[發明專利]具有頻率調節和對正交誤差的靜電消除的MEMS陀螺儀

有效

• 申請號: 201710198481.5
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN108663037B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: D·普拉蒂;C·瓦爾扎希納;T·基亞里洛;P·佛朗哥
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;張昊

本公開涉及具有頻率調節和對正交誤差的靜電消除的MEMS陀螺儀。具體為一種MEMS陀螺儀(60，100)，其中，懸掛質量塊(111?114)相對于支撐結構(125，127)可移動。該可移動質量塊受正交力矩引起的正交誤差的影響；驅動結構(77)耦合至該懸掛質量塊以便以驅動頻率控制該可移動質量塊在驅動方向上的移動。耦合至該可移動質量塊的運動感測電極(130)檢測該可移動質量塊在感測方向上的移動，并且正交補償電極(121?124)耦合至該可移動質量塊以便生成與該正交力矩相反的補償力矩。該陀螺儀被配置成用于使用補償電壓來對這些正交補償電極進行偏置，從而使得該可移動質量塊的諧振頻率與該驅動頻率之差具有預設頻率失配值。

技術領域

本發明涉及一種具有頻率調節和靜電正交誤差消除的MEMS陀螺儀。

背景技術

如已知的，微機電系統(Microelectromechanical System，MEMS)憑借其小尺寸、與消費者應用兼容的成本和增加的可靠性而越來越多地用于各種應用。具體地，形成了如使用這種技術的微集成陀螺儀和機電振蕩器等慣性傳感器。

這種類型的MEMS設備通常包括支撐體和通過彈簧或“彎曲部”而懸掛在支撐體之上并耦合至支撐體的至少一個可移動質量塊。彈簧被配置用于使可移動質量塊能夠根據一個或多個自由度相對于支撐體振蕩。可移動質量塊電容地耦合至支撐體上的多個固定電極，從而形成具有可變電容的電容器。當MEMS設備作為傳感器而進行操作時，可移動質量塊相對于支撐體上的固定電極的移動由于作用于其上的力的作用而修改電容器的電容。這種變化允許檢測可移動質量塊相對于支撐體的位移，并且根據后者，可以檢測已經引起位移的外力。相反，當MEMS設備作為致動器而進行操作時，例如通過單獨的一組致動或驅動電極向可移動質量塊施加適當的偏置電壓，從而使得可移動質量塊經受引起期望移動的靜電力。

在MEMS傳感器當中，具體地，陀螺儀具有復雜機電結構，該結構通常包括相對于支撐體可移動的至少兩個質量塊，該至少兩個質量塊彼此耦合以便具有多個自由度(這取決于系統的架構)。在大多數情況下，每個可移動質量塊具有一個或最多兩個自由度。可移動質量塊通過固定感測電極和可移動感測電極以及通過致動電極或驅動電極而電容地耦合至支撐體。

在具有兩個可移動質量塊的實施方式中，第一可移動質量塊專用于驅動并且以受控振蕩振幅以諧振頻率保持振蕩。第二可移動質量塊通過具有(平移或旋轉)振蕩運動的第一可移動質量塊來驅動，并且當微結構繞陀螺儀的軸以一定角速度旋轉時，該第二可移動質量塊經受與角速度本身成比例的并且垂直于驅動方向的科里奧利力(Coriolis Force)。在實踐中，第二(被驅動的)可移動質量塊充當加速度計，該加速度計使得能夠檢測科里奧利力以及檢測角速度。

在另一實施方式中，單個懸掛質量塊耦合至支撐體以便相對于支撐體根據兩個獨立的自由度(即，驅動自由度和感測自由度)可移動。感測自由度可以使得能夠沿可移動質量塊的平面移動(平面內移動)或者垂直于該平面移動(平面外移動)。致動或驅動設備使懸掛質量塊根據這兩個自由度之一保持受控振蕩。懸掛質量塊響應于支撐體的旋轉(由于科里奧利力)基于另一個自由度移動。

然而，MEMS陀螺儀具有復雜結構，并且例如由于生產缺陷和工藝擴展而頻繁出現懸掛質量塊與支撐體之間的非理想機電相互作用。因此，有用信號分量與寄生分量混合，寄生分量對角速度的測量沒有貢獻并且是潛在的噪聲源，這些噪聲源的影響是不可預見的。

例如，懸掛質量塊與支撐本體之間的彈性連接的缺點可能引起懸掛質量塊在并不與設計階段中所期望的自由度完全一致的方向上的振蕩。這種缺陷還可能引起具有沿角速度的檢測自由度定向的分量的力的開始。這種力進而生成具有未知振幅的、頻率與載波的頻率相同的并且具有引起被稱為“正交誤差”的誤差的90°相移的信號分量。

可以從分別表示理想陀螺儀1(圖1A)的和經受正交誤差的非理想陀螺儀1’(圖1B)的移動的圖1A和圖1B的比較中理解這種影響，其中，僅關于下文中所討論的零件而示意性地表示了陀螺儀1，1’。