调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪制造技术

本公开涉及调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪可包括支撑结构以及在相互垂直的驱动方向和感测方向上从支撑结构弹性悬挂的移动质量。驱动结构耦合至移动质量，用于控制移动质量在驱动方向上以驱动频率进行的驱动移动。与驱动结构不同的驱动频率调谐电极面向移动质量。驱动频率调谐器电耦合至驱动频率调谐电极，用于向驱动频率调谐电极提供调谐电压。

MEMS gyroscope with mismatch between driving frequency and sensing frequency

The present disclosure relates to a MEMS gyroscope that adjusts the mismatch between the driving frequency and the sensing frequency. The MEMS gyroscope may include a support structure and a moving mass suspended elastically from the support structure in a mutually perpendicular driving direction and a sensing direction. The driving structure is coupled to the moving mass to control the driving movement of the moving mass in the driving direction at the driving frequency. Different from the driving structure, the driving frequency tuned electrode is oriented to the moving mass. The drive frequency tuner is electrically coupled to the drive frequency tuning electrode to provide a tuning voltage to the drive frequency tuning electrode.

【技术实现步骤摘要】
调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪相关申请的交叉引用本申请要求2017年9月5日提交的意大利专利申请第102017000099412号的优先权，其内容通过引证引入本文。
本专利技术涉及调节驱动频率和感测频率之间的失配的MEMS陀螺仪。
技术介绍
众所周知，MEMS(微机电系统)由于其尺寸小、与消费者应用兼容的成本以及日益增长的可靠性而越来越多地用于各种应用。具体地，使用这种技术，制造惯性传感器，诸如微集成陀螺仪和机电振荡器。这种类型的MEMS器件通常包括支撑主体以及悬挂在支撑主体之上并且通过弹簧或“弯曲部”耦合至支撑主体的至少一个移动质量。弹簧被配置为能够使移动质量根据一个或多个自由度相对于支撑主体振荡。在具有电容型的驱动和感测的MEMS器件中，移动质量电容性地耦合至多个固定电极，这些固定电极相对于支撑主体固定，由此形成具有可变电容的电容器。当MEMS器件作为传感器工作时，由于作用于其上的力的作用，移动质量相对于固定电极的移动改变电容器的电容。通过测量这种变化，可以检测移动质量相对于支撑主体的位移，并且基于位移可以检测与引起位移的力(例如，振幅)相关联的各种参数。相反，当MEMS器件作为致动器工作时，在移动质量和支撑主体之间施加适当的偏置电压，例如通过驱动电极。因此，移动质量受到引起其期望移动的静电力。在MEMS传感器中，陀螺仪尤其具有复杂的机电结构，其典型地包括相对于支撑主体可移动的至少两个质量，它们彼此耦合以根据系统的架构而具有多个自由度。在大多数情况下，每个移动质量都具有一个或最多两个自由度。移动质量通过感测电极和驱动电极电容性的耦合至支撑主体。在具有两个移动质量的实施例中，第一移动质量专用于驱动，并且以受控振荡幅度的谐振频率下保持振荡。第二移动质量通过第一移动质量的振荡(平移或旋转)运动被驱动，并且在微结构以角速度围绕陀螺仪轴旋转的情况下，受到与角速度成比例并且垂直于驱动方向的科里奥利力。在实践中，第二(被驱动)移动质量用作加速计，其能够检测科里奥利力并检测角速度。在另一实施例中，单个移动质量耦合至支撑主体，并且能够以两个独立的自由度相对于支撑主体移动。在这种情况下，一个自由度用于驱动，并且一个自由度用于感测。后一个自由度可以允许移动质量平面内的移动(面内移动)或者垂直于该平面的移动(面外移动)。驱动装置根据驱动自由度保持移动质量处于受控振荡，并且移动质量响应于由于科里奥利力引起的支撑主体的旋转而基于感测自由度移动。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种克服现有技术缺陷的陀螺仪。