些实施例中，如图14、16所示，所述转换模块92包括第一转换模块921和第二转换模块922，所述处理模块93包括第一处理模块931和第二处理模块932，如图14所示，所述第一转换模块921连接所述第一固定框架24，所述第一处理模块931在所述检验质量块1上施加所述第二交流调制电压，所述第一处理模块931获取到所述第一转换模块921传送的所述第一电压信号后，在所述第二频率下解调所述电压信号。

例如，如图15所示，所述第一转换模块921包括第一跨阻放大器923，所述第一处理模块931包括第一放大器933、第一解调器934、第一带通滤波器935、第二解调器936、第一低通滤波器937、第二低通滤波器938和第二交流调制电压源939，所述第一转换模块921、所述第一处理模块931的各组成部分的连接关系如图15所示，所述第二交流调制电压源939在所述检验质量块1上施加所述第二交流调制电压，所述第一跨阻放大器923设为两个，两个所述第一跨阻放大器923一一对应连接两个所述第一固定框架24。

在所述MEMS器件绕Z轴旋转和/或沿Y轴加速的情况下，如图9所示，如果对MEMS器件施加绕Z轴的旋转，则会产生沿Y轴（垂直于振荡所在轴X轴）的科里奥利力，科里奥利力会使所述检验质量块1沿着Y轴移动，进而改变了所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23的间隙，引起所述第一跨阻放大器923采集的电容变化；如图10所示，如果沿Y轴同时向MEMS器件施加线性加速度，除了科里奥利力之外，所述检验质量块1还承受线性加速度带来的惯性，惯性使得所述检验质量块1沿着Y轴移动，进而改变了所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23的间隙，引起所述第一跨阻放大器923采集的电容变化。

因此，所述第一固定框架24输出的电容变化信号包含了具有旋转信息的交流调制信号分量和具有加速度信息的直流信号分量，在本实施例中，所述第一跨阻放大器923放大采集到的所述第一固定框架24上的电容变化信号，并将所述电容变化信号转变成所述第一电压信号，所述第一跨阻放大器923向所述第一放大器933输入所述第一电压信号，由于所述检验质量块1的所述第一侧和所述第三侧的电容变化存在差异，所述第一放大器933放大并对所述信号做出选择，所述第一解调器934在所述第二频率下解调所述信号，得到包含加速度和旋转信息的分量，为了从整个输出信号中分离出不同的信号分量，进而获取旋转信息和加速度信息，需要使用两种不同的解调方式。

由于旋转信号是由在所述检验质量块1上施加的旋转和振荡（正交误差）所引起的，因此用交流驱动电压源913的第四频率fd进行调制，这样，通过频率为fd的解调器解调后，可以在直流频带上获取旋转信号。可选的，如图15所示，所述第一带通滤波器935对接收到的信号进行处理，输出仅包含频率为所述第四频率的旋转信号，所述第二解调器936的工作频率为所述第四频率，所述第二解调器936在直流频带输出下变频旋转信号，并在较高频率输出其他谐波，也就是说，信号经所述第二解调器936解调后，可以在直流频带上获取旋转信号，所述第一低通滤波器937消除高频谐波，输出旋转信号作为所述MEMS器件绕Z轴旋转的最终输出；所述第一解调器934的另一输出被馈送到所述第二低通滤波器938，所述第二低通滤波器938过滤所有交流信号并且仅输出加速度信号作为沿Y轴加速度的最终输出。

如图16所示，所述第二转换模块922连接所述所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61，所述第二处理模块932在所述检验质量块1上施加第三交流调制电压，所述第三交流调制电压具有第三频率，所述第二处理模块932获取到所述第二转换模块922传送的所述第一电压信号后，在所述第三频率下解调所述电压信号。

