CN113167582A - 具有衬底和布置在衬底上的机电结构的微机电惯性传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种微机电惯性传感器，具有衬底和布置在所述衬底上的机电结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的微机电惯性传感器。
背景技术
微机电惯性传感器由现有技术以多种实施方式已知。这种传感器的测量原理基于，在线性加速度或旋转时出现的惯性力能够通过振动质量的偏移探测。为了将偏移转化为电信号，例如将与弹动支承的振动质量(质量振动器)连接的电极(质量电极)布置在两个衬底固定的电极(衬底电极)之间。质量振动器的偏移导致第一电极对(即在第一衬底电极和质量电极之间)的距离变化和第二电极对(第二衬底电极和质量电极)的距离变化并且由此导致两个电极对的电容C1和C2的变化。为了测量该电容变化，将衬底电极置于电势VS和-VS(即相反的极性)并且确定质量电极的电势V0。在完美的电荷平衡(即没有寄生损失)时，两个电极对的通过电容变化引起的电荷移动是同样大的并且在V0和VS之间存在线性关系，所述线性关系又能够通过质量电极的移动Δx表达：
在此，g0是在两个衬底电极之间的距离。附加地，在完美的电荷平衡时第一衬底电极施加到质量电极上的力与第二衬底电极施加到质量电极上的力同样大并且相反。与所述移动无关，由衬底电极施加的力完全抵消，使得质量振动器的偏移仅通过要测量的惯性力确定。
然而，在该测量原理的实际实施中，总是存在部分明显的寄生电容，例如在质量电极和衬底之间。如果现在所述电极处于一电势，由于寄生电容出现附加的电荷移动，通过所述电荷移动破坏在两个电极对之间的电荷平衡，并且由此上述线性关系变得非线性。附加地，也不再适用由衬底电极施加到质量电极上的静电力的完美平衡。
由现有技术已知不同的可能性，通过附加措施至少近似实现电荷平衡并且以该方式实现期望的线性关系和静电力均衡。这种技术例如存在于用于电荷补偿的反馈方法中(charge balancing，对此参见“A Fully Differential Charge-Balanced Accelerometerfor Electronic Stability Control”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Volume49，Issue 1，Jan.2014)。在此，所描述的电极组件装入到反馈路径中，在所述反馈路径中电极的电荷损失作为误差信号起作用并且以负数的形式反馈给作用在衬底电极上的电压。通过反馈机制这样适配电压，使得产生消失的电荷损失并且由此迫使实现期望的电荷平衡。配属的调节电路是传感器的控制系统的部分，所述控制系统通常呈专用集成电路(application-specific integrated Circuit，ASIC)的形式实现，所述专用集成电路通过在之后的制造步骤中分开制造的微机电结构连接。
寄生电容存在于惯性传感器的不同部分中。在此，在键合线中例如通过键合线漂移产生的寄生效应大约占据20％的分量并且承受由制造决定的结构和连接技术的偏差，而在微机电结构的供应导线中的寄生电容占据约10％的分量并且承受在制造过程中的相对较小的偏差。通过在微机电结构本身的制造过程中的波动、尤其通过所谓的边缘损失偏差产生的寄生电容占据约70％的最大分量。在ASIC上实现的补偿技术中不会考虑在制造微机电结构时的过程波动，使得这些制造波动使传感器特征曲线的线性恶化。
发明内容
在该背景下，本发明的任务是提供一种惯性传感器，在该惯性传感器中在用于寄生电容的补偿机制中直接考虑在制造微机电结构时的制造波动。
在根据主权利要求的惯性传感器中，用于寄生电容的补偿结构直接实现为微机电结构(下面也称为CMA，capacitive micromechanical accelerometer)的部分并且由此承受类似的几何构型的制造波动。下面，几何构型既理解为不同部件的形状和尺寸，也理解为部件相对彼此的定位。几何关系由于制造技术的波动与结构设计的理想几何形状不同，例如由于沟槽或其壁的不精确垂直的角度。虽然偏差在原则上在不同的并行制造的微机电结构之间或在不同的制造批次之间改变，但所述偏差在单个微机电结构内部或在相邻地位于制造晶片上的结构之间至少部分是一致的，例如呈沟槽的类似倾角的形式。基于本发明的原理在于，第一和第二电容式补偿结构的几何形状这样设置，使得补偿结构的补偿电容与寄生电容相关，使得例如导致高寄生电容的制造技术的波动同时引起补偿结构的高补偿电容。以该方式，有利地可能的是，补偿电容和寄生电容在过程中更好地彼此适配。而如果补偿电容在ASIC内部实现，那么仅额定值基于ASIC的制造过程，而在补偿电容和寄生电容之间的适配是不可能的。
根据本发明的惯性传感器的优选实施方式，惯性传感器具有控制单元，其中，控制单元配置成用于使误差信号最小化，其中，误差信号基于在第一和第二电容之间的电荷平衡，其中，误差信号的最小化通过作用在第二电极上的电势的适配和通过作用在第三电极上的电势的适配实现。在该实施方式中，传感器特征曲线的线性通过使用用于电荷平衡(charge balancing)的方法改善。以该方式，有利地将电荷损失调节为零并且这样确保传感器特征曲线的线性。
