[發(fā)明專(zhuān)利]調(diào)節(jié)電容式MEMS陀螺儀檢測(cè)端諧振頻率的電路和方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310035372.3
• 申請(qǐng)日: 2013-01-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103134484A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓國(guó)威;司朝偉;鐘衛(wèi)威
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01C19/56
• 分類(lèi)號(hào): G01C19/56
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS和電路領(lǐng)域，具體涉及一種基于相位檢測(cè)的自動(dòng)調(diào)節(jié)電容式MEMS陀螺儀檢測(cè)端諧振頻率的電路和方法。

背景技術(shù)

MEMS器件基于硅微加工技術(shù)，其突出的特點(diǎn)是體積小，功耗小，易于集成。MEMS陀螺儀是近幾年興起的基于MEMS技術(shù)制作的角速度傳感器。不同于傳統(tǒng)的基于角動(dòng)量守恒原理的陀螺儀，MEMS陀螺儀無(wú)法在襯底上制作低阻尼高速轉(zhuǎn)動(dòng)的部件，因此MEMS陀螺儀測(cè)量角速度主要基于科里奧利效應(yīng)。圖1是MEMS陀螺儀的原理圖，如圖1所示，在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中，質(zhì)量塊11沿徑向(圖中y方向)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到切向(圖中x方向)的力的作用，該切向力(科里奧利力)在慣性參考系中是不存在的，是一種效果力。MEMS陀螺儀的質(zhì)量塊11在驅(qū)動(dòng)端12、12′上施加的驅(qū)動(dòng)力的作用下沿徑向以一定頻率f做往復(fù)振動(dòng)，當(dāng)該體系具有一定角速度時(shí)，該質(zhì)量塊11就會(huì)受到相同頻率f的大小與角速度成正比的切向的科里奧利力的作用，在該科里奧利力的作用下，質(zhì)量塊11會(huì)在切向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的幅度與科里奧利力的大小成正比，也即與角速度成正比。通過(guò)調(diào)理電路，可以輸出大小與體系角速度成正比的電學(xué)信號(hào)。

基于科里奧利效應(yīng)的MEMS陀螺儀，按照其驅(qū)動(dòng)方式，分為電容式、磁場(chǎng)式等幾種類(lèi)型。磁場(chǎng)式MEMS陀螺儀要求給器件提供一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，通常使用強(qiáng)磁鐵，因此器件的體積較大；而電容式MEMS陀螺儀依靠靜電驅(qū)動(dòng)，器件體積大大減小。圖2顯示了典型的電容式MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，電容式MEMS通常包括中心質(zhì)量塊11、驅(qū)動(dòng)端12、12′和檢測(cè)端14、14′，其中驅(qū)動(dòng)端和檢測(cè)端上均具有電極，即圖2中所示的驅(qū)動(dòng)端電極13、13′，檢測(cè)端電極15、15′。各電極通常為梳齒電極。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端電極13、13′固定在中心質(zhì)量塊11對(duì)稱(chēng)的兩側(cè)，與中心質(zhì)量塊11的連線方向?yàn)镸EMS陀螺儀的徑向(圖中y方向)；兩個(gè)檢測(cè)端電極15、15′對(duì)稱(chēng)固定在中心質(zhì)量塊11的另外兩側(cè)，與中心質(zhì)量塊11的連線作為切向。四個(gè)電極與中心質(zhì)量塊11形成電容，與中心質(zhì)量塊之間有電壓差時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電力。

在工作狀態(tài)時(shí)，在中心質(zhì)量塊施加工作偏置電壓V_p(對(duì)地)，用于靜電力的增強(qiáng)和機(jī)電換能的電源；中心質(zhì)量塊11、驅(qū)動(dòng)端電極13、13′在外電路的作用下形成閉環(huán)諧振系統(tǒng)，使中心質(zhì)量塊11受靜電力作用沿徑向諧振(諧振頻率設(shè)為f₀)。使中心質(zhì)量塊11諧振的目的是使振動(dòng)幅度達(dá)到最大，信號(hào)強(qiáng)度最高。在系統(tǒng)有角速度時(shí)，中心質(zhì)量塊11便會(huì)受到頻率與驅(qū)動(dòng)端頻率相同、方向沿切向(也就是檢測(cè)方向)的科里奧利力的作用，從而在檢測(cè)方向振動(dòng)，由此引起中心質(zhì)量塊11與兩個(gè)檢測(cè)端電極15、15′之間的距離和電容的變化。

當(dāng)中心質(zhì)量塊11與檢測(cè)端電極15之間施加了恒定的偏置電壓，就可以將該電容的變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸出。為了與大多數(shù)外部電路兼容，通常情況下會(huì)用跨阻放大器將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

為了達(dá)到較高的檢測(cè)靈敏度，通常要求中心質(zhì)量塊11在檢測(cè)端14的諧振頻率與驅(qū)動(dòng)端12諧振頻率盡量一致，不能有較大的差別，其原因是：當(dāng)中心質(zhì)量塊11在徑向以驅(qū)動(dòng)端諧振頻率f₀振動(dòng)時(shí)，由前述可知，中心質(zhì)量塊11在檢測(cè)端受到的科里奧利力的頻率也是f₀，如果中心質(zhì)量塊11在檢測(cè)方向的諧振頻率同樣為f₀，中心質(zhì)量塊11就會(huì)因科里奧利力發(fā)生諧振，從而使振動(dòng)幅度與其他的頻率點(diǎn)相比出現(xiàn)最大值。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，檢測(cè)端14輸出信號(hào)的頻率在工作狀態(tài)下與驅(qū)動(dòng)端12的信號(hào)頻率總是一致的，但是這個(gè)頻率并不一定是檢測(cè)端中心質(zhì)量塊的諧振頻率，該方向的諧振頻率由器件結(jié)構(gòu)和施加偏置電壓有關(guān)。

然而在實(shí)際的制作和使用時(shí)，兩個(gè)方向的諧振頻率并不能保持很好的相符；比如在器件制作過(guò)程中，因?yàn)楣に嚾莶顔?wèn)題造成器件的實(shí)際諧振頻率與設(shè)計(jì)不符，或者出現(xiàn)離散的情況；又如在實(shí)際的工作環(huán)境中，溫度的變化會(huì)引起材料的機(jī)械特性，包括密度、楊氏模量等的變化，從而使兩個(gè)方向的諧振頻率失配；還比如器件的封裝經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)漏氣導(dǎo)致器件諧振頻率漂移等?，F(xiàn)有的技術(shù)主要依靠提高工藝精度、采用較復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)等方式來(lái)提高其穩(wěn)定性，導(dǎo)致器件成本的升高，同樣使得器件容易受到使用環(huán)境的限制。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題