具有对由于诸如正交分量之类的扰动力所致的误差补偿的微机电设备制造技术

MEMS设备具有通过第一弹性元件弹性地承载悬挂质量块的支撑区域。调谐动态吸收器弹性耦合到悬挂质量块，并且被配置为使以动态吸收器的自然振荡频率作用于悬挂质量块上的正交力减幅。调谐动态吸收器由通过第二弹性元件耦合到悬挂质量块的阻尼质量块形成。在实施例中，悬挂质量块和阻尼质量块形成在例如半导体材料的同一结构层中，并且阻尼质量块被悬挂质量块围绕。

【技术实现步骤摘要】
具有对由于诸如正交分量之类的扰动力所致的误差补偿的微机电设备
本公开涉及具有由于由诸如正交分量之类的扰动力所致的的误差补偿的微机电设备。
技术介绍
如已知的，MEMS(微机电系统)由于它们的小尺寸、与消费者应用兼容的成本、以及它们与日俱增的可靠性而以日益广泛的方式被用在不同的应用中。特别是，利用这一技术，制造了诸如微集成的陀螺仪和机电振荡器之类的惯性传感器。这一类型的MEMS通常基于微机电结构，该微机电结构包括支撑体以及通过弹簧或“曲部(flexure)”耦合到支撑体的至少一个可移动质量块(mobilemass)。弹簧被配置用于使得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。可移动质量块电容耦合到支撑体上的多个固定电极，从而形成电容可变的电容器。可移动质量块相对于支撑体上的固定电极的移动(例如在外力的作用下)修改电容器的电容；从而，检测可移动质量块相对于支撑体的位移以及外力是可能的。代之，当供应适合的偏置电压(例如通过驱动电极的分立集)时，可移动质量块可经受使其移动的静电力。为了获得微机电振荡器，通常利用MEMS结构的频率响应，其是二阶低通类型的，并且具有共振频率。特别是，MEMS陀螺仪具有复杂的机电结构，其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于具有若干自由度(这依赖于系统的架构)。在大多数情况下，每个可移动质量块具有一个或两个自由度。可移动质量块电容通过固定的和可移动的感测和驱动电极而耦合到支撑体。在具有两个可移动质量块的实现方式中，第一可移动质量块专用于驱动并且保持以共振频率、受控振荡振幅振荡。第二可移动质量块通过振荡(平移或旋转)运动来驱动，并且在微结构关于陀螺仪轴以角速度旋转的情况下，第二可移动质量块受到与角速度本身成比例的科里奥利力(Coriolisforce)。在实践中，第二(被驱动的)可移动质量块充当加速度计，其使得能够检测科里奥利力和检测角速度。在另一实现方式中，单个悬挂质量块耦合到支撑体，以相对于支撑体可移动，其中具有两个独立的自由度，并且精确地具有一个驱动自由度和一个感测自由度。感测自由度可以包括可移动质量块在平面中的移动(“平面中移动”)或与平面垂直的移动(“平面外移动”)。驱动设备使悬挂质量块保持根据两个自由度之一的受控振荡。响应于支撑体关于感测轴的旋转(由于科里奥利力)，悬挂质量块基于另一自由度移动。如已经提到的，为了使得MEMS陀螺仪能够正常操作，施加使悬挂质量块保持以共振频率振荡的驱动力。然后，读数设备检测悬挂质量块的位移。这些位移表示科里奥利力和角速度，并且可以使用与第二(被驱动的)质量块和固定电极之间的电容变化相关的电读数信号来检测。然而，MEMS陀螺仪具有复杂的结构，并经常具有在悬挂质量块和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(spurious)分量混合，寄生分量对角速度的测量没有贡献。寄生分量可以依赖于各种起因。例如，制造缺陷和过程扩展(processspread)可能是不可避免的噪声源，其影响是不可预见的。常见的缺陷依赖于如下事实，驱动质量块的振荡方向不完全匹配设计阶段中期望的自由度。这一缺陷通常是由于悬挂质量块和支撑体之间的弹性连接中的缺陷，并且造成沿着角速度的检测自由度指向的力的开始(onset)。