例如，一个实施例的陀螺仪能够调节或调谐驱动频率以使频率失配适应需要。根据本专利技术，提供了一种MEMS陀螺仪以及用于控制MEMS陀螺仪的方法。例如，MEMS陀螺仪可以包括支撑结构以及在相互垂直的驱动方向和感测方向上从支撑结构弹性悬挂的移动质量。驱动结构耦合至移动质量，用于控制移动质量在驱动方向上以驱动频率进行的驱动移动。与驱动结构不同的驱动频率调谐电极面向移动质量。驱动频率调谐器电耦合至驱动频率调谐电极，用于向驱动频率调谐电极提供调谐电压。另一实施例提供了一种用于控制MEMS陀螺的方法，包括以下步骤：通过驱动结构以驱动频率在驱动方向上驱动移动质量；通过感测结构，在垂直于驱动方向的感测方向上检测移动质量的移动；以及在调谐电压下偏置驱动频率调谐电极，驱动频率调谐电极不同于驱动结构并且面向移动质量。在实践中，本专利技术的MEMS陀螺仪包括用于通过调节驱动频率来调节频率失配的结构。具体地，用于调节失配的结构包括平行板电容元件，其优选形成在陀螺仪的移动质量的未使用区域中。平行板电容元件分别通过面对相应移动质量的固定调谐电极形成，具体在移动质量的开口中突出。固定电极有利地在相同的调谐电压下偏置。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例参照附图描述其优选实施例，其中：图1是已知MEMS陀螺仪的简化顶视图；图2是图1的陀螺仪的简化截面；图3示出了已知MEMS陀螺仪中存在的失配；图4示意性示出了图1的陀螺仪使用的调谐偏置电路；图5示意性示出了用于存储用于图4的偏置电路的设置的结构；图6是本专利技术的MEMS陀螺仪的一个实施例的简化顶视图；图7是图6的陀螺仪的简化截面；图8是图6的陀螺仪的悬挂质量的放大顶视图；图9是图8的悬挂质量的一部分的放大截面；图10示意性示出了图6至图7的陀螺仪使用的调谐偏置电路；图11示意性示出了用于图10的偏置电路的设置存储结构；图12A和图12B示出了可被本专利技术的MEMS陀螺仪调节的失配；以及图13示出了结合有本专利技术的陀螺仪的电子设备的简化框图。具体实施方式例如，图1和图2示意性示出了使用MEMS技术制造的具有单个移动质量的类型的陀螺仪1的结构。详细地，陀螺仪1包括悬挂在衬底3(图2)之上的两对移动质量2A-2B、2C-2D，它们限定平行于第一笛卡尔轴(这里为轴X)和平行于第二笛卡尔轴(这里为轴Y)的平面。这里，移动质量2A、2B、2C、2D具有大体为梯形的形状，具有相应的长边20和相应的短边21，并且均相对于相邻的移动质量以90°布置；从而相应的长边20沿着第一正方形或矩形的侧面延伸，并且它们的短边21沿着第一正方形或矩形内部且与第一正方形或矩形同心的第二正方形或矩形的侧面延伸。实际上，短边21围绕中心点O，该中心点是陀螺仪1的对称中心。具体地，两个移动质量2A、2B(第一对移动质量)具有平行于第二轴Y的相应长边20和短边21，并且相对于穿过中心点O且平行于第二轴Y的直线镜面反射地布置；两个移动质量2C、2D(第二对移动质量)具有平行于第一轴X的相应长边20和短边21，并且相对于穿过中心点O且平行于第一轴X的直线镜面反射地布置。移动质量2A-2D由支撑结构支撑，该支撑结构相对于衬底3固定，并且能够根据两个自由度实现移动质量2A-2D的移动。详细地，支撑结构(仅示意性地在图1和图2中示出)具有：第一弹性元件4A-4D，在移动质量2A-2D的短边21和中心点O之间延伸，其中延伸有锚定柱7(图2)；以及第二弹性元件8A-8D，在移动质量2A-2D的长边20和相应的锚点9A-9D之间延伸。这里，弹性元件4A-4D和8A-8D(也称为弹簧或“弯曲部”)被配置为允许移动质量2A、2B沿第一轴X的驱动移动(箭头Dx)以及沿第三笛卡尔轴(这里为垂直轴Z)的第一感测移动(由于陀螺仪1绕着第二轴Y的旋转所产生的科里奥利力)；以及允许移动质量2C、2D沿第二轴Y的驱动移动(箭头Dy)以及沿垂直轴Z的第二感测移动(由于陀螺仪1绕第一轴X的旋转而产生的科里奥利力)。如果陀螺仪1是三轴类型的，则弹性元件4A-4D和8A-8D可以允许至少一对移动质量2A-2B、2C-2D(例如，第二对移动质量2C-2D)沿第一轴X的第三移动，用于以已知方式检测沿垂直轴Z作用的科里奥利力。为此，每个移动质量2A-2D耦合至相应的驱动结构10A-10D，驱动结构例如为梳状电容类型、已知类型，布置在长边20上或移动质量2A-2D中形成的适当窗口内。每个移动质量2A-2D电容性地耦合至感测电路，感测电极在这里布置在衬底3上，位于相应的移动质量2A-2D下方，在图1中如虚线所示且在图2中针对移动质量2A、2B示出。具体地，例如为单晶或多晶硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS陀螺仪，包括：支撑结构；移动质量，在驱动方向和感测方向上从所述支撑结构弹性地悬挂，所述驱动方向与所述感测方向相互垂直；驱动结构，耦合至所述移动质量并且被配置为控制所述移动质量以驱动频率在所述驱动方向上的驱动移动；驱动频率调谐电极，面对所述移动质量，所述驱动频率调谐电极不同于所述驱动结构；以及驱动频率调谐器，电耦合至所述驱动频率调谐电极，并且被配置为向所述驱动频率调谐电极提供调谐电压。

