[發(fā)明專利]具有振蕩質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置和控制該裝置的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010625212.0
• 申請日: 2010-12-21
• 公開（公告）號: CN102153043A
• 公開（公告）日: 2011-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·M·羅佐皮亞托羅恩科羅尼;C·卡米納達(dá);L·普蘭迪
• 申請（專利權(quán)）人: 意法半導(dǎo)體股份有限公司
• 主分類號: B81B3/00
• 分類號: B81B3/00;G01C19/56
• 代理公司: 北京市金杜律師事務(wù)所 11256
• 代理人: 王茂華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有振蕩質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置和一種控制具有振蕩質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置的方法。

背景技術(shù)

眾所周知，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的應(yīng)用已經(jīng)日益延伸到各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域并且特別在為寬范圍應(yīng)用提供慣性傳感器、微集成陀螺儀和機(jī)電振蕩器方面已經(jīng)產(chǎn)生了令人鼓舞的效果。

這種類型的MEMS系統(tǒng)通常基于微機(jī)電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)包含至少一個(gè)依靠彈簧連接到固定體(定子)并可按照預(yù)設(shè)的自由度相對于定子運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊。運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊和定子通過多個(gè)各自的梳指狀的且相互面對的電極電容性地耦合，從而形成電容器。運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊例如由于外部應(yīng)力導(dǎo)致的相對定子的運(yùn)動(dòng)，更改了電容器的電容量；由此可能追溯到運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊相對固定體的相對位移和由此施加的力。替代地，通過提供適當(dāng)?shù)钠秒妷海稍谶\(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊上施加一個(gè)靜電力以將它設(shè)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，為了提供機(jī)電振蕩器，MEMS慣性結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)被利用，該頻率響應(yīng)典型地是具有一個(gè)諧振頻率的二階低通型。

MEMS陀螺儀具有更復(fù)雜的機(jī)電機(jī)構(gòu)，其包括兩個(gè)可相對定子運(yùn)動(dòng)并彼此耦合的質(zhì)量塊，從而具有相對的自由度。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊均電容性地耦合到定子。質(zhì)量塊中的一個(gè)專門用于驅(qū)動(dòng)并保持在按諧振頻率的振蕩中。另一個(gè)質(zhì)量塊被帶入(平移的或旋轉(zhuǎn)的)振蕩運(yùn)動(dòng)中，并且，在微結(jié)構(gòu)相對于預(yù)定的陀螺儀軸以角速度旋轉(zhuǎn)的情況下，受到與角速度自身成比例的科里奧利(Coriolis)力。實(shí)際上，被驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊同樣地通過電極電容性地耦合到固定體，作為加速計(jì)工作，其使得能夠檢測科里奧利力和加速度，并因此使追溯到角速度變?yōu)榭赡堋?/p>

在陀螺儀中，如在其他裝置中一樣，量的轉(zhuǎn)換需要運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊或運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的系統(tǒng)維持在給定頻率的振蕩狀態(tài)。顯然地，一旦裝置開啟(上電)或脫離低消耗(斷電)配置，在運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊或運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的系統(tǒng)到達(dá)振蕩的穩(wěn)定狀態(tài)之前啟動(dòng)瞬變是不可避免的。

在啟動(dòng)瞬變中，振蕩運(yùn)動(dòng)通過啟動(dòng)元件施加，其通常以預(yù)定持續(xù)時(shí)間的脈沖列的形式提供足以到達(dá)額定工作頻率的固定量的能量。一旦瞬變消失，啟動(dòng)元件被去激活，而振蕩通過保證正常工作的裝置來維持。

然而，已知的方案必須有相當(dāng)長的啟動(dòng)時(shí)間。事實(shí)上必須考慮安全裕度來確定瞬變的持續(xù)時(shí)間以避免裝置不能到達(dá)額定頻率的穩(wěn)定振蕩狀態(tài)。

另一方面，如果提供的能量過多，振蕩的幅度被證明過大并引起運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊或運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的系統(tǒng)與固定結(jié)構(gòu)的碰撞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種具有振蕩質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置和用于控制具有振蕩質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置的方法，其能夠使所述的缺陷能被克服，并且特別地，減小啟動(dòng)瞬變和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和固定結(jié)構(gòu)之間碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，一種微機(jī)電裝置包括：

主體；

運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊，彈性地連接到該主體并可按照一自由度相對于該主體振蕩地運(yùn)動(dòng)；

驅(qū)動(dòng)裝置，其耦合到該運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊從而形成微機(jī)電環(huán)并被構(gòu)造為在常規(guī)工作模式下保持運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊以穩(wěn)定的工作頻率振蕩；

其特征在于可在啟動(dòng)工作模式下被激活的啟動(dòng)裝置，并且該啟動(dòng)裝置被構(gòu)造為將與運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的振蕩關(guān)聯(lián)的第一信號的當(dāng)前振蕩頻率與參考頻率比較并基于當(dāng)前振蕩頻率和參考頻率之間的比較判定是否向運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊提供加力信號包，從而將能量傳遞到運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊。

一種用于控制具有主體和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的微機(jī)電裝置的方法，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊彈性地連接到該主體并可相對于該主體按照一自由度運(yùn)動(dòng)；

該方法包括：

將與運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊的振蕩關(guān)聯(lián)的第一信號的當(dāng)前振蕩頻率與參考頻率比較；和

基于該當(dāng)前振蕩頻率和參考頻率的比較判定是否向運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊提供加力信號包，從而將能量傳遞到運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在完全以非限制示例的方式并參考附圖描述本發(fā)明的一些實(shí)施例，其中：

-圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的微機(jī)電裝置的簡化結(jié)構(gòu)圖；

-圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的關(guān)于由圖1的裝置執(zhí)行的方法的流程圖；

-圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的微機(jī)電陀螺儀的簡化結(jié)構(gòu)圖；

-圖4是圖3的陀螺儀的一個(gè)級的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖；

-圖5是圖4的級中的第一元件級的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖；

-圖6顯示了關(guān)于圖3的陀螺儀中所使用的量的曲線圖；

-圖7是圖4的級中的第二元件級的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)圖；和

-圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的并入微機(jī)電裝置的電子系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式