根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，控制单元实现为专用集成电路。在此，具有反馈系统的部件的控制单元与用于读取传感器和用于传感器信号处理的部件一起实施为ASIC的部件，而质量振动器和第一、第二及第三电极在CMA侧实施。
根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，误差信号基于在第一和第二电容之间的电荷平衡并且基于在第一和第二补偿电容之间的电荷平衡。以该方式，有利地将根据本发明的补偿结构集成到调节电路中。在第一和第二电容之间以及在第一和第二补偿电容之间通过调节过程补偿的电荷平衡有利地产生传感器特征曲线的线性的改善。
传感器特征曲线的线性还可以通过在ASIC侧添加另外的补偿电容改善。根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，控制单元具有带第三补偿电容的第一电容元件和带第四补偿电容的第二电容元件，其中，第一电容元件与第一电容式补偿结构并联，并且第二电容元件与第二电容式补偿结构并联，并且误差信号基于在第一和第二电容之间的电荷平衡并且基于在第一、第二、第三和第四补偿电容之间的电荷平衡。
根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，控制单元具有第三电容元件和第四电容元件，其中，第三电容元件连接在第一和第二电极之间并且第四电容元件连接在第一和第三电极之间。
前面的说明涉及具有一个质量振动器和至少三个配属的电极的惯性传感器的情况。然而，根据本发明的电容式补偿结构通常能够用于改善在具有大于一个质量振动器的传感器中的传感器特征曲线的线性。前面所述的特征直接概括化。
根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，机电结构具有第二质量振动器、与质量振动器连接的第四电极和与衬底连接的第五和第六电极，其中，在第四和第五电极之间存在第三电容，并且在第四和第六电极之间存在第四电容，其中，机电结构具有与第五电极连接的、带第五补偿电容的第三电容式补偿结构和与第六电极连接的、带第六补偿电容的第四电容式补偿结构，其中，第三和第四补偿电容设置成用于补偿寄生电容。
根据本发明的惯性传感器的另外的优选实施方式，误差信号基于在第一和第二电容之间的电荷平衡并且基于在第三和第四电容之间的电荷平衡，其中，误差信号的最小化通过作用在第二电极上的电势、作用在第三电极上的电势、作用在第五电极上的电势和作用在第六电极上的电势的适配实现。以该方式，能够以有利的方式将电容式补偿结构装入到包括两个质量振动器的电极的调节电路中。这种系统的实施例在图1中示出。以类似的方式能够形成用于具有超过两个质量振动器的传感器的补偿结构和调节系统。前面描述的特征直接概括化。
附图说明
图1示意性示出用于根据本发明的实施方式的具有两个质量振动器的惯性传感器的电容电压转换器的电路。
具体实施方式
在图1中示出用于具有电容式补偿结构的惯性传感器的电容电压转换器的可能实施方案的示意性线路图。在该实施方式中，传感器芯具有两个质量振动器，其中，每个质量振动器具有质量电极(第一电极)，所述质量电极布置在两个衬底电极(第二和第三电极)之间。两个质量振动器和配属的电极在构造方面是相同的，但被施加有相反极性的电势。根据第一质量振动器和与所述第一质量振动器连接的质量电极的偏移，在第一衬底电极和质量电极之间存在第一电容1并且在第二衬底电极和质量电极之间存在第二电容2。
在两个电极对之间存在完美的电荷平衡的情况下，输出电压线性地取决于质量振动器的移动。然而，寄生电容引起在两个电极对之间的不平衡的电荷量，使得产生非线性的关系并且不准确地得出衬底电极和质量电极之间的静电力。对于第二质量振动器得出类似的情况，在该第二质量振动器中在质量电极(第四电极)和配属的衬底电极(第五和第六电极)之间的电容标有1’和2’。
为了使通过寄生电容引起的在电容1、2和1’、2’上的电荷损失最小化，将电容式分配器1、2和1’、2’置入到反馈路径中，其中，电荷损失作为误差信号起作用。为此将节点9和9’上的电信号通过交叉的连接线16和16’与放大器7连接并且通过由放大器7和电容器10和10’形成的集成器转化成输出电压8，通过所述输出电压分别适配作用在节点5和6或5’和6’上的电势。这样通过负反馈将电荷损失调节成零(电荷平衡)。电路和反馈方法的细节在“AFully Differential Charge-Balanced Accelerometer for Electronic StabilityControl”，IEEE Journal of Solid-State Circuits，Volume 49，Issue 1，Jan.2014中描述。
