电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法技术

本发明专利技术提供了一种电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法，所述电容式MEMS陀螺仪包括衬底、可动质量块、直流信号端、地线、第一开关、第二开关、第三开关；所述直流信号端经过所述第一开关电连接所述可动质量块；所述直流信号端经过所述第二开关电连接所述衬底；所述直流信号端依次经过所述第二开关和所述第三开关电连接所述地线；所述衬底经过所述第三开关电连接所述地线。

【技术实现步骤摘要】
电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法
本专利技术涉及微机电系统领域，尤其涉及一种电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法。
技术介绍
MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微机电系统)器件由于其体积小、成本低、集成性好等特点，已被越来越广泛地应用在如消费电子、医疗、汽车等产品中。MEMS陀螺仪在目前的相机防抖、无人机姿态控制、惯性导航、空中鼠标等应用中发挥着至关重要的作用。目前市面上的MEMS陀螺仪，按工作原理分类，主要有压电式和电容式两种，其中电容式陀螺仪在微型化和集成化方面更具有优势，是当前MEMS陀螺仪的主流技术路线。电容式MEMS陀螺仪的主要结构包含驱动电极、检测电极、可动质量块、弹性梁和固定锚点。可动质量块通过弹性梁连接在固定锚点上，驱动电极和检测电极为硅等材料加工成的电容，电容分为固定极板部分和可动极板部分，可动极板部分连接在可动质量块上，当可动质量块运动时，驱动和检测电极电容组的电容可发生变化。电容式MEMS陀螺仪的简要工作原理为，在驱动电极两端的电容极板上分别外加直流和交流的电信号，相对设置的一组驱动电极提供给可动质量块的静电驱动力F可表示为：F＝2*C1*Vac*Vdc(1)式中，C1为驱动电极在驱动方向上的电容变化率；Vac为施加在可动极板上的交流信号；Vdc为施加在固定极板上的直流信号。当交流信号的频率与可动质量块自身在驱动方向上的固有谐振频率一致时，驱动电极上的静电力可将可动质量块激发至进入谐振状态，使其在驱动方向上具有较大幅度的振动，当静电驱动力F与弹性梁的回复力和气体阻尼力平衡时，可动质量块维持在稳定幅度振动状态。此时，当可动质量块检测到外加旋转角速度，并且旋转轴向与驱动方向垂直时，会产生方向同时垂直于驱动方向和角速度旋转轴向的第三方向的科里奥利力。陀螺仪结构设计中，将检测电极的电容极板正对方向，设计为与该科里奥利力方向平行，从而当可动质量块由于科里奥利力而在检测方向上运动时，检测电极的电容极板间距发生变化，再通过后续的电容检测电路，读取出检测电极电容的变化即完成对角速度的测量。上述的电容式MEMS陀螺仪，正常工作时需要持续外加直流和交流信号使其保持在谐振状态。而在许多移动终端应用中，其有效使用时间受供电电池容量限制，需要尽量节约用电，故应用中的陀螺仪器件在不需要工作的时候一般处于低功耗待机状态，此时不需要给陀螺仪结构外加电信号，仅当应用中需要用到陀螺仪时，才唤醒陀螺仪芯片，使其中的陀螺仪结构开始振动。因此，陀螺仪芯片从低功耗状态到唤醒正常工作之间所需的时间，对于用户体验至关重要，需要尽可能缩短唤醒时间，特别是陀螺仪起振时间，至用户基本无法察觉的程度。缩减陀螺仪结构起振时间的一个主要途径是增加起振过程中的驱动力，由静电驱动力F的表达式可知其与驱动电极的电容变化率、驱动直流和交流电压成比例。其中，增加驱动电极的电容需要增加芯片面积，进而增加芯片成本；直流和交流电压的最大幅度，受限于驱动电路的加工工艺，增加电路最大耐压将会显著增加电路芯片的加工工艺复杂度和成本。
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电容式MEMS陀螺仪，其包括衬底、可动质量块、直流信号端、地线、第一开关、第二开关、第三开关；所述直流信号端经过所述第一开关电连接所述可动质量块；所述直流信号端经过所述第二开关电连接所述衬底；所述直流信号端依次经过所述第二开关和所述第三开关电连接所述地线；所述衬底经过所述第三开关电连接所述地线。进一步地，所述电容式MEMS陀螺仪包括启用状态和停用状态。进一步地，当所述陀螺仪由所述停用状态进入所述启用状态时，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通，满足第一预设条件后，设置所述第一开关和所述第三开关关断，所述第二开关导通，满足第二预设条件后，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通。