[实用新型]MEMS陀螺仪及其电子系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种MEMS陀螺仪及其电子系统。

背景技术

如已知的，微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)凭借其小尺寸、与消费者应用兼容的成本和增加的可靠性而越来越多地用于各种应用。具体地，形成了如使用这种技术的微集成陀螺仪和机电振荡器等惯性传感器。

这种类型的MEMS设备通常包括支撑体和通过弹簧或“弯曲部”而悬挂在支撑体之上并耦合至支撑体的至少一个可移动质量块。弹簧被配置用于使可移动质量块能够根据一个或多个自由度相对于支撑体振荡。可移动质量块电容地耦合至支撑体上的多个固定电极，从而形成具有可变电容的电容器。当MEMS设备作为传感器而进行操作时，可移动质量块相对于支撑体上的固定电极的移动由于作用于其上的力的作用而修改电容器的电容。这种变化允许检测可移动质量块相对于支撑体的位移，并且根据后者，可以检测已经引起位移的外力。相反，当MEMS设备作为致动器而进行操作时，例如通过单独的一组致动或驱动电极向可移动质量块施加适当的偏置电压，从而使得可移动质量块经受引起期望移动的静电力。

在MEMS传感器当中，具体地，陀螺仪具有复杂机电结构，该结构通常包括相对于支撑体可移动的至少两个质量块，该至少两个质量块彼此耦合以便具有多个自由度(这取决于系统的架构)。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或最多两个自由度。可移动质量块通过固定感测电极和可移动感测电极以及通过致动电极或驱动电极而电容地耦合至支撑体。

在具有两个可移动质量块的实施方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且以受控振荡振幅以谐振频率保持振荡。第二可移动质量块通过具有(平移或旋转)振荡运动的第一可移动质量块来驱动，并且当微结构绕陀螺仪的轴以一定角速度旋转时，该第二可移动质量块经受与角速度本身成比例的并且垂直于驱动方向的科里奥利力(Coriolis Force)。在实践中，第二(被驱动的)可移动质量块充当加速度计，该加速度计使得能够检测科里奥利力以及检测角速度。

在另一实施方式中，单个悬挂质量块耦合至支撑体以便相对于支撑体根据两个独立的自由度(即，驱动自由度和感测自由度)可移动。感测自由度可以使得能够沿可移动质量块的平面移动(平面内移动)或者垂直于该平面移动(平面外移动)。致动或驱动设备使悬挂质量块根据这两个自由度之一保持受控振荡。悬挂质量块响应于支撑体的旋转(由于科里奥利力)基于另一个自由度移动。

然而，MEMS陀螺仪具有复杂结构，并且例如由于生产缺陷和工艺扩展而频繁出现悬挂质量块与支撑体之间的非理想机电相互作用。因此，有用信号分量与寄生分量混合，寄生分量对角速度的测量没有贡献并且是潜在的噪声源，这些噪声源的影响是不可预见的。

例如，悬挂质量块与支撑本体之间的弹性连接的缺点可能引起悬挂质量块在并不与设计阶段中所期望的自由度完全一致的方向上的振荡。这种缺陷还可能引起具有沿角速度的检测自由度定向的分量的力的开始。这种力进而生成具有未知振幅的、频率与载波的频率相同的并且具有引起被称为“正交误差”的误差的90°相移的信号分量。

可以从分别表示理想陀螺仪1(图1A)的和经受正交误差的非理想陀螺仪1’(图1B)的移动的图1A和图1B的比较中理解这种影响，其中，仅关于下文中所讨论的零件而示意性地表示了陀螺仪1，1’。

陀螺仪1和1’具有感测质量块5，该感测质量块在第一方向(驱动方向A，此处与笛卡尔参考系的轴X平行)上通过由固定电极7(与衬底刚性连接，未示出)和可移动电极8(与感测质量块5刚性连接)表示的驱动单元6驱动。由固定电极11(与衬底刚性连接，未示出)和由与感测质量块5刚性连接的可移动电极12表示的感测单元10检测科里奥利力在第二方向(感测方向B，此处平行于笛卡尔参考系的轴Z)上引起的移动。

在理想陀螺仪1中，在驱动方向A上恰当地驱动感测质量块5。相反，在非理想陀螺仪1’中，在横向方向W上驱动感测质量块5，该横向方向具有沿感测方向B的驱动分量。

在感测方向B上的寄生移动引起对感测质量块5的将受正交误差的影响的移动的检测。

为了补偿正交误差，在已知陀螺仪中，有可能在感测链的各点中作用。

具体地，使陀螺仪能够具有高温度稳定性和随着时间的高稳定性两者的解决方案是所谓的静电消除方法，包括提供每个悬挂质量块下的电极。