例如，如图17所示，所述第二转换模块922包括第二跨阻放大器940，第二处理模块932包括第二放大器941、第三解调器942、第二带通滤波器943、第四解调器944、第三低通滤波器945、第四低通滤波器946和第三交流调制电压源947，所述第二转换模块922、所述第二处理模块932的各组成部分的连接关系如图17所示，所述第三交流调制电压源947在所述检验质量块1上施加所述第三交流调制电压，所述第三交流调制电压具有所述第三频率fs3，所述第二跨阻放大器940设为两个，两个所述第二跨阻放大器940一一对应连接所述第一传感平面电极51和所述第二传感平面电极61。

在所述MEMS器件绕Y轴旋转和/或沿Z轴加速的情况下，如图11所示，如果对MEMS器件施加绕Y轴的旋转，则会产生沿Z轴（垂直于振荡所在轴X轴）的科里奥利力，科里奥利力会使所述检验质量块1沿着Z轴移动，进而改变了所述检验质量块1与所述第一传感平面电极51、所述第二传感平面电极61的间距，引起所述第二跨阻放大器940采集的电容变化；如图12所示，如果沿Z轴同时向MEMS器件施加线性加速度，除了科里奥利力之外，所述检验质量块1还承受线性加速度带来的惯性，惯性使得所述检验质量块1沿着Z轴移动，进而改变了所述检验质量块1与所述第一传感平面电极51、所述第二传感平面电极61的间距，引起所述第二跨阻放大器940采集的电容变化。

所述第二跨阻放大器940将电容变化信号转变成所述第一电压信号，并向所述第二放大器941输入所述第一电压信号，所述第二放大器941放大并选择信号，所述第三解调器942在所述第三频率下解调所述信号，得到包含旋转信号分量和加速度信号分量的混合信号。

所述第三带通滤波器943对接收到的信号进行处理，输出仅包含频率为所述第四频率的旋转信号，所述第四解调器944的工作频率为所述第四频率，所述第四解调器944在直流频带输出下变频旋转信号，并在较高频率输出其他谐波，也就是说，信号经所述第四解调器944解调后，可以在直流频带上获取旋转信号，所述第三低通滤波器945消除高频谐波，输出旋转信号作为所述MEMS器件绕Y轴旋转的最终输出；所述第四低通滤波器946过滤所有交流信号并且仅输出加速度信号作为沿Z轴加速度的最终输出。

通过设置第一转换模块921和第二转换模块922，以及设置第一处理模块931和第二处理模块932，所述MEMS器件可以采集所述第一可移感测梳齿21和所述第一固定感测梳齿23的间距变化造成的电容变化信号，从而获得沿Z轴方向上的旋转和沿Y轴方向上的加速度，所述MEMS器件也可以采集所述检验质量块1与所述第一传感平面电极51、所述第二传感平面电极61的间距变化造成的电容变化信号，从而获得沿Y轴方向上的旋转和沿Z轴方向上的加速度，使得本发明中的MEMS器件能够实现同时检测沿两个灵敏度轴的旋转和加速度，实现相关技术中多个MEMS器件才能达到的等效功能，从而降低生产成本。

在其中一些实施例中，如图18所示，所述读出电路9还包括校准模块95，所述校准模块95在所述检验质量块1上施加第一交流调制电压，所述第一交流调制电压具有第一频率，所述驱动模块91在所述第三固定框架44上施加所述交流驱动电压，所述校准模块95连接所述第二固定框架34并将所述第二固定框架34的第二电容变化信号转化成第二电压信号，所述校准模块95在所述第一频率下解调所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号控制所述交流驱动电压的频率、相位角和幅值。

例如，如图19所示，所述直流驱动电压源911在所述检验质量块1上施加直流驱动电压，所述交流驱动电压模块912在所述第三固定框架44上施加交流驱动电压，使得所述检验质量块1沿X轴以振荡方式移动；所述校准模块95包括第三跨阻放大器951、第三放大器952、第三带通滤波器953、第五解调器954、第五低通滤波器955、第六解调器956、第一调节器957、加法器958、第二调节器959和第一交流调制电压源960，所述校准模块95各组成部分的连接关系如图19所示，所述第一交流调制电压源960在所述检验质量块1上施加第一交流调制电压，所述第一交流调制电压具有第一频率fs1，所述第三跨阻放大器951设为两个，两个所述第三跨阻放大器951一一对应连接所述检验质量块1两侧的两个所述第二固定框架34。