用于电荷平衡的调节电路实施为专用集成电路(ASIC)的部分，专用集成电路与CMA、即传感器芯的微机电结构、尤其是与质量振动器和配属的电极连接。示出的用于电荷平衡的机构还具有一系列另外的补偿电容，所述补偿电容部分地实现为ASIC的组件并且部分地实现为CMA的组件。在此，补偿电容11、12、14和15或11’、12’、14’和15’是ASIC的部分并且在与衬底电极连接的节点5和6或5’和6’之间彼此串联。第一电容式补偿结构3与第一电容元件11并联，并且第二电容式补偿结构4与第二电容元件12并联，其中，补偿结构3和4实现为CMA的部分。类似地，两个另外的补偿结构3’和4’与配属于第二质量振动器的补偿电容11’和12’并联。在此，所有补偿结构3、4、3’、4’完全实现在CMA侧上。在此，微机电结构的寄生电容的补偿通过调节电路和在ASIC侧上的补偿电容11、12、14、15、11’、12’、14’、15’和CMA侧的结构13的部分实现的共同作用得出，所述结构由补偿结构3、4、3’和4’组成。在此，根据本发明，这样选择补偿结构3、4、3’和4’的几何构型，使得在制造CMA时出现的制造波动以类似的方式影响微机电结构的寄生电容和补偿结构的补偿电容。以该方式，能够有利地确保，补偿结构已经由于其几何构型匹配于要补偿的寄生电容。
Claims (8)
1.微机电惯性传感器，具有衬底和布置在所述衬底上的机电结构，其中，所述机电结构具有传感器芯，该传感器芯具有至少一个相对于所述衬底能振动地支承的质量振动器、第一电极、第二电极和至少一个第三电极，其中，所述第一电极与所述质量振动器连接，并且所述第二电极和第三电极与所述衬底连接，其中，在第一电极和第二电极之间存在第一电容(1)并且在第一电极和第三电极之间存在第二电容(2)，其中，所述机电结构具有寄生电容，其中，所述寄生电容通过在所述传感器芯的几何构型中的制造技术的偏差确定，其特征在于，所述机电结构具有与所述第二电极连接的第一电容式补偿结构和与所述第三电极连接的第二电容式补偿结构，其中，所述第一电容式补偿结构的第一补偿电容(3)通过所述第一电容式补偿结构的几何构型确定，该几何构型与所述传感器芯的几何构型具有类似的制造技术的偏差，其中，所述第二电容式补偿结构的第二补偿电容(4)通过所述第二电容式补偿结构的几何构型确定，该几何构型与所述传感器芯的几何构型具有类似的制造技术的偏差，其中，所述第一补偿电容和第二补偿电容(3、4)设置成用于补偿所述寄生电容。
2.根据权利要求1所述的微机电惯性传感器，其中，所述惯性传感器具有控制单元，其中，所述控制单元配置成用于使误差信号最小化，其中，所述误差信号基于在第一电容和第二电容(1、2)之间的电荷平衡，其中，所述误差信号的最小化通过作用在所述第二电极上的电势的适配和通过作用在所述第三电极上的电势的适配实现。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述控制单元实现为专用集成电路。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述误差信号基于在第一电容和第二电容(1、2)之间的电荷平衡并且基于在第一补偿电容和第二补偿电容(3、4)之间的电荷平衡。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述控制单元具有带第三补偿电容(11)的第一电容元件和带第四补偿电容(12)的第二电容元件，其中，所述第一电容元件与所述第一电容式补偿结构并联，并且所述第二电容元件与所述第二电容式补偿结构并联，并且所述误差信号基于在第一电容和第二电容(1、2)之间的电荷平衡并且基于在第一补偿电容、第二补偿电容、第三补偿电容和第四补偿电容(3、4、11、12)之间的电荷平衡。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述控制单元具有第三电容元件(14)和第四电容元件(15)，其中，所述第三电容元件(14)连接在第一电极和第二电极之间并且所述第四电容元件(15)连接在第一电极和第三电极之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述机电结构具有第二质量振动器、与所述质量振动器连接的第四电极和与所述衬底连接的第五电极及第六电极，其中，在第四电极和第五电极之间存在第三电容(1’)，并且在第四电极和第六电极之间存在第四电容(2’)，其中，所述机电结构具有与所述第五电极连接的、带第五补偿电容(3’)的第三电容式补偿结构，并且具有与所述第六电极连接的、带第六补偿电容(4’)的第四电容式补偿结构，其中，所述第三补偿电容和第四补偿电容(3’、4’)设置成用于补偿所述寄生电容。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机电惯性传感器，其中，所述误差信号基于在第一电容和第二电容(1、2)之间的电荷平衡并且基于在第三电容和第四电容(1’、2’)之间的电荷平衡，其中，所述误差信号的最小化通过作用在所述第二电极上的电势、作用在所述第三电极上的电势、作用在所述第五电极上的电势和作用在所述第六电极上的电势的适配实现。
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