进一步地，所述第一预设条件在于实现为所述可动质量块和所述衬底所构成的寄生电容完成充电。进一步地，所述第二预设条件在于使所述可动质量块得振动幅度达到预定值。进一步地，所述第一预设条件和/或所述第二预设条件为预设时间。进一步地，所述直流信号端由电荷泵提供。本专利技术还提供了一种加快电容式MEMS陀螺仪起振速度的方法，其包括：为可动质量块和衬底所构成的寄生电容充电；充电断开以保持所述可动质量块上的电荷；改变所述衬底的电位，从而提高所述可动质量块对地的电位差。进一步地，为所述寄生电容充电时，所述可动质量块接直流信号端，所述衬底接地。进一步地，通过将所述直流信号端接所述衬底，以改变所述衬底的电位，从而提高所述可动质量块对地的电位差。本专利技术的电容式MEMS陀螺仪及其加快起振速度的方法，通过对陀螺仪结构的设置和工作方式的调整，来增大陀螺仪起振时作用于可动质量块的静电驱动力，加快了陀螺仪的起振速度，从而缩短陀螺仪从低功耗待机状态到唤醒正常工作之间所需的时间。本专利技术的技术方案基于现有的陀螺仪的结构和制造工艺，无需增加芯片面积以及调整工艺平台的耐压等级，即可有效地加快陀螺仪起振速度，整体方案成本低、易于实现。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个实施例的结构示意图；图2是本专利技术的一个实施例的等效电路结构示意图。具体实施方式在本专利技术的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利技术的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。图1示出了本实施例的电容式MEMS陀螺仪的结构示意图，其中包括可动质量块100、固定锚点201～204、弹性梁301～304、固定电极401～408、衬底500，可动质量块100与衬底500间隔设置。可动质量块100分别通过弹性梁301～304与固定锚点201～204相连接，弹性梁301～304的结构适于可动质量块100沿X方向和Y方向活动，在本实施例中X方向为检测方向，Y方向为驱动方向。固定电极401、402和固定电极403、404沿X方向对称地设置在可动质量块100的两侧。可动质量块100和固定电极401～404上设置有相配合的梳齿对，从而可动质量块100与固定电极401～404分别构成驱动电容C1～C4，驱动电容C1～C4的电容值均记为Cdr，驱动电容C1～C4在驱动方向上的电容变化率记为Cdr1。当陀螺仪正常工作时，在可动质量块100上加载直流信号，在固定电极401～4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，包括衬底、可动质量块、直流信号端、地线、第一开关、第二开关、第三开关；所述直流信号端经过所述第一开关电连接所述可动质量块；所述直流信号端经过所述第二开关电连接所述衬底；所述直流信号端依次经过所述第二开关和所述第三开关电连接所述地线；所述衬底经过所述第三开关电连接所述地线。/n

【技术特征摘要】
1.一种电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，包括衬底、可动质量块、直流信号端、地线、第一开关、第二开关、第三开关；所述直流信号端经过所述第一开关电连接所述可动质量块；所述直流信号端经过所述第二开关电连接所述衬底；所述直流信号端依次经过所述第二开关和所述第三开关电连接所述地线；所述衬底经过所述第三开关电连接所述地线。


2.如权利要求1所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，包括启用状态和停用状态。


3.如权利要求2所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，当所述陀螺仪由所述停用状态进入所述启用状态时，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通，满足第一预设条件后，设置所述第一开关和所述第三开关关断，所述第二开关导通，满足第二预设条件后，设置所述第二开关关断，所述第一开关和所述第三开关导通。


4.如权利要求3所述的电容式MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第一预设条件在于实现为所述可动质量块和所述衬底所构成的寄生电容完成充电。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹波，郭梅寒，
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