这一力转而生成误差(称为“正交误差”)，这是由于未知振幅、以与载体相同的频率、并且具有90°相移的信号分量。在一些情况下，正交分量如此大，以致它们不可以简单地忽略，而不引入显著误差。通常，在制造过程结束时，使用校准因子以便将误差降低在可接受的边限内。然而，在许多情况下，问题并未完全解决，因为正交振荡的振幅可以在设备的寿命期间变化。特别是，支撑体可能经受由于机械应力或温度变化所致的变形。转而，支撑体的变形可能会造成质量块的移动并且因此正交分量的不可预见的变化，正交分量不再有效地被补偿。
技术实现思路
本公开的一个或多个实施例可以降低如上面提到的MEMS设备中正交振荡的发生率。根据本公开的一个实施例，提供微机电设备。在实践中，设备使用动态吸收器，动态吸收器能够补偿其可以对悬挂质量块造成不期望位移的诸如惯性系统的正交分量之类的不期望力。为了这一目的，动态吸收器包括调谐阻尼质量块，调谐阻尼质量块固定到悬挂质量块或悬挂质量块系统，并且被配置为具有调谐到待补偿的不期望力的自然频率。以这种方式，阻尼质量块降低悬挂质量块的动态响应并且使其稳定。微机电设备的一个实施例使用两个质量块，其中一个相对于支撑体可移动并且弹性连接到支撑体。这一可移动质量块耦合到基板，以便于具有分别专用于驱动和移动感测(此处在平面外，作为科里奥利力的结果)的两个自由度。另一质量块作为动态吸收器。附图说明为了更好地理解本公开内容，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图来描述其优选实施例，在附图中：图1是依照一个实施例的设备的简化框图；图2示出图1的设备的传递函数的振幅和相位波德图(Bodediagram)；图3示出用于补偿MEMS微结构的正交分量的结构的示意性实施例；图4示出图3的结构的移动的仿真；图5A示出提供具有图3的补偿结构的MEMS陀螺仪的可能实施例的简化图；图5B是在放大比例尺下的图5A的陀螺仪的一部分的俯视图；以及图6示出并入MEMS陀螺仪的电子系统的简化框图。具体实施方式为了理解本公开的方面，将参照图1，图1示出具有两个自由度(虽然以下考虑还适用于具有N个自由度的系统)的诸如陀螺仪之类的MEMS设备1的框图。图1示意性地示出以其基本元件关于根据一个自由度的动态行为(在沿Z轴的例如正交分量的不期望分量存在的情况下，沿这一轴的位移)而示意性地表示的MEMS设备1，从而忽略任何在其它方向上的移动。从而，下文中的考虑目的在于强调在所考虑的方向上的不期望力的效果被抵消的条件。MEMS设备1包括悬挂质量块2和阻尼质量块3。悬挂质量块2通过具有弹性常数k1的弹簧5的第一系统约束至支撑体4，并且通过具有弹性常数k2的弹簧6的第二系统约束至阻尼质量块3。假设F是感测方向Z上的以驱动频率ω的正弦类型的正交力(F＝F0sin(ωt))。正交力F造成MEMS设备1在感测方向上的位移，如由以下方程组所描述的：其中z1是悬挂质量块2的位移，z2是阻尼质量块3的位移，并且k1、k2是弹簧的弹性常数。方程组(1)的解由正弦类型的位移给出：z1(t)＝Z1sin(ωt)z2(t)＝Z2sin(ωt)为了简化，设：其中ω11和ω22是悬挂质量块2的自然频率和阻尼质量块3的自然频率，并且替代方程组(1)中的z1、z2、F0、ω11和ω22，得到针对Z1和Z2求解方程组(2)，并且使它们相对于Z0(如上面定义的)归一化，得到：从方程(3a)可以注意到，当ω＝ω22时(即当以阻尼质量块3的自然频率驱动设备1时)，质量块m1(图1的悬挂质量块2)的位移可以变为零(Z1＝0)。由方程(3a)描述的传递函数Z1/Z0的波德图示出在图2A和图2B中。如可以注意到的：-在阻尼质量块3的自然频率ω22处，由于正交力F，悬挂质量块2的位移X1的振幅具有最小值；-在自然频率ω22的两侧存在两个峰，并且分别对应于同相模15和反相模16，其中悬挂质量块2和阻尼质量块3相对于中心、相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS设备，包括：基板；第一弹性元件；以及可移动质量块系统，所述可移动质量块系统包括：悬挂质量块，所述悬挂质量块通过所述第一弹性元件弹性耦合到所述基板并且受到沿振动方向的扰动力；和动态吸收器，所述动态吸收器弹性耦合到所述悬挂质量块并且被配置为减少所述悬挂质量块由于所述扰动力所致的移动。