在所述检验质量块1沿X轴来回振荡移动的情况下，所述第二可移感测梳齿31和所述第二固定感测梳齿33的重叠面积发生变化，从而引起所述第三跨阻放大器951采集的电容变化，所述电容变化信号包含具有振荡信息的调制交流信号，所述第三跨阻放大器951将采集到的所述第二固定框架34输出的所述电容变化信号转变成所述第二电压信号，并向所述第三放大器952输入所述第二电压信号，所述第三放大器952对信号进行放大和选择，所述第三带通滤波器953对接收到的信号进行处理，输出包含频率为所述第四频率和所述第一频率的振荡信号，所述第五解调器954在所述第一频率下解调所述信号，所述第五低通滤波器955输出仅包含频率为所述第四频率的振荡信号，所述第六解调器956的工作频率为所述第四频率，所述第六解调器956在直流频带输出下变频振荡信号，所述第一调节器957为具有频率和相位角特性的调节器，所述第一调节器957根据接收到的所述振荡信号调整所述振荡信号的频率和相位角，并将结果传给所述交流驱动电压源913。

所述加法器958一端连接所述第五低通滤波器955输出端，另一端连接所述直流驱动电压源911的正极，所述加法器958将接收到的所述第五低通滤波器955传送的信号与所述直流驱动电压源911输出的所述直流驱动电压进行比较后传输给第二调节器959，所述第二调节器959为具有幅值特性的调节器，所述第二调节器959调整所述信号的幅值并将结果传给所述交流驱动电压源913，在这个阶段，所述MEMS器件被校准。

通过采集所述第二固定框架34输出的所述电容变化信号，并且通过所述第六解调器956和所述第一调节器957一起形成控制回路，控制所述交流驱动电压的频率和相位角，所述加法器958和所述第二调节器959控制所述交流驱动电压的幅值，从而形成反馈，对MEMS器件进行校准，减小了外界环境对所述检验质量块1振荡情况的影响，提高了所述检验质量块1来回振荡的稳定性，进而提高了MEMS器件工作的稳定性。

可选的，所述直流驱动电压可以是恒定偏置电压，其电压大于系统的其他电源电压，所述直流驱动电压可以高于约1伏，例如约10伏。

需要说明的是，如图13所示，为了尽量避免不同频率之间互相干扰，所述第四频率fd和所述第一频率fs1相差至少两个数量级，所述第一频率fs1和所述第二频率fs2呈两倍或两倍以上的倍数关系，所述第二频率fs2和所述第三频率fs3呈两倍或两倍以上的倍数关系，例如，在本实施例中，所述第一频率fs1在数值上比所述第四频率fd大了至少两个数量级，所述第二频率fs2大约是所述第一频率fs1的两倍，所述第三频率fs3大约是所述第二频率fs2的两倍，在其他实施例中，所述第一频率fs1也可以大约是所述第二频率fs2的两倍或两倍以上，所述第二频率fs2也可以大约是所述第三频率fs3的两倍或两倍以上。

可选的，所述第四频率fd可以具有大约1kHz至大约100kHz的低频，例如约5kHz至约10kHz。

可选的，所述第一频率fs1具有大约1 MHz至大约10 MHz的高频。

可选的，所述第二交流调制电压源939、第一交流调制电压源960和所述第三交流调制电压源947的输出电压值可以低于所述交流驱动电压源913和/或所述直流驱动电压源911的电压值。

