具有改进的驱动结构的集成微机电陀螺仪制造技术

技术编号:6725944 阅读:204 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
一种集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”),配备有:至少第一驱动质量块(2a),当驱动电极的组件(13)偏置时,被驱动为具有沿着第一轴(x)的第一驱动运动,当存在集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”)的旋转时,第一驱动运动产生至少一个感测运动;以及至少第二驱动质量块(2b),被驱动为具有沿着垂直于第一轴(x)的第二轴(y)的第二驱动运动,当存在集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”)的旋转时,第二驱动运动产生至少一个相应的感测运动。该集成MEMS陀螺仪还配备有弹性地耦合第一驱动质量块(2a)和第二驱动质量块(2b)的第一弹性耦合元件(12a),所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合第一驱动运动到所述第二驱动运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成微机电陀螺仪,特别是具有改进的驱动结构的三轴型集成微机电陀螺仪。
技术介绍
众所周知,如今的精密加工技术能够从半导体材料层开始生产微机电系统 (MEMS),这些半导体材料层已经被沉积(例如,多晶硅层)或者生长(例如,外延层)在牺牲层上,这些牺牲层经由化学蚀刻而被移除。用这种技术获得的惯性传感器、加速度计和陀螺仪例如在汽车领域、惯性导航或者便携式装置领域中取得了越来越多的成功。特别地,已经知悉用MEMS技术获得的半导体材料制成的集成陀螺仪。这些陀螺仪基于相对加速度理论、利用科里奥利加速度工作。当把某一角速度的旋转(其值是待测的) 施加到使用线性速度驱动的移动质量块时,该移动质量块“感觉”到被称作“科里奥利力” 的惯性力,该力确定了移动质量块在与线性驱动速度方向垂直且与关于其发生旋转的轴垂直的方向上的位移。移动质量块经由使得能够在惯性力方向上发生位移的弹性元件而被支撑。根据胡克定律,该位移与该惯性力以这样一种方式成比例,该方式使得有可能从该移动质量块的位移检测该科里奥利力和产生该科里奥利力的旋转的角速度值。移动质量块的位移能够,例如,以电容方式来检测,在谐振的情况下确定由移动感测电极的运动引起的电容变化,该电极被相对于移动质量块固定且被耦合(例如,在所谓“平行板”结构中或者在梳齿结构中)到固定感测电极。MEMS陀螺仪通常具有对称的感测结构,包括一对用于每个感测轴的感测质量块, 有可能检测关于感测轴的对应角速度的旋转。理想地,通过使用适当的差分读取机制,总体对称的结构使得能够完全排除例如由于作用于传感器的冲击或者由于重力加速度产生的外部施加的干扰的线性加速度。实际上,鉴于科里奥利力倾向于在相反方向上并且基本上等量地使每对感测质量块不平衡(产生“相反相位”运动),干扰的外部干扰加速度确定其在相同方向上并且等量的位移(产生“同相位”运动);通过将与每对的两个感测质量块相关的电信号相减,理想地有可能测量由于科里奥利力产生的贡献并完全排除干扰的加速度的贡献。MEMS陀螺仪还具有驱动结构,该结构以这样一种方式机械地耦合到感测结构,以使得赋予感测质量块以沿着相应的驱动方向的线性驱动速度;借助于驱动电极将驱动结构设置成是运动的,该驱动电极从MEMS陀螺仪的电子驱动电路接收适合的电气偏置信号。特别地,偏置信号是用来借助于与给定驱动质量块相关的驱动电极的相互的和交变的吸引, 在相应的驱动方向上引起相同的驱动质量块在给定振荡频率的自振荡(与驱动质量块的机械谐振频率相对应)。MEMS陀螺仪的电子驱动电路以已知的方式包括借助于反馈感测结构(特别地, 被设计成用于通过转换电荷的变化来测量在驱动方向上驱动质量块的位移的驱动感测电极),用于在驱动质量块上传递运动并控制其作为结果的驱动运动(特别地,相应振荡的频率和幅度)的复杂反馈控制回路。通常,并如所述的那样,例如,在2009年6月3日以本申请人的名义提交的 No. T02009A000420专利申请中,对于每个驱动方向,电子驱动电路都包括各自的反馈控制回路,并且整体上能够在相应驱动方向上控制驱动质量块的驱动,反馈控制回路由电荷放大器块、相位延迟器、滤波器、振荡器、可变增益放大器、PLL(锁相环)级和其它元件构成。因此,显而易见的是,关于微机械部分和相应的驱动和读取电子电路,微机电陀螺仪的设计和实施都是特别复杂的。特别地,涉及三轴陀螺仪的驱动,设想多个控制回路(每个驱动方向对应一个)的需求通常需要相当多的资源及在集成实施中相应的高占用面积。 此外,维持在各种驱动方向上的驱动质量块的振荡频率、相位和幅度之间的期望比率通常是复杂的。