【技术特征摘要】
2017.09.05 IT 1020170000994121.一种MEMS陀螺仪，包括：支撑结构；移动质量，在驱动方向和感测方向上从所述支撑结构弹性地悬挂，所述驱动方向与所述感测方向相互垂直；驱动结构，耦合至所述移动质量并且被配置为控制所述移动质量以驱动频率在所述驱动方向上的驱动移动；驱动频率调谐电极，面对所述移动质量，所述驱动频率调谐电极不同于所述驱动结构；以及驱动频率调谐器，电耦合至所述驱动频率调谐电极，并且被配置为向所述驱动频率调谐电极提供调谐电压。2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动频率调谐电极和所述移动质量形成平行板电容器，所述平行板电容器具有垂直于所述驱动方向延伸的板。3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量包括通孔，并且所述驱动频率调谐电极延伸穿过所述通孔。4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述支撑结构包括限定平面的衬底，其中所述移动质量被布置为与所述衬底相距一距离，并且其中所述驱动频率调谐电极具有从所述衬底延伸穿过所述通孔的伸长壁的形状。5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量在垂直于所述平面的方向上具有厚度，并且所述壁在垂直于所述驱动方向且平行于所述平面的方向上具有长度，所述移动质量和所述壁具有由所述长度和所述厚度限定的面对面积。6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量被配置为在移动电压处被偏置，并且所述驱动频率调谐器被配置为向所述驱动频率调谐电极提供调谐电压Vt，以便引起修改的驱动频率fdt：其中J是所述移动质量的转动惯量，Km是所述移动质量的机械弹性驱动常数，并且Kt是所述移动质量的静电弹性常数，即：其中Ae是所述面对面积，ag0是在垂直于所述驱动方向的方向上的所述通孔的面对表面与所述驱动频率调谐电极的面对表面之间的静止距离，以及ε0是真空介电常数。7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括存储元件，所述存储元件被配置为存储作为修改的驱动频率的期望值的函数的所述调谐电压的值。8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中所述移动质量、所述驱动结构、所述驱动频率调谐电极和所述驱动频率调谐器被集成在第一芯片中，并且所述存储元件被集成在第二芯片中。9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括移动感测电极，所述移动感测电极耦合至所述移动质量并且被配置为检测所述移动质量在所述感测方向上的移动。10.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，其中所述支撑结构包括限定平面的衬底，其中所述移动质量被布置为与所述衬底相距一距离，其中所述驱动频率调谐电极具有从所述衬底延伸穿过所述通孔的伸长壁的形状，并且其中所述移动感测电极在所述衬底之上平行于所述平面、在所述移动质量下方、以及横向于所述驱动频率调谐电极而延伸。11.一种系统，包括：处理单元；接口，耦合至所述处理单元；以及根据权利要求1所述的M...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·普拉蒂，
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