考虑到所述检验质量块1在工作期间会产生振动和移位，作为优选的实施方式，所述直流驱动电压源911连接一个或多个所述锚点9，并通过所述锚点9在所述检验质量块1上施加直流驱动电压；所述第二交流调制电压源939连接一个或多个所述锚点9，并通过所述锚点9在所述检验质量块1上施加所述第二交流调制电压；所述第一交流调制电压源960连接所述锚点9，并通过一个或多个所述锚点9在所述检验质量块1上施加所述第一交流调制电压；所述第三交流调制电压源947连接一个或多个所述锚点9，并通过所述锚点9在所述检验质量块1上施加所述第三交流调制电压，从而避免电路元器件直接与所述检验质量块1直接相连，降低MEMS器件工作期间电路元器件与检验质量块1连接断开的风险，提高了所述MEMS器件的稳定性和使用寿命。

可选的，所述直流驱动电压源911、所述第二交流调制电压源939、所述第一交流调制电压源960和所述第三交流调制电压源947可以串联配置。

另外，本发明实施例采用半导体制造的标准设备工艺，采用半导体制造的标准设备工艺能够提高所述MEMS器件的成品率，以及降低所述MEMS器件的制造成本，适合批量生产，并且可以有效地抑制误差，提高了所述MEMS器件的制造质量。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件包括：

检验质量块（1），包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧，其中，所述第一侧和所述第三侧相对，所述第二侧和所述第四侧相对；

第一感测梳（2），设为两组，一一对应设置于所述第一侧和所述第三侧，每组所述第一感测梳（2）包括多个第一可移感测梳齿（21）、集成多个所述第一可移感测梳齿（21）的第一可移框架（22）、多个第一固定感测梳齿（23）以及集成多个所述第一固定感测梳齿（23）的第一固定框架（24），所述第一可移感测梳齿（21）和所述第一固定感测梳齿（23）相互交叉形成叉指结构，并沿着所述第一侧的长度方向延伸，其中，所述第一固定感测梳齿（23）和/或所述第一固定框架（24）固定在第一衬底（5）上，所述第一可移框架（22）与所述检验质量块（1）通过弹性悬架（8）弹性连接；

第二感测梳（3），设为一组或多组，分布于所述第二侧和/或所述第四侧，每组所述第二感测梳（3）包括多个第二可移感测梳齿（31）、集成多个所述第二可移感测梳齿（31）的第二可移框架（32）、多个第二固定感测梳齿（33）以及集成多个所述第二固定感测梳齿（33）的第二固定框架（34），所述第二可移感测梳齿（31）和所述第二固定感测梳齿（33）相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，其中，所述第二固定感测梳齿（33）和/或所述第二固定框架（34）固定在所述第一衬底（5）上，所述第二可移框架（32）与所述检验质量块（1）通过所述弹性悬架（8）弹性连接；

驱动梳（4），设为两组，一一对应设置于所述第二侧和所述第四侧，且所述驱动梳（4）设置于所述第二感测梳（3）远离所述检验质量块（1）的一侧，每组所述驱动梳（4）包括多个可移驱动梳齿（41）、集成多个所述可移驱动梳齿（41）的第三可移框架（42）、多个固定驱动梳齿（43）以及集成多个所述固定驱动梳齿（43）的第三固定框架（44），所述可移驱动梳齿（41）和所述固定驱动梳齿（43）相互交叉形成叉指结构，并沿着垂直于所述第二侧的长度方向延伸，其中，所述固定驱动梳齿（43）和/或所述第三固定框架（44）固定在所述第一衬底（5）上，所述第三可移框架（42）连接所述第二可移框架（32），或者所述第三可移框架（42）与所述第二可移框架（32）呈一体式结构。

2.如权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件还包括所述第一衬底（5）、固定设置于所述第一衬底（5）上的第一传感平面电极（51）、与所述第一衬底（5）连接并形成空腔的第二衬底（6），以及固定设置于所述第二衬底（6）上的第二传感平面电极（61），所述检验质量块（1）、所述第一感测梳（2）、所述第二感测梳（3）、所述驱动梳（4）、所述第一传感平面电极（51）和所述第二传感平面电极（61）均设置于所述空腔内，且所述检验质量块（1）设置于所述第一传感平面电极（51）和所述第二传感平面电极（61）之间。

3.如权利要求2所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件还包括多个锚点（7），多个所述锚点（7）均固定在所述第一衬底（5）上，所述第一可移框架（22）和所述第二可移框架（32）均与一个或多个所述锚点（7）通过所述弹性悬架（8）弹性连接，其中，多个所述锚点（7）包括第一锚点（71）和第二锚点（72），所述第一锚点（71）设置于所述第一感测梳（2）远离所述检验质量块（1）的一侧，且所述第一锚点（71）与所述第一可移框架（22）通过所述弹性悬架（8）弹性连接，所述第二锚点（72）设置在所述检验质量块（1）的顶角处，且所述第二锚点（72）与所述检验质量块（1）存在间隙。

4.如权利要求1所述的MEMS器件，其特征在于，所述检验质量块（1）内穿设有多个通孔（11）。

5.如权利要求3所述的MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件还包括读出电路（9），所述读出电路（9）包括驱动模块（91）、转换模块（92）和处理模块（93），其中，所述驱动模块（91）在所述检验质量块（1）上施加直流驱动电压，并在所述第二固定框架（34）和所述第三固定框架（44）上施加交流驱动电压，使得所述检验质量块（1）以振荡方式移动；所述处理模块（93）在所述检验质量块（1）上施加具有第二频率的第二交流调制电压；在旋转和/或加速度施加到所述MEMS器件的情况下，所述MEMS器件产生第一电容变化信号，所述转换模块（92）将所述第一电容变化信号转换成第一电压信号并传送至所述处理模块（93），所述处理模块（93）在所述第二频率下解调所述第一电压信号，并输出所述MEMS器件的加速度信息和旋转信息。

6.如权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于，所述读出电路（9）还包括校准模块（95），所述校准模块（95）在所述检验质量块（1）上施加具有第一频率的第一交流调制电压，所述驱动模块（91）在所述第三固定框架（44）上施加所述交流驱动电压，所述校准模块（95）连接所述第二固定框架（34）并将所述第二固定框架（34）的第二电容变化信号转化成第二电压信号，所述校准模块（95）在所述第一频率下解调所述第二电压信号，并根据所述第二电压信号控制所述交流驱动电压的频率、相位角和幅值。

7.如权利要求6所述的MEMS器件，其特征在于，所述交流驱动电压具有第四频率，所述第四频率和所述第一频率相差至少两个数量级。

8.如权利要求6所述的MEMS器件，其特征在于，所述第一频率和所述第二频率呈两倍或两倍以上的倍数关系。

9.如权利要求5所述的MEMS器件，其特征在于，所述转换模块（92）包括第一转换模块（921）和第二转换模块（922），所述处理模块（93）包括第一处理模块（931）和第二处理模块（932），所述第一转换模块（921）连接所述第一固定框架（24），所述第二转换模块（922）连接所述第一传感平面电极（51）和所述第二传感平面电极（61）；所述第一处理模块（931）在所述检验质量块（1）上施加所述第二交流调制电压，所述第二处理模块（932）在所述检验质量块（1）上施加具有第三频率的第三交流调制电压；所述第一处理模块（931）获取到所述第一转换模块（921）传送的所述第一电压信号后，在所述第二频率下解调所述电压信号，所述第二处理模块（932）获取到所述第二转换模块（922）传送的所述第一电压信号后，在所述第三频率下解调所述电压信号，其中，所述第二频率和所述第三频率呈两倍或两倍以上的倍数关系。

10.如权利要求5至9中任一项所述的MEMS器件，其特征在于，所述驱动模块（91）连接所述锚点（7），并通过所述锚点（7）在所述检验质量块（1）上施加所述直流驱动电压。

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