技术实现思路
因此,本专利技术的目的是提供一种具有改进的机电特征的微机电陀螺仪,特别是关于相应的驱动结构。根据本专利技术,提供了一种集成MEMS陀螺仪,包括-至少第一驱动质量块,设计成当驱动电极组件偏置时,被驱动为具有沿着第一轴的第一驱动运动,所述第一驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪的旋转时,产生至少一感测运动;以及-至少第二驱动质量块,设计成被驱动为具有沿着贯轴于所述第一轴的第二轴的第二驱动运动,所述第二驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪的旋转时,产生至少一个相应的感测运动,特征在于包括被配置成弹性地耦合所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块的第一弹性耦合元件,所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合所述第一驱动运动到所述第二驱动运动。附图说明为了更好地理解本专利技术,现在仅利用非限定示例并参考附图来描述其优选实施例,其中-图1示出根据本专利技术的一个方面的MEMS陀螺仪的微机电结构的概要和简化俯视图;-图2-图4示出根据本专利技术的变体的MEMS陀螺仪的微机电结构的概要和简化俯视图;图5示出根据本专利技术的第一实施例的三轴MEMS陀螺仪的布局的概要俯视图;图6和图7示出根据本专利技术的又一实施例的三轴MEMS陀螺仪的布局的概要俯视图;图8示出根据本专利技术的又一方面的提供有MEMS陀螺仪的电子装置的简化框图。 具体实施例方式正如在此后将要详细描述的那样,本专利技术的一方面设想提供一种集成MEMS陀螺仪,其中在将要在第一驱动方向上移动的至少第一驱动质量块和将要在垂直于第一驱动方向的第二驱动方向上移动的至少第二驱动质量块之间提供机械弹性耦合,耦合的方式使得第一驱动质量块和第二驱动质量块以彼此同步且具有给定相位关系的方式移动。正如在此后将要详细描述的那样,在两个彼此垂直的驱动方向上相对彼此移动的至少两个驱动质量块的存在使得能够感测关于笛卡尔参照系(相对于MEMS陀螺仪固定)的三个轴的角速度。 驱动质量块之间的弹性耦合元件的存在使得能够利用单个驱动运动来移动微机电结构的所有移动质量块,并因此使得能够实现用于对驱动运动进行控制的单个反馈控制回路。更详细地,并参考图1的概要表示,在此由1标出的三轴MEMS陀螺仪的微机械结构包括第一驱动质量块加,借助于第一弹性锚具元件如锚定在基底3 (在此被示意性地说明),锚定方式使得第一驱动质量块加能够沿着第一水平轴χ在第一驱动方向(运动方向在图1中由箭头表示)上自由线性平移运动,使用中检测关于该轴χ的俯仰角速度的旋转;第二驱动质量块2b,借助于第二弹性锚具元件4b锚定在基底3,锚定方式使得第二驱动质量块2b能够沿着垂直于第一水平轴χ的第二水平轴y在第二驱动方向上自由线性平移运动,使用中检测关于轴y的侧滚角速度的旋转;第三驱动质量块2c,借助于第三弹性锚具元件4c锚定在基底3,锚定方式使得第三驱动质量块2c能够沿着第一水平轴χ在第一驱动方向上自由线性平移运动,并沿着相同的第一水平轴χ与第一驱动质量块3a对齐以形成第一对驱动质量块;第四驱动质量块2d,借助于第四弹性锚具元件4d锚定在基底3,锚定方式使得第四驱动质量块2d能够沿着第二水平轴y在第二驱动方向上自由线性平移运动, 并沿着相同的第二水平轴y与第二驱动质量块2b对齐以形成第二对驱动质量块。特别地, 驱动同一相同对驱动质量块,以使得彼此相对地反相移动(正如在此后将要详细描述的那样,用这种方式以反相产生用于感测角速度的相应的感测运动)。在所述实施例中,驱动质量块2a_2d —般地被布置在十字形的末端,进而在中心限定了空白空间5。此外,每个驱动质量块加_2(1在由第一水平轴χ本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”),包括:-至少第一驱动质量块(2a),被设计成当驱动电极的组件(13)偏置时,被驱动为具有沿着第一轴(x)的第一驱动运动,所述第一驱动运动设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”)的旋转时,产生至少一感测运动;以及-至少第二驱动质量块(2b),设计成被驱动为具有沿着垂直于所述第一轴(x)的第二轴(y)的第二驱动运动,所述第二驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪(1;1’;1”)的旋转时,产生至少一个相应的感测运动,其特征在于,包括被配置成弹性地耦合所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)的第一弹性耦合元件(12a),所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合所述第一驱动运动到所述第二驱动运动。