【技术特征摘要】
2014.06.30 IT TO2014A0005221.一种MEMS设备，包括：基板；第一弹性元件；以及可移动质量块系统，所述可移动质量块系统包括：悬挂质量块，所述悬挂质量块通过所述第一弹性元件弹性耦合到所述基板，所述悬挂质量块在第一平面中延伸并且受到沿与所述第一平面垂直的振动方向的扰动力；和动态吸收器，所述动态吸收器包括阻尼质量块，所述阻尼质量块弹性耦合到所述悬挂质量块并且被配置为以其自然振荡频率共振，其中所述动态吸收器被配置为吸收由所述悬挂质量块展示的、由于所述扰动力所致的移动。2.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述扰动力是在所述振动方向上以所述阻尼质量块的所述自然振荡频率作用于所述悬挂质量块上的正交力。3.根据权利要求2所述的MEMS设备，其中所述阻尼质量块通过第二弹性元件耦合到所述悬挂质量块，所述第一弹性元件和所述第二弹性元件被配置为使得所述悬挂质量块和所述阻尼质量块能够在所述振动方向上移动。4.根据权利要求3所述的MEMS设备，其中所述阻尼质量块被所述悬挂质量块围绕。5.根据权利要求4所述的MEMS设备，其中所述阻尼质量块和所述悬挂质量块形成在半导体材料的结构层中。6.根据权利要求5所述的MEMS设备，其中所述结构层悬挂在所述基板之上，并且其中所述基板也由半导体材料组成。7.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述MEMS设备形成惯性传感器。8.根据权利要求7所述的MEMS设备，包括第三弹性元件和通过所述第三弹性元件耦合到所述悬挂质量块的驱动结构，所述驱动结构被配置为生成驱动移动，所述驱动移动在与所述振动方向不同的驱动方向上，并且处于所述自然振荡频率。9.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中所述惯性传感器是陀螺仪。10.根据权利要求9所述的MEMS设备，其中：所述陀螺仪是双轴陀螺仪，所述悬挂质量块包括关于第一驱动轴和第二驱动轴对称地布置的第一对感测质量块和第二对感测质量块；所述感测质量块关于中心轴来布置并且弹性耦合到中心锚固区域；所述第一驱动轴和所述第二驱动轴彼此垂直，所述第一对感测质量块相对于所述第二驱动轴对称并且与所述第一驱动轴平行地被致动，所述第二对感测质量块相对于所述第一驱动轴对称并且与所述第二驱动轴平行地被致动；并且所述第一对感测质量块和所述第二对感测质量块均围绕并且弹性耦合到相应的阻尼质量块。11.根据权利要求10所述的MEMS设备，包括：第四弹性元件和第五弹性元件；弹性耦合到所述基板的第一驱动框架和第二驱动框架，所述第一驱动框架和所述第二驱动框架通过所述第四弹性元件弹性耦合到所述第一对感测质量块并且被配置为沿所述第一驱动轴传输驱动移动，所述第一驱动框架和所述第二驱动框架通过所述第五弹性元件弹性耦合到所述第二对感测质量块并且被配置为沿所述第二驱动轴传输驱动移动。12.根据权利要求11所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·G·法罗尼，C·瓦尔扎希纳，R·卡尔米纳蒂，A·托齐奥，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT