MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法，所述校正装置包括C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述MEMS陀螺仪的驱动检测端相连接；测量模块，所述测量模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号，所述测量模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；输出模块，所述校正模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述MEMS陀螺仪的驱动输入端相连接。

【技术实现步骤摘要】
MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法
本专利技术涉及微机电系统领域，尤其涉及一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法。
技术介绍
陀螺仪是测量物体转动角速度的装置，在工业控制、医疗器械、汽车电子以及现代军事领域有广泛的应用。早期的机械陀螺体积庞大，成本高昂，只能用于特殊用途。近年来微机电系统(MicroElectronicMechanicalSystem，MEMS)陀螺仪凭借体积小、重量轻、集成度高且成本低廉的优势占据了大量的市场份额。MEMS陀螺仪感应信号产生的原理可以简单地描述为角速度作用于以一定速度振动的质量块，产生与振动方向垂直的科里奥利力(科氏力)，科氏力使质量块沿感应方向发生位移，从而产生感应信号。根据科氏力的计算公式，当质量块的质量一定时，科氏力的大小正比于驱动幅度和外加角速度的乘积，因此驱动幅度可以说是影响MEMS陀螺仪性能的最重要的因素之一。对于每一颗单独的MEMS陀螺仪芯片，控制电路可以通过闭环反馈的方式保持驱动幅度的稳定，甚至在外界温度或者芯片自身的品质因子发生变化时依然能够保持驱动幅度的稳定，如公布号为CN110389528A和CN110311684A的专利技术专利均利用了类似的方式实现对陀螺的驱动幅度的精准控制。然而必须要明确的是，在现有技术中，控制电路所谓的控制驱动幅度实际上只是控制电信号的幅度，对于MEMS陀螺仪来说，该电信号的幅度正比于机械振动的幅度与驱动检测电极电容变化率的乘积：VDr∝DDr×C1Ds式中，VDr为驱动检测电极所产生的电信号的幅度，DDr为驱动质量块的机械运动幅度，C1Ds为驱动检测电极的电容变化率。对于间隙为d的梳齿状驱动检测电极，其电容变化率为：式中，N为驱动检测电极的梳齿对数，ε0为真空介电常数，h为梳齿厚度，d为相邻梳齿的间隙。对于同一颗MEMS陀螺仪，在理想情况下，可以认为其驱动检测电极的电容变化率不随时间变化，电信号的幅度一致性可以等效于机械振动幅度的一致性。但在现有工艺条件下，即使是同一晶圆片，不同位置的器件的关键尺寸也会存在着明显的差异。图1是在一8英寸的晶圆片上生产的22000颗MEMS陀螺仪的驱动检测电极间隙的测量值的分布图，原始设计值为2um，而实际上该间隙分布在1.85～2.15um之间。根据以上讨论，即使控制电路可以通过反馈控制质量块运动产生的电信号幅度完全相同，由于电容变化率的差异，实际的机械驱动幅度最大可相差15％左右，因为科氏力的大小是与质量块的机械驱动幅度成正比的，所以不同陀螺仪的灵敏度也会存在差异。目前常用的解决方法是通过出厂前的校准调整控制电路的检测回路的增益来保证不同芯片的灵敏度的一致性，但是检测回路增益的不同使得不同芯片在噪声密度、零偏稳定性及温漂特性等方面存在显著的个体差异。
技术实现思路
鉴于现有技术中的问题，本专利技术提供一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其包括：C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述MEMS陀螺仪的驱动检测端相连接；测量模块，所述测量模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号，所述测量模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述MEMS陀螺仪的驱动输入端相连接。进一步地，所述校正模块包括校正系数产生模块和幅度校正模块，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号输出校正系数，所述幅度校正模块根据所述幅度表示信号和所述校正系数输出所述经校正的幅度表示信号。进一步地，所述校正模块还包括校正系数存储模块，所述校正系数存储模块用于存储所述校正系数，以及将所述校正系数提供给所述幅度校正模块。进一步地，所述校正系数产生模块包括启用状态和停用状态，当所述校正系数产生模块处于停用状态时，所述校正系数存储模块向所述幅度校正模块提供固定的校正系数。进一步地，所述校正模块还预设有参考频率，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号和所述参考频率输出所述校正系数。进一步地，所述校正系数的计算公式为：其中，R是所述校正系数，K是与所述MEMS陀螺仪的机械结构相关的比例因子，f是所述频率表示信号所对应的频率，f0是所述参考频率。进一步地，所述幅度校正模块为乘法器。本专利技术还提供了一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其包括：C/V转换模块，所述C/V转换模块的输入端与所述MEMS陀螺仪的驱动检测端和检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端和所述检测端的信号分别输出第一输出信号和第二输出信号；测量模块，所述测量模块用于接收所述第一输出信号和所述第二输出信号，并根据所述第一输出信号输出幅度表示信号和相位表示信号，根据所述第二输出信号输出频率表示信号；校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述MEMS陀螺仪的驱动输入端相连接。进一步地，所述C/V转换模块采用一C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述驱动检测端和所述检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端和所述检测端的信号通过分时复用方式分别输出所述第一输出信号和所述第二输出信号；或者所述C/V转换模块包括第一C/V转换器和第二C/V转换器，所述第一C/V转换器的输入端与所述驱动检测端相连接，并根据来自所述驱动检测端的信号输出所述第一输出信号；所述第二C/V转换器的输入端与所述检测端相连接，并根据来自所述检测端的信号输出所述第二输出信号。进一步地，所述检测端包括第一检测端和第二检测端，所述第一检测端连接所述C/V转换模块，在所述第二检测端施加激励信号。本专利技术还提供了一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正方法，其通过所述MEMS陀螺仪的驱动检测信号或检测信号的频率来校正驱动幅度。本专利技术的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置及方法的原理在于，通过微机械加工工艺批量生产的MEMS陀螺仪，在晶圆片上不同区域的结构其关键尺寸存在差异，导致不同区域的电极的电容变化率不一致，造成驱动幅度检测的误差。由于MEMS陀螺仪的尺寸小，其电容的量级通常在fF或者pF量级，而其机械振动的幅度一般在微米量级，所以对电容变化率的直接测量几乎不可能。但在相同或者相近位置处MEMS陀螺仪中谐振系统所采用的弹簧，其特征尺寸和电容梳齿的特征尺寸具有相关性，它们分别决定了弹簧刚度和驱动检测电极的电容变化率，在质量块质量不变的情况下，系统的谐振频率由弹簧刚度决定，因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，包括/nC/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述MEMS陀螺仪的驱动检测端相连接；/n测量模块，所述测量模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号，所述测量模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；/n校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；/n输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述MEMS陀螺仪的驱动输入端相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，包括
C/V转换器，所述C/V转换器的输入端与所述MEMS陀螺仪的驱动检测端相连接；
测量模块，所述测量模块用于输出其输入端电信号的频率表示信号、幅度表示信号和相位表示信号，所述测量模块的输入端与所述C/V转换器的输出端相连接；
校正模块，所述校正模块用于接收所述幅度表示信号和所述频率表示信号，并根据所述幅度表示信号和所述频率表示信号输出经校正的幅度表示信号；
输出模块，所述输出模块用于接收所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号，并根据所述相位表示信号和所述经校正的幅度表示信号输出驱动信号，所述输出模块的输出端与所述MEMS陀螺仪的驱动输入端相连接。


2.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，所述校正模块包括校正系数产生模块和幅度校正模块，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号输出校正系数，所述幅度校正模块根据所述幅度表示信号和所述校正系数输出所述经校正的幅度表示信号。


3.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，所述校正模块还包括校正系数存储模块，所述校正系数存储模块用于存储所述校正系数，以及将所述校正系数提供给所述幅度校正模块。


4.如权利要求3所述的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，所述校正系数产生模块包括启用状态和停用状态，当所述校正系数产生模块处于停用状态时，所述校正系数存储模块向所述幅度校正模块提供固定的校正系数。


5.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，所述校正模块还预设有参考频率，所述校正系数产生模块根据所述频率表示信号和所述参考频率输出所述校正系数。


6.如权利要求5所述的MEMS陀螺仪驱动幅度校正装置，其特征在于，所述校正系数的计算公式为：



其中，R是所述校正系数，K是与所述MEMS陀螺仪的机械结构相关的比例因子，f是所述频率表示信号所对应的频率，f0...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹波，刘彬，
申请(专利权)人：深迪半导体上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31