【技术特征摘要】
2009.12.24 IT TO2009A0010421.一种集成MEMS陀螺仪(1 ;1,;1”),包括-至少第一驱动质量块(加),被设计成当驱动电极的组件(1 偏置时,被驱动为具有沿着第一轴U)的第一驱动运动,所述第一驱动运动设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪 (1 ;1' ;1”)的旋转时,产生至少一感测运动;以及-至少第二驱动质量块(2b),设计成被驱动为具有沿着垂直于所述第一轴(χ)的第二轴(y)的第二驱动运动,所述第二驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’ ; 1”)的旋转时,产生至少一个相应的感测运动,其特征在于,包括被配置成弹性地耦合所述第一驱动质量块Oa)和所述第二驱动质量块Ob)的第一弹性耦合元件(1 ),所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合所述第一驱动运动到所述第二驱动运动。2.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述第一驱动运动被设计成作为科里奥利力的结果,响应于所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’ ;1”)以偏转角速度关于正交于所述第一轴(χ)和所述第二轴(y)的垂直轴(ζ)的旋转,产生沿着所述第二轴(y)的感测运动,以及响应于所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’ ;1”)的以侧滚角速度关于所述第二轴(y)的旋转,产生沿着所述垂直轴(ζ)的感测运动;以及其中所述第二驱动运动被设计成作为科里奥利力的结果, 响应于所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’;1”)以所述偏转角速度关于所述垂直轴(ζ)的旋转产生沿着所述第一轴(χ)的感测运动,以及响应于所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’ ;1”)以俯仰角速度关于所述第一轴(χ)的旋转,产生沿着所述垂直轴(ζ)的感测运动。3.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述第一弹性耦合元件(12a)被配置成使所述第二驱动质量块Ob)根据所述给定运动比率被所述第一驱动质量块Oa)引入所述第二驱动运动中。4.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述第一弹性耦合元件(12a)具有相对于所述第一轴(X)以非零值的倾斜角(α)倾斜的方向上的延伸轴,并被配置成在所述第一驱动质量块 (2a)和所述第二驱动质量块Ob)之间沿着所述延伸轴传递相对运动。5.根据权利要求4的陀螺仪,其中所述倾斜角(α)是45°,且所述运动比率基本上是 1 1的比率;即,所述第一驱动质量块Oa)的位移对应所述第二驱动质量块Ob)的基本上相等的位移。6.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述第一弹性耦合元件(12a)是折叠型的。7.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述第一弹性耦合元件(12a)被配置以使得所述第一驱动运动和第二驱动运动是彼此同步的振荡运动。8.根据权利要求1的陀螺仪,其中所述驱动电极的组件(1 仅被连接到所述第一驱动质量块Oa)而不被连接到所述第二驱动质量块Ob)。9.根据权利要求1的陀螺仪,包括第一弹性锚具元件Ga),该元件被连接在所述第一驱动质量块Oa)和所述集成MEMS陀螺仪(1 ;1’;1”)的基底(3)之间,且被配置以限制所述第一驱动质量块Oa)来沿着所述第一轴(χ)执行所述第一驱动运动;以及第二弹性锚具元件(4b),该元件被连接在所述第二驱动质量块Qb)和所述基底C3)之间,且被配置以限制所述第二驱动质量块Ob)来沿着所述第二轴(y)执行所述第二驱动运动。10.根据权利要求9的陀螺仪,进一步包括第三驱动质量块(2c),该驱动质量块被设计成当所述驱动电极的组件(1 偏置时,被驱动为具有沿着所述第一轴(χ)的第三驱动运动,且借助于第...

【专利技术属性】
技术研发人员:G·卡扎尼加L·科多纳托
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:IT

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